固溶強化

1. 定義

母材に合金元素が固溶し、格子にある程度の歪みが生じ、合金の強度が増す現象。

2.原則

固溶した溶質原子は格子歪みを生じさせ、転位運動の抵抗を増大させ、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、材料の強度と硬度を高めることができますが、その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いほど、強化効果が大きくなり、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、強化効果が大きくなります。

格子間溶質原子は、置換原子よりも固溶強化効果が大きく、体心立方結晶の格子間原子の格子歪みは非対称であるため、面心立方結晶よりも強化効果が大きくなります。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ます。

溶質原子と母材金属間の価電子数の差が大きいほど、固溶強化効果、つまり固溶体の降伏強度は価電子濃度の増加とともに増加します。

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。添加する合金元素が多いほど、強化効果が大きくなります。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、別の強化メカニズムである分散相強化が含まれます。

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、固溶強化効果が顕著になります。

5.効果

降伏強度、引張強度、および硬度は、純金属よりも強力です。

ほとんどの場合、延性は純金属よりも低くなります。

導電率は純粋な金属よりもはるかに低くなります。

耐クリープ性、または高温での強度損失は、固溶強化によって改善できます。

加工硬化

1. 定義

冷間変形の程度が増すと、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、強度や硬度が上昇し、可塑性や靭性が低下する現象。冷間加工硬化とも呼ばれます。その理由は、金属を塑性変形させると、結晶粒が滑り、転位が絡み合い、結晶粒が伸びたり、壊れたり、繊維化したりして、金属に残留応力が発生するためです。加工硬化度は、通常、加工前と加工後の表面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）転位間で反応が起こり、形成された固定転位が転位の動きを阻害する。

(3) 転位の増殖が起こり、転位密度の増加によりさらに転位の移動抵抗が増加します。

4.害

加工硬化は、金属部品のその後の加工を困難にします。例えば、鋼板を冷間圧延する工程では、次第に硬くなっていきますので、加工工程で中間焼鈍を行い、加熱により加工硬化を解消する必要があります。もう 1 つの例は、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す。これにより、工具の摩耗が加速し、切削抵抗が増加します。

5. メリット

金属の強度、硬度、耐摩耗性を向上させることができます。特に、熱処理では改善できない純金属や特定の合金の場合に有効です。例えば、冷間引抜高強度鋼線や冷間コイルばねなどは、冷間加工変形を利用して強度や弾性限界を向上させています。もう 1 つの例は、タンク、トラクター トラック、クラッシャー ジョー、および鉄道分岐器の硬度と耐摩耗性を向上させるための加工硬化の使用です。

6. 機械工学における役割

冷間引き抜き、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。

部品に応力が加えられると、特定の部品の局所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、継続的な塑性変形の進行が制限され、部品やコンポーネントの安全性が向上します。

金属部品をプレス加工すると、その塑性変形は強化を伴うため、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した後、均一な断面変形を持つコールド スタンピング部品を得ることができます。

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ため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アニールする必要があります。また、切削時に被削材の表面を脆く硬くするために、再切削時に切削抵抗を上げ、工具の摩耗を早める例もあります。

細粒強化

1. 定義

結晶粒を微細化して金属材料の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。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

通常、金属は多くの結晶粒からなる多結晶体です。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ます。数字が大きいほど結晶粒が細かくなります。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、可塑性、靭性が高いことが示されています。これは、微細な粒子が外力によって塑性変形し、より多くの粒子に分散できるため、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、粒界がより曲がりくねります。クラックの伝播がより好ましくない。そのため、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数 (n) が少なくなります。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。

細粒強化の強化則は、粒界が多いほど、粒が細かくなるというものです。Hall-Peiqi の関係によると、結晶粒の平均値 (d) が小さいほど、材料の降伏強度が高くなります。

4. 結晶粒微細化の方法

サブクールの程度を上げます。

劣化処理;

振動と攪拌;

冷間変形金属では、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。

二期強化

1. 定義

単相合金と比較して、多相合金は母相に加えて第 2 相を持っています。第 2 相が微細分散粒子を含むマトリックス相に均一に分布すると、大きな強化効果が得られます。この強化効果を第二相強化と呼びます。

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、いずれも第 2 相強化の特殊なケースです。

3.効果

第 2 相の強化の主な理由は、それらと転位の間の相互作用であり、転位の動きを妨げ、合金の変形抵抗を向上させます。

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、および表面状態です。2つ目は、力の速度、負荷の方法、単純なストレッチ、または繰り返しの力など、力の状態であり、さまざまな強さを示します。さらに、サンプルの形状とサイズ、および試験媒体も大きな影響を与え、時には決定的な影響を与えることもあります。例えば、水素雰囲気中の超高強度鋼の引張強度は、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2つしかありません。1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準備することです。鉄ウィスカ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ないか、変形過程で増殖できない転位が少ないためと考えられます。残念ながら、ウィスカの直径が大きくなると、強度が急激に低下します。別の強化アプローチは、転位、点欠陥、異種原子、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、転位の動きを妨げ、また、金属の強度を大幅に向上させます。事実は、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を証明しています.エンジニアリング材料の場合、一般的に総合的な強化効果によって、総合的な性能が向上します。