塑性（物理学）

結晶性物質は、長距離秩序で配列された均一な原子面から構成されています。すべり系ページに示されているように、原子面は密に詰まった方向に沿って互いにすべり合うことがあります。その結果、結晶内部で永久的な形状変化と塑性変形が生じます。転位の存在は、原子面がすべり合う可能性を高めます。

ナノスケールでは、単純な面心立方金属における主要な塑性変形は、クロススリップの形での材料輸送がない限り可逆的である。^{[ 7 ]}ニッケルチタン合金ワイヤなどの形状記憶合金も、より正確には擬弾性と呼ばれる可逆的な塑性を示す。

結晶内部に他の欠陥が存在すると、転位が絡み合ったり、滑りが妨げられたりすることがある。このような場合、塑性変形は材料中の特定の領域に局在する。結晶の場合、このような局在した塑性変形領域はせん断帯と呼ばれる。

微小塑性は金属における局所的な現象である。これは、金属が全体的には弾性領域にある一方で、局所的に塑性領域にある応力値で発生する。 ^{[ 8 ]}

非晶質材料では、材料全体に長距離秩序がないため、「転位」についての議論は適用できません。しかし、これらの材料は塑性変形を起こす可能性があります。ポリマーなどの非晶質材料は秩序が整わないため、自由体積、つまり無駄な空間を多く含んでいます。これらの材料に張力を加えると、これらの領域が開き、材料がぼやけて見えることがあります。このぼやけは、静水圧応力の高い領域で材料内部に繊維状構造が形成される「クレイジング」と呼ばれる現象によるものです。材料は、整然とした外観から、歪みや伸び跡が入り混じった「クレイジー」なパターンへと変化する可能性があります。

温度の関数としての臨界分解せん断応力には、3 つの特徴的な領域があります。低温領域 1 ( T ≤ 0.25 T _m ) では、転位すべり、ひいては塑性流動を開始するために必要な高いτ _{CRSS を達成するには、}ひずみ速度を高くする必要があります。領域 1 では、臨界分解せん断応力には 2 つの成分があります。非熱的 ( τ _a ) および熱的 ( τ * ) せん断応力で、それぞれ他の転位が存在する状況で転位を移動させるのに必要な応力と、点欠陥障害物による転位移動への抵抗に起因します。T = T * では、中温領域 2 (0.25 T _m < T < 0.7 T _m ) が定義され、熱的せん断応力成分τ * → 0 となり、転位移動に対する点欠陥の抵抗がなくなることを示しています。したがって、温度に依存しない臨界分解せん断応力 τ _CRSS = τ _{a は、}領域 3 が定義されるまでその状態を維持します。特に、領域2では、中程度の温度で時間依存の塑性変形（クリープ）機構、例えば溶質引きずりなどを考慮する必要があります。さらに、高温領域3（T ≥ 0.7 T _m）では、έが低くなる可能性があり、τ _CRSSが低くなりますが、格子内および単結晶表面に沿ったナバロ・ヘリング（NH）拡散流やコブル拡散流、転位上昇すべりクリープなど、熱活性化された高温で時間依存の塑性変形機構により、塑性流動は依然として発生します。         

