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延性とは、引張応力を受けた際に、破壊する前に大きな塑性変形に耐える材料の能力のことです。つまり、関連する弾性係数がヤング率である場合です。体積圧縮下での変形、つまり体積弾性係数を使用する場合の同等の能力は、可鍛性です。[ 1 ] [ 2 ]歴史的に、材料はハンマーで叩いたり、圧延したりして成形できる場合に可鍛性があると考えられていました。[ 3 ]鉛は、延性よりも可鍛性の方がはるかに高い材料の一例です。[ 4 ] [ 5 ]塑性変形は、加えられた応力下での材料の永久的な歪みであり、応力を取り除くと元に戻る弾性変形とは異なります。延性は、特に材料が破壊せずに曲げたり、伸ばしたり、その他の方法で変形する必要がある用途において、重要な機械的性能指標です。延性の程度は、次の式で与えられる破断時の伸び率を使用して定量的に評価できます。
どこは破断後の材料の長さであり、は、試験前の元の長さです。[ 6 ] [ 7 ]この式は、材料が破壊する前に引張応力下でどれだけ伸びることができるかを定量化するのに役立ち、その延性挙動に関する重要な洞察を提供します。延性は、エンジニアリングと製造において重要な考慮事項です。それは、特定の製造操作（冷間加工など）に対する材料の適合性と、エンジンなどの機械的過負荷を吸収する能力を定義します。[ 8 ]一般的に延性があると説明される金属には、金、プルトニウム、ウラン、銅などがあり、プラチナは純粋な状態ではすべての金属の中で最も延性があります。[ 4 ]ただし、すべての金属が延性破壊を起こすわけではなく、鋳鉄のように脆性破壊を起こすものもあります。ポリマーは、一般的に塑性変形を許容するため、延性材料と見なすことができます。[ 9 ]
無機材料は、多種多様なセラミックスや半導体を含め、一般的に脆性という特徴があります。この脆性は主に、原子を剛性の高い密な配列に保持する強いイオン結合または共有結合に起因します。このような剛性の高い格子構造は、塑性変形に不可欠な原子や転位の移動を制限します。金属と無機半導体または絶縁体の間で観察される延性の大きな違いは、転位などの欠陥の性質や特定の化学結合特性など、各材料固有の特性に遡ることができます。したがって、延性（% EL）が 1.2% から 1200% を超える延性のある金属や一部の有機材料とは異なり、[ 6 ]脆い無機半導体やセラミック絶縁体は通常、室温ではるかに低い延性を示します。[ 10 ] [ 11 ]
延性は金属加工において特に重要であり、応力によってひび割れたり、破損したり、粉々になったりする材料は、ハンマー打ち、圧延、引抜き、押出しなどの金属成形プロセスでは加工できない。可鍛性材料はプレス加工やスタンピングによって冷間成形できるが、脆性材料は鋳造または熱成形される。
金属結合は主に金属に存在し、高い延性をもたらします。そのため、金属は一般的に延性があるという認識が広まっています。金属結合では、価電子が非局在化し、多くの原子間で共有されます。この非局在化電子のおかげで、金属原子は互いに滑り合うことができ、他の物質であれば破壊されるような強い反発力を受けることがありません。
鋼の延性は合金成分によって変化する。炭素の含有量を増やすと延性は低下する。多くのプラスチックやプレイ・ドーなどの非晶質固体も可鍛性がある。最も延性と可鍛性に優れた金属は金である。[ 13 ] [ 14 ]高度に引き伸ばされると、このような金属は転位や結晶双晶の形成、再配向、移動によって変形し、顕著な硬化は起こらない。[ 15 ]
引張試験における延性を定義するために一般的に使用される量は、相対伸び（パーセントで表され、時には次のように表記される）である。面積の減少 (時には次のように表記される)）破断時。[ 16 ]破断ひずみは、一軸引張試験中に試験片が破断する工学的ひずみです。破断時の伸び率、または工学的ひずみは、次のように表すことができます。[ 6 ] [ 17 ] [ 18 ]
面積の減少率は次のように表すことができます。[ 17 ] [ 18 ]
ここで問題となる領域は、試験片のゲージの断面積である。
シグリーの機械工学設計[ 8 ]によると、「顕著な」とは、約5.0パーセントの伸びを意味する。
引張試験における延性（破壊時の公称ひずみ）の値に関する重要な点は、それが一般的に試料の寸法に依存するということです。しかし、普遍的なパラメータはこのような依存性を示さないはずです（実際、剛性、降伏応力、引張強度などの特性には依存性はありません）。これは、破壊時に測定されるひずみ（変位）が、ネッキングの開始まで発生する均一変形と、その後のネッキングの変形（この間、試料の残りの部分にはほとんどまたは全く変形がない）の両方からの寄与を一般的に含んでいるためです。ネッキングの発生からの寄与の重要性は、ゲージ長の「アスペクト比」（長さ/直径）に依存し、比率が低いほど大きくなります。これは単純な幾何学的効果であり、明確に特定されています。この効果については、主に有限要素法（FEM）モデリングに基づく実験的研究[ 19 ]と理論的研究[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]の両方が行われています。しかしながら、これは広く認められているわけではなく、一般的に使用されるサンプル寸法の範囲が非常に広いため、異なる試験で同じ材料に対して得られる延性値に非常に大きなばらつき（最大で2倍または3倍）が生じる可能性がある。
