固溶強化

1. 定義

合金元素が母材金属中に固溶し、ある程度の格子歪みを生じさせ、合金の強度が増加する現象。

2. 原則

固溶体に溶けた溶質原子は格子歪みを生じさせ、転位の移動抵抗を増加させ、滑りにくくし、合金固溶体の強度と硬度を高めます。このように、ある溶質元素を固溶させて金属を強化する現象を固溶強化といいます。溶質原子の濃度が適切な場合、材料の強度と硬度は増加しますが、靭性と可塑性は低下します。

3. 影響を与える要因

溶質原子の原子分率が高くなるほど強化効果は大きくなり、特に原子分率が非常に低い場合、強化効果はより顕著になります。

溶質原子と母材金属の原子サイズの差が大きいほど、強化効果は大きくなります。

格子間溶質原子は置換原子よりも大きな固溶体強化効果を持ち、体心立方晶中の格子間原子の格子歪みは非対称であるため、その強化効果は面心立方晶のものよりも大きくなります。ただし、格子間原子の固溶度は非常に限られているため、実際の強化効果も限られています。

溶質原子と母材金属の価電子数の差が大きいほど、固溶強化効果、つまり価電子濃度の増加に伴う固溶体の降伏強度が増加します。

4. 固溶強化の程度は主に以下の要因に依存します。

マトリックス原子と溶質原子のサイズの違い。サイズの差が大きいほど、元の結晶構造への干渉が大きくなり、転位が滑りにくくなります。

合金元素の量。合金元素の添加量が多ければ多いほど、強化効果は大きくなります。原子が大きすぎたり小さすぎたりすると、溶解度を超えてしまいます。これには、分散相の強化という別の強化メカニズムが関係します。

格子間溶質原子は、置換原子よりも大きな固溶体強化効果を持っています。

溶質原子と母材金属の価電子数の差が大きいほど、固溶強化効果は大きくなります。

5.効果

降伏強度、引張強度、硬度は純粋な金属よりも優れています。

ほとんどの場合、延性は純粋な金属の延性よりも低くなります。

導電率は純粋な金属よりもはるかに低いです。

耐クリープ性、つまり高温での強度損失は、固溶体強化によって改善できます。

加工硬化

1. 定義

冷間変形の度合いが増すと、金属材料の強度と硬度は増加しますが、塑性と靭性は低下します。

2. はじめに

金属材料を再結晶温度以下で塑性変形させると、強度や硬さは増加するが、塑性や靭性は低下する現象。冷間加工硬化とも呼ばれます。その理由は、金属が塑性変形する際に結晶粒が滑り、転位が絡み合い、結晶粒が伸長、破壊、繊維化し、金属内に残留応力が発生するためである。加工硬化の程度は通常、加工前に対する加工後の表層の微小硬度の比と硬化層の深さで表されます。

3. 転位理論の観点からの解釈

(1) 転位間に交差が生じ、その切断により転位の移動が妨げられる。

（２）転位同士で反応が起こり、形成された固定転位が転位の移動を妨げる。

（３）転位の増殖が起こり、転位密度の増大により転位の移動に対する抵抗がさらに増大する。

4. 害

加工硬化は、金属部品のその後の加工に困難をもたらします。例えば、鋼板を冷間圧延する過程では、圧延がますます硬くなり、加熱による加工硬化を解消するために、加工工程中に中間焼鈍を設ける必要がある。別の例としては、切削プロセスでワークピースの表面を脆く硬くすることで、工具の摩耗が促進され、切削抵抗が増加することがあります。

5. メリット

金属、特に熱処理では改善できない純金属や特定の合金の強度、硬度、耐摩耗性を向上させることができます。例えば、冷間引抜高張力鋼線や冷間コイルばねなどは、冷間加工変形を利用して強度や弾性限界を向上させます。別の例は、タンク、トラクターの履帯、クラッシャージョー、鉄道分岐器の硬度と耐摩耗性を向上させるために加工硬化を使用することです。

6. 機械工学における役割

冷間引抜き、圧延、ショットピーニング (表面強化を参照) およびその他のプロセスの後、金属材料、部品、コンポーネントの表面強度を大幅に向上させることができます。

部品に応力が加わった後、特定の部品の局所的な応力が材料の降伏限界を超えることが多く、塑性変形が発生します。加工硬化により、塑性変形の継続的な進行が制限されるため、部品やコンポーネントの安全性が向上します。

