【お読みいただく前に・Fe₃Alとは】

Fe₃Al（アルパーム）は、鉄原子とアルミニウム原子を3：1の割合で規則的に3次元的に配列した構造（D0₃型構造^※１）を有する金属間化合物です。熱処理や組成（配合割合）によって特性が大きく変化する特徴があります。1933年に発見されて以来、磁性材料や構造用材料として研究され、また原子の規則配列についての基礎研究のモデル材料としても長らく研究されてきました。
その性質変化には、鉄とアルミニウム原子の規則配列が関係すると考えられており、2000年頃には超弾性^※２や形状記憶効果^※３など、高価なニッケル-チタン合金が示す特性を示すことも発見されています。
Fe₃Alは安価な鉄とアルミニウムで構成されていることから、大きな部材の用途に適用でき、制震材料などへの応用が期待されています。

大阪大学大学院工学研究科の柳玉恒特任助教（常勤）、奥川将行助教、小泉雄一郎教授らのグループは、名古屋大学大学院工学研究科の足立吉隆教授との共同研究により、Fe₃Alという物質中の鉄原子とアルミニウム原子の規則配列の速度と原子の移動のし易さの関係における約90年に渡る長年の問題を解決しました。
研究チームは、熱処理実験と電子顕微鏡観察による実験データを取得し、3次元的な領域境界の移動と2次元的界面移動速度との関係をコンピュータシミュレーションで評価することで、両者の関係を明らかにしました。具体的には、D0₃型構造が形成される際に、「ランダムな状態から規則的に並び始める際の速度」と、「原子の並ぶ順番に食い違いが生じた境界（逆位相境界と呼ばれる）で境界上にある原子の位置が置き換わるときの速度」とほぼ同じであることが分かりました。これにより、全体的な規則配列の発達と、界面での局所的な規則配列の位相の変化は、同一の機構で説明できることを実証できました。この成果は、Fe₃Alの超弾性や形状記憶特性などの特性を調整するための熱処理方法を最適化したり、長期間の特性変化を予測したりするデジタルツインの構築に役立ちます。さらに、この成果は、Fe₃Alと類似の結晶構造を有するスピントロニクス材料などの性能の向上にも役立てられるものと期待されます。
本研究成果は、Acta Materialia誌に2024年4月25日にオンライン掲載されました。

【ポイント】

◆　鉄とアルミニウムの金属間化合物であるFe₃Alの原子配列について、全体的な規則配列の発達と、界面での局所的な規則配列の位相の変化が同一の機構で説明できることを実証し、規則化速度の理解を大きく進展
◆　この実証においては、コンピュータシミュレーションで得た３次元形状を定量評価する手法も重要な役割を果たした
◆　Fe₃Al以外の物質での原子の規則配列の理解も一歩進め、Fe₃AlのD0₃型規則構造と類似の規則配列をもつ材料（機能性材料強磁性形状記憶合金、スピントロニクス用ハーフメタルなど）の熱処理最適化による高性能化にも貢献
◆　Fe₃Alの3Dプリントで超弾性や形状記憶特性を活用し易くし、免震構造部材の3Dプリントへ応用するための研究を遂行中

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【用語説明】

※１　D0₃型構造
体心立方構造を2x2x2に８つ並べて形成される構造の体心位置の原子の半分を規則的に異種原子を置換して形成される結晶構造（空間群：Fm3m）Fe₃Alの場合、基本格子Feで構成され、体心位置の半分をAl原子が占有する。Al原子同士は隣接しない。

※２　超弾性
通常の金属では元に戻らない程にまで大きく変形（降伏荷重を超える荷重による塑性変形による永久ひずみが残る程度の変形）しても、加えた荷重を取り除くと元の形に戻る特性である。チタン-ニッケル合金などで発現する超弾性は、熱弾性型マルテンサイト変態とよばれる、変形による結晶構造変化（相転移）とその逆過程（逆方向の相転移）によって発現するのに対して、Fe₃Alの超弾性は、規則ドメイン境界により超格子転位対を構成する二本の転位のうちの後続転位が運動できず、変形中に先導転位の背後にAPBが形成され、除荷時にはそのAPBによる張力により先導転位が引き戻されることで発現する（参考: H.Y. Yasuda et al. Acta Materialia 51 (2003) 5101）。

※３　形状記憶効果
通常の金属では元に戻らない程にまで大きく変形（降伏荷重を超える荷重による塑性変形による永久ひずみが残る程度の変形）しても、温度を上昇させると、結晶構造が元にもどり、それにともない変形で導入されたひずみが回復し、形状が回復する現象。

【論文情報】

本研究成果は、材料科学分野で著名な学術雑誌Acta Materialia誌（Impact Factor 9.4）に2024年4月25日にオンライン掲載されました。同誌の印刷版は、2024年5月24日に発行されました。
タイトル：“Resolving the long-standing discrepancy in Fe₃Al ordering mobilities: A synergistic experimental and phase-field study (Fe₃Alの規則化移動度に関する長年の矛盾の解消：実験とフェーズフィールド計算の協調（シナジー）的研究)”
著者名：Yuheng Liu, Madoka Watanabe, Masayuki Okugawa, Takashi Hagiwara, Tsubasa Sato, Yusuke Seguchi, Yoshitaka Adachi, Yoritoshi Minamino, Yuichiro Koizumi, (柳玉恒、渡辺まどか、奥川将行、萩原尚、佐藤翼、瀬口侑右、足立吉隆、南埜宜俊、小泉雄一郎）

　
DOI：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119958
なお、本研究の一部は、科学研究費補助金 学術変革領域(A)JP21H05192超温度場材料創成学：巨大ポテンシャル勾配による原子配列制御が拓くネオ3プリントにより行われました。また、本研究は、これまでに、文部科学省平成19年度大学教育の国際化推進プログラム（海外先進研究実践支援）、2006 年度 (財) 山田科学振興財団長期間派遣協同研究、第19回 鉄鋼研究振興助成、日本学術振興会科学研究費（21H05018, 21H05193, 21H05192, 21H05194, 23K13578）の支援を受けてきました。

【研究代表者】

工学研究科材料　足立 吉隆　教授
https://www.material.nagoya-u.ac.jp/Adachi-lab/WWW/index.html