延性をより適切に表現するには、ネッキング開始時のひずみを特定する必要があります。このひずみは、試料の寸法に依存しないはずです。しかし、（公称）応力-ひずみ曲線では、ピーク（ネッキング開始点）が比較的平坦な場合が多いため、この点を特定するのは困難です。さらに、（脆性）材料の中には、ネッキング開始前に破壊してしまうものもあり、ピークが存在しない場合もあります。実際には、多くの用途において、引張試験で得られた延性値を用いるよりも、靭性（破壊時に吸収されるエネルギー）を評価するために設計された別の種類の試験を実施する方が望ましいと言えます。
絶対的な意味では、「延性」の値は事実上無意味です。破断点におけるネック部の実際の（真の）ひずみは、公称応力-ひずみ曲線から得られる生の値とは直接的な関係がありません。ネック部の真のひずみは、しばしばかなり高くなります。また、破断点における真の応力は、グラフ上の見かけの値よりも通常高くなります。ネック部が発達するにつれて荷重は低下することが多いですが、ネック部の断面積も（より急激に）減少するため、そこでの真の応力は上昇します。この値はネック部の形状に依存するため、簡単に推定する方法はありません。破断時の真のひずみは「延性」の真の指標ですが、従来の引張試験では容易に得ることができません。
断面積減少率（RA）は、ネック部における断面積の減少（通常は破断端の一方または両方の直径を測定することによって得られる）を元の断面積で割った値として定義されます。これは、破断時の伸びよりも「延性」のより信頼できる指標であると述べられることがあります（後者はゲージ長の縦横比に依存するという事実を部分的に認識しているためですが、この依存性は普遍的に理解されているわけではありません）。この議論には一理ありますが、RAは依然として真に意味のあるパラメータとは言えません。一つの反論は、特に断面が円形でないサンプルでは、正確に測定することが容易ではないということです。より根本的には、RAはネック形成前に発生した均一な塑性変形とネック形成の進行の両方の影響を受けます。さらに、RAはネック形成の後期段階で何が起こるかを正確に把握する必要があります。この段階では、真ひずみが非常に高くなり、強度（または靭性）の有意義な定義という観点からは、その挙動は限定的な意味しか持ちません。この問題については、これまで広範な研究が行われてきました。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
工学力学の博士であるリチャード・クリステンセンは、等方性材料の延性はポアソン比で定量化できると主張している。[ 27 ]特に、彼はポアソン比νを介して材料の体積弾性率Kをせん断弾性率Gに 変換する式を操作して、「延性」量Dを決定する。
中間的な「延性指数」であるd i は、3/2 項を削除して、比率を通常 1.0 ～ 0.5 に正規化し ( νは通常 0 ～ 0.5 の間であるため)、1 からの差を取って、縮小ではなく拡大し、それを二乗してD をそれに関して計算しやすくします。この式は、ν が常に正であるという誤った仮定に部分的に基づいているため、欠陥のあるグラフェンなどのオーセチック材料は、正のDを持ち、ν = 0の材料よりも延性が大きくなります。より「通常」の値では、延性値はポアソン比と直接相関します(つまり、一方の値が大きいほど他方の値も大きくなり、その逆も同様です)。Christensen が研究した非オーセチック材料の場合、この延性の定量化は、延性を定量化するための他の一般的なヒューリスティックとかなり近いようです。