金属部品やコンポーネントをプレス加工すると、その塑性変形は強化を伴うため、その変形は周囲の未加工の硬化部分に伝達されます。このような交互の動作を繰り返すと、均一な断面変形を備えた冷間スタンピング部品が得られます。

低炭素鋼の切削性能を向上させ、切りくずを分離しやすくします。しかし、加工硬化は金属部品のその後の加工にも困難をもたらします。例えば、冷間引抜鋼線は加工硬化によりさらに伸線するのに多くのエネルギーを消費し、場合によっては断線することもあります。したがって、絞り加工前に加工硬化を除去するために焼きなましを行う必要があります。また、切削時にワークの表面を脆く硬くするために、再切削時に切削抵抗が増加し、工具の摩耗が促進される場合もあります。

細粒強化

1. 定義

金属材料の結晶粒を微細化して機械的性質を向上させる方法を結晶微細化強化といいます。工業的には結晶粒を微細化することで材料の強度を向上させます。

2. 原則

金属は通常、多数の結晶粒から構成される多結晶体です。結晶粒の大きさは、単位体積あたりの結晶粒の数で表すことができる。数字が大きくなるほど結晶粒が細かくなります。実験によれば、室温における細粒金属は、粗粒金属よりも高い強度、硬度、可塑性および靭性を有する。これは、微粒子が外力により塑性変形し、より多くの粒子に分散でき、塑性変形がより均一になり、応力集中が少ないためである。さらに、粒子が細かくなるほど、粒界領域が大きくなり、粒界がより曲がりくねります。亀裂の進展はさらに好ましくない。そこで、結晶粒を微細化して材料の強度を向上させる方法を、業界では結晶粒微細化強化と呼んでいます。

3.効果

粒径が小さいほど、転位クラスター内の転位の数 (n) は少なくなります。 τ=nτ0 によると、応力集中が小さいほど材料の強度は高くなります。

微粒子強化の強化法則は、結晶粒界が多いほど結晶粒が細かくなるということです。 Hall-Peiqi の関係によれば、結晶粒の平均値 (d) が小さいほど、材料の降伏強度は高くなります。

4. 結晶粒微細化の方法

過冷却度を上げます。

劣化処理；

振動と撹拌。

冷間加工された金属は、加工度や焼鈍温度を制御することで結晶粒を微細化することができます。

第二期補強

1. 定義

単相合金と比較して、多相合金には母相に加えて第 2 相があります。第 2 相がマトリックス相中に微細分散粒子で均一に分布すると、顕著な強化効果が得られます。この強化効果を第二段階強化と呼びます。

2. 分類

転位の移動に関して、合金に含まれる第 2 相には次の 2 つの状況があります。

（１）非変形粒子の強化（バイパス機構）。

（２）変形粒子の強化（カットスルー機構）。

分散強化と析出強化はどちらも第 2 段階の強化の特殊なケースです。

3.効果

第 2 相が強化される主な理由は、第 2 相と転位との間の相互作用であり、これにより転位の移動が妨げられ、合金の変形抵抗が向上します。

総括する

強度に影響を与える最も重要な要素は、材料自体の組成、構造、表面状態です。 2 つ目は、力の速度、負荷の方法、単純なストレッチや繰り返しの力など、力の状態であり、さまざまな強さを示します。さらに、サンプルと試験媒体の形状とサイズも大きな影響を及ぼし、場合によっては決定的な影響を与えることもあります。たとえば、水素雰囲気中での超高張力鋼の引張強さは指数関数的に低下する可能性があります。

金属材料を強化するには2つの方法しかありません。 1つは、合金の原子間結合力を高めて理論強度を高め、ウィスカーなどの欠陥のない完全な結晶を作製することです。鉄ウィスカーの強度は理論値に近いことが知られています。これは、ウィスカー中には転位が存在しないか、あるいは変形過程で増殖できない転位が少量しか存在しないためであると考えられる。残念ながら、ウィスカーの直径が大きくなると、強度は急激に低下します。もう 1 つの強化アプローチは、転位、点欠陥、不均一原子、粒界、高度に分散した粒子または不均一性 (偏析など) などの多数の結晶欠陥を結晶に導入することです。これらの欠陥は転位の移動を妨げ、金属の強度も大幅に向上します。これが金属の強度を高める最も効果的な方法であることが事実によって証明されています。エンジニアリング材料の場合、一般に、より優れた総合的な性能を達成するには、総合的な強化効果が必要です。