バウシンガー効果

バウシンガー効果とは、材料の微視的応力分布の結果として材料の応力/ひずみ特性が変化する材料特性を指します。たとえば、引張降伏強度の増加は圧縮降伏強度の低下を伴います。この効果はドイツのエンジニア、ヨハン・バウシンガーにちなんで名付けられました。^[1]

引張冷間加工を増やすと引張降伏強度は増加しますが、引張冷間加工後の局所的な初期圧縮降伏強度は実際には低下します。引張冷間加工が大きくなるほど、圧縮降伏強度は低くなります。

これは、ほとんどの多結晶金属に見られる一般的な現象です。冷間加工構造に基づいて、バウシンガー効果を説明するために、一般的に 2 種類のメカニズムが使用されます。

1. 材料内に局所的な逆応力が存在する場合があり、これが転位の逆方向への移動を助けます。粒界での転位の蓄積と、強い析出物の周りのオロワン ループが、これらの逆応力の主な 2 つの発生源です。
2. ひずみ方向が反転すると、最初の方向で滑りの原因となる転位を生成したのと同じ発生源から、反対の符号の転位が生成される可能性があります。反対の符号を持つ転位は、互いに引き付け合い、消滅する可能性があります。ひずみ硬化は転位密度の増加に関係するため、転位の数を減らすと強度が低下します。

最終的な結果として、反対方向のひずみに対する降伏強度は、ひずみが最初の方向に継続した場合よりも低くなります。

バウシンガー効果は、主に転位と材料内の内部応力場との相互作用に起因します。最初に外部応力が加えられると、転位が生成されて結晶格子を横切り、内部応力場を形成します。これらの場は、加えられた応力と相互作用し、加工硬化またはひずみ硬化と呼ばれる現象を引き起こします。転位が蓄積すると、材料の降伏強度が上昇し、それ以上の塑性変形が妨げられます。逆方向に応力が加えられると、転位は、以前転位障壁に存在していた逆応力によって促進され、また、後ろの転位障壁の逆応力は、前の場合に比べて強くない可能性が高いため、転位は容易に滑り、結果として、逆方向の荷重に対する塑性変形の降伏応力が低くなります。^{[2] [3]}

バウシンガー効果は、材料の組成、結晶構造、以前の塑性変形などの要因に基づいて大きさが変わります。転位密度が高く、内部応力場が多い材料は、より顕著なバウシンガー効果を示す傾向があります。さらに、バウシンガー効果は、永久軟化や過渡効果などの他の現象を伴うことがよくあります。^{[3] [4]}

材料のバウシンガー効果には、変形の異方性と関連する残留格子応力/ひずみもかなり寄与しています。荷重-除荷サイクル中、転位は除荷後に元の位置に戻らず、格子に残留ひずみが残ります。これらのひずみは反対方向に加えられた応力と相互作用し、その後の荷重-除荷サイクルに対する材料の応答に影響します。観察される最大の効果は、材料が異なる荷重方向で異なる値で降伏する塑性降伏非対称性です。[1]

多結晶材料のバウシンガー効果に寄与する残留応力には、タイプ I、タイプ II、タイプ III の 3 種類があります。タイプ I の残留応力は、製造中に熱勾配によって発生し、通常は材料のマクロ的な寸法に匹敵する長さにわたって自己平衡します。そのため、バウシンガー効果には大きく寄与しません [2]。ただし、タイプ II の応力は粒径スケールで平衡するため、バウシンガー効果に大きく寄与します。これらは、塑性異方性と弾性異方性により、隣接する粒子間のひずみの不適合性から生じます。そのため、これらは、異なる配向の粒子に沿った転位運動に影響を与えることで、異なる方向に沿った材料の降伏挙動を変化させます [3]。一方、タイプ III の応力は、柔らかいマトリックス材料と硬い析出物または転位セル壁 (微細構造要素) との不一致によって発生します。これらは極めて短い距離しか持続しませんが、微細構造の不均一性を持つ領域に大きな影響を与えます。転位の蓄積や粒界での応力集中は、このタイプの残留応力の例です[4]、[5]。

全体として、これら 3 種類の残留応力は、強度、柔軟性、疲労、耐久性などの特性に影響を与えます。したがって、バウシンガー効果の影響を軽減するには、残留応力のメカニズムを理解することが重要です。

参考文献

[1] AA Mamun、RJ Moat、J. Kelleher、および PJ Bouchard、「多結晶材料におけるバウシンガー効果の起源」、Mater。科学。工学A、vol. 707、pp. 576–584、2017 年 11 月、土井: 10.1016/j.msea.2017.09.091。

[2] J. Hu、B. Chen、DJ Smith、PEJ Flewitt、ACF Cocks、「オーステナイト系ステンレス鋼のバウシンガー効果の評価について - マルチスケール残留応力の役割」、Int. J. Plast.、vol. 84、pp. 203-223、2016年9月、doi：10.1016/j.ijplas.2016.05.009。

[3] B. Chen et al. , “Role of the misfit stress between grains in the Bauschinger effect for a polycrystal material,” Acta Mater. , vol. 85, pp. 229–242, Feb. 2015, doi: 10.1016/j.actamat.2014.11.021.