金属は、脆性破壊または延性破壊という 2 種類の破壊を起こす可能性があります。延性材料は塑性変形を起こすことができるため、脆性材料では破壊の伝播が速くなります。したがって、延性材料は脆性材料よりも破壊前に多くのエネルギーを吸収できるため、より大きな応力に耐えることができます。塑性変形により、材料は グリフィス方程式の修正に従って変化し、亀裂を伸ばすために必要な塑性仕事が亀裂を形成するために必要な仕事（追加の亀裂面の形成によって生じる表面エネルギーの増加に対応する仕事）に加算されるため、臨界破壊応力が増加します。 [ 28 ]延性金属の塑性変形は、金属の潜在的な破壊の兆候となる可能性があるため重要です。しかし、材料が延性挙動と脆性挙動のどちらを示すかは、材料自体だけでなく、材料に応力が加えられる温度にも依存します。材料が脆性から延性へ、あるいはその逆へと変化する温度は、荷重を支える金属製品の設計において非常に重要です。金属が脆性挙動から延性挙動へ、あるいは延性挙動から脆性挙動へと変化する最低温度は、延性-脆性遷移温度（DBTT）として知られています。DBTTを下回ると、材料は塑性変形することができず、亀裂伝播速度が急速に増加し、材料は急速に脆性破壊を起こします。さらに、DBTTは、材料がDBTT以下に冷却されると、曲げたり変形したりするよりも衝撃で粉砕する傾向がはるかに高くなるため重要です（低温脆化）。したがって、DBTTは、温度が低下するにつれて材料の延性変形能力が低下し、亀裂伝播速度が急激に増加する温度を示しています。言い換えれば、固体は極低温では非常に脆く、高温では靭性が大幅に向上します。
より一般的な用途では、材料の延性範囲を広げるために、DBTTが低い方が好ましい。これにより、突然の亀裂の発生が抑制され、金属本体の破損が防止される。すべり系が多いほど、延性挙動を示す温度範囲が広くなることが分かっている。これは、材料に応力が加わった際に、すべり系によって転位の移動がより多く可能になるためである。したがって、すべり系の少ない材料では、転位が障害物によって固定されることが多く、ひずみ硬化が生じ、材料の強度が増加するが、材料はより脆くなる。このため、fcc（面心立方格子）構造は広い温度範囲で延性を示し、bcc（体心立方格子）構造は高温でのみ延性を示し、hcp（六方最密充填格子）構造は広い温度範囲で脆性を示すことが多い。これにより、これらの構造はさまざまな温度下で破壊（疲労、過負荷、応力亀裂）に近づくにつれて異なる性能を示すことになり、特定の用途に適した材料を選択する上で DBTT が重要であることがわかります。たとえば、ザマック 3 は室温では良好な延性を示しますが、氷点下で衝撃を受けると粉砕します。DBTT は、機械的応力を受ける材料を選択する際に非常に重要な考慮事項です。同様の現象であるガラス転移温度は、ガラスやポリマーでも発生しますが、これらの非晶質材料ではメカニズムが異なります。DBTT は金属内の結晶粒のサイズにも依存し、一般的に結晶粒が小さいほど引張強度が増加し、その結果、延性が増加し、DBTT が減少します。この引張強度の増加は、結晶粒が小さいため、材料内で粒界硬化が発生し、転位が粒界を越えて材料全体に伝播し続けるためにより大きな応力が必要になるためです。フェライト粒を40ミクロンから1.3ミクロンまで微細化し続けることで、DBTTを完全に排除し、フェライト鋼で脆性破壊が発生しないことが示されています（必要なDBTTは絶対零度以下になるため）。[ 29 ]
材料によっては、遷移が他の材料よりも急激で、通常は温度に敏感な変形機構が必要となる。例えば、体心立方格子（bcc）を持つ材料では、滑りの前に転位核の再配列に熱活性化が必要となるため、らせん転位の動きが非常に温度に敏感であり、DBTTが容易に確認できる。これは、フェライト含有量の多い鋼では問題となる可能性がある。第二次世界大戦中、寒冷海域でリバティ船の船体に深刻な亀裂が生じ、多くの沈没事故を引き起こしたことはよく知られている。DBTTは、中性子線照射などの外部要因によっても影響を受ける可能性があり、中性子線照射は内部格子欠陥の増加とそれに伴う延性の低下、そしてDBTTの増加につながる。
材料の DBTT を測定する最も正確な方法は、破壊試験です。通常、研磨された材料のあらかじめ亀裂が入った棒に対して、さまざまな温度で4 点曲げ試験が行われます。特定の金属の DBTT を決定するために、通常 2 つの破壊試験が使用されます。シャルピー V ノッチ試験とアイゾット試験です。シャルピー V ノッチ試験は、自由落下する振り子の質量とサンプルの機械加工された V 形のノッチとの衝突によって生じる位置エネルギーの差を測定することによって、試験片の衝撃エネルギー吸収能力または靭性を決定します。この衝突により、振り子がサンプルを突き破ります。DBTT は、さまざまな温度でこの試験を繰り返し、吸収エネルギーが劇的に減少したときに発生する脆性挙動に変化する破壊を観察することによって決定されます。アイゾット衝撃試験は、サンプルが 3 点曲げ構成ではなく片持ち梁構成で保持される点でシャルピー衝撃試験とは異なります。[ 30 ]
高温で実験を行うと、転位活動が増加する。ある温度では、転位が亀裂先端を遮蔽し、加えた変形速度では亀裂先端の応力強度が破壊の臨界値（K iC ）に達しない。この現象が起こる温度が延性-脆性遷移温度である。より高いひずみ速度で実験を行うと、脆性破壊を防ぐためにより多くの転位遮蔽が必要となり、遷移温度が上昇する。
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