界面配向の弱化が誘起するB2→BCT相転移により二相L1₂–B2高エントロピー合金の延性を三倍に向上

脆さの強い金属を粘り強くする

現代のエンジン、タービン、そして宇宙機は、高強度でありながら破断せずに伸びることができる金属を必要とします。高エントロピー合金――複数の金属を複雑に混ぜた合金――は有望ですが、しばしば強度と引き替えに延性を失います。本論文は、化学組成を変えずに、内部の構成要素同士の配列を微妙に再配列するだけで、ある合金の伸び性を三倍にする巧妙な方法を示します。

噛み合う二つの構成要素

ここで調べた合金はアルミニウム、鉄、コバルト、ニッケルを含み、二種類の規則的な原子構造が並んで存在します。一方のL1₂相はより柔らかく変形しやすい相として振る舞い、他方のB2相はより硬く強い相です。鋳造直後の状態では、これら二相は長い平行な層状に現れ、異なる木材の縞を交互に貼り合わせたような構造を成します。重要なのは、その原子格子が非常に特定の向き関係で整列しており、界面が極めて秩序立って剛直である点です。その強い配向整合は強度を高めますが、引張り時に原子や欠陥の移動を制限し、硬い相が亀裂を生じやすくします。

内部配向を緩める

研究者らは合金の組成を再設計する代わりに、熱機械処理で内部ジオメトリを変えました：冷間圧延と高温アニールを繰り返し（2回）、元の層状構造を変形させた後に再結晶を促しました。得られた微細構造はおおむね半分が柔らかいL1₂、半分が硬いB2のままですが、層は厚くなり、各相の結晶粒はより等軸状になり、配向のランダム性が大きくなりました。粒配向の測定から、相境界でこれまで厳格だった整列の多くが失われ、界面配向が意図的に「弱化」されたことが示されました。

隠れた形状変化を解放する

処理した試料を引張ると、鋳造状態のものとは著しく異なる挙動を示します。元の材料は5％未満のひずみで破断し、大きなB2領域を通って亀裂が走ります。これに対して処理合金は約18％のひずみに達し、延性が三倍以上に向上しながら、公称の降伏強さや最大強さはほぼ同等に保たれます。詳細なX線・電子回折の結果は理由を示しています：引張に伴い、B2相の多くが徐々に密接に関連するが一方向に伸びた格子を持つ体心正方（BCT）へと変態します。この形状変化は一方向に伸び、他方向でわずかに縮むという変形を伴いますが、体積変化はほとんどありません。周囲のL1₂粒が互いに適合する方向に沿ってすべりやすくなったことで、この伸長をより自由に受け入れ、局所的な有害な応力を有効なエネルギー吸収的な変形へと変換します。

変化をリアルタイムで追う

この過程を実時間で観察するために、チームは引張試験中にシンクロトロンX線回折を利用しました。ひずみが増すに連れて、B2相の回折リングは歪み、やがて分裂してBCT格子の出現を示しました。格子間隔がひずみや荷重-除荷サイクル中にどのように変化するかを追跡することで、この変態が漸進的で中間荷重では部分的に可逆であることを示しました。多数の粒を統計的に解析すると、適切な方向にひずみを供給できるL1₂粒に囲まれたB2領域ほど変態しやすいことが分かりました。元の厳密な界面配向を弱めることで、このような好ましい隣接関係を持つ粒の数が増え、相変化の障壁が下がり、変形が材料全体により均一に広がります。

より協調的な相境界を設計する

日常語で言えば、この研究は金属内部の“タイル”が互いにどのように向き合っているかが、どの元素でできているかと同じくらい重要であり得ることを示しています。ここでは、硬相と軟相の境界での精密な嵌合を緩めることにより、硬相での有益な応力駆動形状変化を可能にし、強度を保ちながら延性を劇的に改善しました。これは先端構造合金の新しい設計規則を示唆します：組成を調整したり極端な圧力をかけるだけでなく、圧延、アニール、あるいは超音波処理などで界面配向を意図的に調整し、隣接相同士が競合するのではなく互いの変形を助け合うようにすれば、より靭性が高く損傷に強い材料が得られる、ということです。

引用: Shu, Q., Ding, X., Lu, Y. et al. Threefold enhancement of ductility in dual-phase L1₂–B2 high-entropy alloys via interface-orientation-weakening-induced B2→BCT phase transformation. Commun Mater 7, 75 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01088-y

キーワード: 高エントロピー合金, 延性, 相転移, 微細構造, 界面設計