[4] JH Kim、D. Kim、F. Barlat、およびM.-G. Lee、「二相鋼におけるバウシンガー効果を予測するための結晶塑性アプローチ」、Mater. Sci. Eng. A、vol. 539、pp. 259–270、2012年3月、doi：10.1016/j.msea.2012.01.092。

[5] C.-S. Han、RH Wagoner、F. Barlat、「結晶塑性における析出物誘起硬化について：理論」、Int. J. Plast.、vol. 20、no. 3、pp. 477–494、2004年3月、doi：10.1016/S0749-6419(03)00098-6。

金属成形作業では、金属加工品が逆符号の応力にさらされる状況が発生します。バウシンガー効果は、加工品の軟化に寄与します。たとえば、引抜棒や圧延板の矯正では、ローラーが加工品に交互の曲げ応力をかけるため、降伏強度が低下し、加工品の冷間引抜性が向上します。^{[1] [2]}

バウシンガー効果は、周期的な荷重を受ける金属材料の機械的挙動に影響を及ぼすため、さまざまな分野で応用されています。特に、周期的な荷重や応力方向が変化する荷重がかかる用途に関連し、工学構造の設計と最適化に役立ちます。

地震解析：地震工学と耐震設計は地質工学の重要な側面です。地震の際、構造部材は交互に応力方向を受け、バウシンガー効果が材料の応答、エネルギー散逸、および潜在的な損傷の蓄積に影響を及ぼします。バウシンガー効果を組み込むことで構造物の地震性能を正確に予測するために、Giuffré-Menegotto-Pinto モデルが広く利用されています。このモデルは、応力とひずみの関係に遷移曲線を導入し、バウシンガー効果と、周期的荷重を受ける鉄筋コンクリート構造物で観察される挟み込み挙動の両方を捉えます。^{[5] [6]}

疲労寿命予測:研究者は、ひずみ寿命やエネルギーベースのアプローチなどの疲労寿命予測技術にバウシンガー効果を組み込む方法とモデルを開発しました。これは、機械、車両、工学構造物の疲労寿命を予測および設計する上で重要な役割を果たします。バウシンガー効果を明確に理解することで、正確な予測が保証され、周期的な荷重条件にさらされるコンポーネントの信頼性と安全性が向上します。^{[7] [8]}

ひずみ寿命アプローチは、塑性ひずみ振幅と破壊までのサイクル数を相関させ、エネルギーベースのアプローチは、塑性ひずみエネルギーを疲労損傷蓄積の原動力とみなします。これらのモデルは、塑性ひずみエネルギーの計算を調整したり、効果によって引き起こされるヒステリシスループの非対称性に対処するために追加のエネルギー項を導入したりすることで、バウシンガー効果を統合します。 ^{[7] [8] [9] [10]}

航空宇宙および自動車工学：航空宇宙工学では、飛行中に材料が繰り返し荷重サイクルを受け、疲労や変形を引き起こします。同様に、自動車業界では、車両は道路状況や運転により周期的な荷重に耐えます。バウシンガー効果を理解することは、そのような条件下での材料の挙動を予測し、疲労耐性を向上させた部品を設計するために不可欠です。この分野の研究は、合金におけるバウシンガー効果の特性評価と疲労寿命を評価する予測モデルの開発に焦点を当てており、^[11]構造の完全性と信頼性を確保しています。

金属成形：バウシンガー効果は、これらのプロセス中の材料の流動挙動、ひずみ分布、および必要な成形荷重に大きな影響を与えます。したがって、バウシンガー効果を理解することは、成形プロセスを最適化し、材料の挙動を予測する上で重要です。^{[12] [9]}

バウシンガー効果の影響を軽減し、金属材料の性能を向上させるために、熱処理や表面処理、複合材料の使用、組成の最適化 など、いくつかの戦略と技術が開発されてきました。

表面処理：この方法は、金属材料の表面特性を変更することでバウシンガー効果を軽減することを目的としています。一般的な処理には、保護層の作成や、物理蒸着（PVD）コーティングなどのプロセスによる表面微細構造の変更が含まれます。この処理により、表面近傍のバウシンガー効果が軽減されます。もう1つの効果的なアプローチはショットピーニングです。ショットピーニングでは、高速粒子が材料の表面に衝突し、圧縮残留応力を誘発します。これらの応力は、バウシンガー効果に関連する内部引張応力を打ち消し、その影響を軽減します。^{[13] [14]}

熱処理：熱処理と熱機械加工は、材料内の残留応力と転位構造を緩和することでバウシンガー効果を軽減するために広く使用されています。応力緩和焼鈍は一般的なアプローチであり、材料を特定の温度に加熱して一定時間保持することで、転位を再配置し、内部応力を消散させます。このプロセスは、内部応力場を最小限に抑え、転位のより均一な分布を実現することで、バウシンガー効果を軽減します。^[15]

組成の最適化と複合材料:特定の組成と微細構造ではバウシンガー効果が減少するため、材料組成を最適化することも緩和のための効果的なアプローチです。アルミニウム合金やオーステナイト系ステンレス鋼などの積層欠陥エネルギーの高い材料は、転位を収容する能力が強化されているため、バウシンガー効果があまり顕著にならない傾向があります。さらに、ハイブリッド材料や複合材料も緩和の可能性を秘めています。たとえば、金属マトリックス複合材料(MMC) は、セラミック粒子または繊維で強化された金属マトリックスで構成されており、マトリックス内の転位の動きを制限することでバウシンガー効果を軽減できます。さらに、積層または傾斜複合構造は、異なる材料を戦略的に組み合わせて、重要な領域でのバウシンガー効果を軽減しながら、他の部分では望ましい特性を維持します。^[16]

• バックラッシュは、大規模な機械システムにおける同様の外部動作です。
• 倦怠感