固溶強化

1. 定義

合金元素が母材金属に溶解し、ある程度の格子歪みを生じさせて合金の強度を増す現象。

2. 原則

固溶体に溶解した溶質原子は格子歪みを引き起こし、転位運動の抵抗を増加させ、滑りを困難にし、合金固溶体の強度と硬度を高めます。特定の溶質元素を固溶体として溶解させることで金属を強化するこの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向上しますが、靭性と可塑性は低下します。

3. 影響要因

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。

格子間原子は置換原子よりも固溶強化効果が大きく、体心立方結晶における格子間原子の格子歪みが非対称であるため、面心立方結晶よりも強化効果が大きい。しかし、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る。

溶質原子と母材金属の価電子数の差が大きいほど、固溶体強化効果が顕著になり、価電子濃度の増加に伴って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する。

母原子と溶質原子の大きさの差。大きさの差が大きいほど、元の結晶構造への干渉が大きくなり、転位滑りが起こりにくくなります。

合金元素の量。添加する合金元素の量が多いほど、強化効果は大きくなります。原子の数が多すぎる、あるいは少なすぎると、溶解度を超えてしまいます。これは、分散相強化という別の強化メカニズムに関係しています。

格子間溶質原子は置換原子よりも固溶強化効果が大きい。

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、硬度は純金属よりも優れています。

ほとんどの場合、延性は純金属よりも低くなります。

導電性は純金属よりもはるかに低くなります。

クリープ耐性、つまり高温での強度低下は、固溶強化によって改善できます。

加工硬化

1. 定義

冷間変形の程度が大きくなると、金属材料の強度と硬度は増加しますが、可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、強度と硬度が増加する一方で、塑性と靭性が低下する現象。冷間加工硬化とも呼ばれる。これは、金属が塑性変形すると、結晶粒が滑り、転位が絡み合うことで結晶粒が伸長し、破断し、繊維化し、金属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、加工前と加工後の表層の微小硬度の比と硬化層の深さで表される。

3. 転位理論の観点からの解釈

（１）転位間に交差が生じ、その結果生じた切れ目が転位の移動を妨げる。

（２）転位間に反応が起こり、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、転位密度の増加により転位の移動に対する抵抗がさらに増加する。

4. 害

加工硬化は金属部品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工程では、鋼板は次第に硬くなり、圧延が困難になるため、加工工程中に中間焼鈍処理を施し、加熱による加工硬化を除去する必要があります。また、切削工程においてワークピースの表面が脆く硬くなると、工具の摩耗が促進され、切削抵抗が増加します。

5. メリット

加工硬化は、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、冷間引抜高強度鋼線や冷間コイルばねなどは、冷間加工による変形を利用して強度と弾性限界を向上させています。また、加工硬化を利用することで、タンク、トラクターの履帯、破砕機のジョー、鉄道の分岐器などの硬度と耐摩耗性を向上させることができます。

6. 機械工学における役割

冷間引抜、圧延、ショットピーニング（表面強化を参照）などの処理を施すことで、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。

部品に応力が加わると、特定の部品の局所的な応力が材料の降伏限界を超え、塑性変形を引き起こすことがよくあります。加工硬化により、塑性変形のさらなる進行が抑制され、部品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、塑性変形に伴って強化が起こり、その変形は周囲の未加工の硬化部に伝達されます。このような交互作用を繰り返すことで、均一な断面変形を有する冷間プレス部品が得られます。

低炭素鋼の切削性能を向上させ、切りくずの分離を容易にすることができます。しかし、加工硬化は金属部品の更なる加工に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更なる引抜加工に多大なエネルギーを消費し、場合によっては破断する恐れがあります。そのため、引抜加工前に焼鈍処理を施し、加工硬化を除去する必要があります。また、切削中にワーク表面を脆く硬くするために、再切削時の切削抵抗が増加し、工具の摩耗が促進されるという問題もあります。

細粒強化

1. 定義

金属材料の結晶粒を微細化することで機械的性質を向上させる手法を結晶微細化強化といいます。産業界では、結晶粒を微細化することで材料の強度を向上させています。

2. 原則

金属は通常、多数の結晶粒からなる多結晶です。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ます。数が多いほど、結晶粒は細かくなります。実験によると、室温での細粒金属は、粗粒金属よりも強度、硬度、塑性、靭性が高くなっています。これは、細粒が外力を受けて塑性変形し、より多くの粒に分散できるため、塑性変形がより均一になり、応力集中が少なくなるためです。さらに、粒子が細かいほど、粒界面積が大きくなり、粒界が曲がりくねっています。亀裂の伝播はより不利になります。したがって、結晶粒を微細化して材料の強度を向上させる方法は、業界では結晶粒微細化強化と呼ばれています。

3. 効果

結晶粒径が小さいほど、転位クラスター内の転位数（n）は少なくなります。τ=nτ0の式から、応力集中が小さいほど材料の強度は高くなります。

細粒強化の強化法則は、粒界が多いほど結晶粒が微細になるというものです。ホール・ペイチーの関係によれば、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

サブクール度を上げる。

劣化処理;

振動と攪拌;

冷間変形金属の場合、変形の程度と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2段階の強化

1. 定義

単相合金と比較して、多相合金は母相に加えて第二相を有します。第二相が微細な分散粒子とともに母相中に均一に分布すると、顕著な強化効果を発揮します。この強化効果は第二相強化と呼ばれます。

2. 分類

転位の移動に関しては、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）変形しにくい粒子の強化（バイパス機構）。

（２）変形可能な粒子の強化（カットスルー機構）

分散強化と析出強化はどちらも第 2 相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 相と転位との相互作用であり、これにより転位の動きが妨げられ、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因は、材料自体の組成、構造、表面状態です。次に、力の状態、例えば力の速度、荷重方法、単純な伸張、あるいは繰り返しの力などによって、強度は異なります。さらに、サンプルの形状やサイズ、試験媒体も大きな影響を与え、場合によっては決定的な影響を与えることもあります。例えば、超高強度鋼の引張強度は、水素雰囲気下で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方法は二つしかありません。一つは、合金の原子間結合力を高め、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、ウィスカーに転位が全く存在しないか、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と考えられます。しかし、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。もう一つの強化方法は、転位、点欠陥、異質原子、粒界、高分散粒子、あるいは不均一性（偏析など）など、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阻害し、金属の強度を大幅に向上させます。事実、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証明されています。エンジニアリング材料の場合、一般的には包括的な強化効果を通じて、より優れた総合的な性能を実現します。