容易な滑り段階 1 では、せん断応力とせん断ひずみの変化 ( dτ / dγ ) で定義される加工硬化率は低く、これは大きなせん断ひずみを誘発するために必要な印加せん断応力が小さいことを示しています。容易な転位滑りとそれに伴う流れは、平行すべり面 (すなわち 1 つのすべり系) に沿った転位の移動に起因します。平行すべり面に沿った転位の移動に対する適度な抵抗は、これらの転位間の弱い応力場相互作用によって示され、面間隔が小さくなるにつれて強くなります。全体として、単一のすべり系内のこれらの移動する転位は流れに対する弱い障害物として働き、降伏応力と比較して応力のわずかな上昇が観察されます。流れの線形硬化段階 2 では、非平行すべり面 (すなわち複数のすべり系) に沿って移動する転位の応力場相互作用を克服するためにかなりの応力が必要となるため、加工硬化率は高くなります。これらの転位は流れに対する強い障害物として働きます。小さなひずみでは、転位の連続的な移動を駆動するには大きな応力が必要です。せん断流動応力は、転位配置の進化に関係なく、転位密度の平方根に直接比例します（τ _flow ~ ρ ^½）。これは、硬化が転位の数に依存していることを示しています。この転位配置の進化に関して、小さなひずみでは、転位配置は交差する線のランダムな3D配列です。中程度のひずみは、セル境界で転位密度が高く、セル内部で転位密度が低い、不均一な転位分布のセル転位構造に対応します。さらに大きなひずみでは、セル転位構造は最小サイズに達するまで小さくなります。最後に、小さなせん断応力が大きなせん断ひずみを生み出すため、塑性流動の硬化ステージ3の枯渇/飽和では、加工硬化率は再び低くなります。特に、複数のすべり系が印加応力に対して有利な方向に配向している場合、これらの系のτCRSS_は類似している可能性があり、非平行すべり面を持つ複数のすべり系に沿った転位移動によって降伏が発生し、ステージ2に典型的なステージ1の加工硬化率を示す可能性がある。最後に、体心立方遷移金属と面心立方金属における時間非依存塑性変形の違いを以下にまとめる。

多結晶におけるGB制約は、組成、構造、すべり系が同一であるが互いに配向が異なる2つの単結晶AとBの間のxz平面における粒界を考慮することで説明できる。個別に変形する結晶粒間に空隙が形成されないようにするため、二結晶におけるGB制約は次のようになる。εxxA _{= εxxB} ^（ GB_におけるx軸方向のひずみはAとBで等しくなければならない）、εzzA ₌ εzzB ^（ GBにおけるz軸方向のひずみはAとBで等しくなければならない）、およびεxzA ^{= εxzB} _（ xz ^{- GB平面に沿ったxzせん断ひずみはAとBで等しくなければならない）。さらに、このGB制約では}_、 GBを構成する結晶粒ごとに5つの独立したすべり系が活性化される必要がある。特に、独立すべり系は、他のすべり系の面に沿った転位移動のいかなる組み合わせによっても転位移動を再現できないすべり面として定義されるため、定義上すべり系の組み合わせによって構築できる特定の結晶系の幾何学的すべり系の数は、通常、独立すべり系の数よりも多くなります。重要なことに、7つの結晶系それぞれに対して独立すべり系は最大で5つですが、7つの結晶系すべてがこの上限を満たすわけではありません。実際、特定の結晶系内でも、組成とブラベー格子によって独立すべり系の数は多様化します（下表参照）。多結晶の結晶粒が5つの独立すべり系を得られない場合、粒界条件を満たすことができず、個々の結晶粒の時間非依存変形によって多結晶の粒界に亀裂や空隙が生じ、すぐに破壊が起こります。したがって、特定の組成と構造の場合、独立すべり系が5つ未満の単結晶は、多結晶よりも強度が高く（より大きな塑性を示す）、より強靭です。

前述のセクションで説明した2つの結晶粒AとBは、すべり系が同一であるにもかかわらず、互いに配向がずれており、したがって印加力に対しても配向がずれています。そのため、結晶粒内部では、単結晶の時間非依存降伏を支配する規則に従って微視的な降伏が発生する可能性があります。最終的に、結晶粒内部の活性化されたすべり面は、転位が粒界（GB）へ移動することを可能にし、そこで多くの転位が幾何学的に必要な転位として蓄積されます。この蓄積は、粒界付近の転位密度が結晶粒内部の転位密度よりも大きいため、個々の結晶粒にひずみ勾配が生じ、接触している隣接する結晶粒に応力が加わることに対応します。AB二結晶全体を考えると、Aで最も有利な方向に配向したすべり系はBのそれとは異なるため、τ ^A _CRSS ≠ τ ^B _CRSSとなります。重要なのは、粒界の制約に従って、結晶粒AとBの間のτ _CRSSの値が高くなるまで、二結晶の巨視的な降伏が長引くという事実です。したがって、特定の組成と構造の場合、5 つの独立したすべり系を持つ多結晶は、単結晶よりも強度が高くなります (塑性度が高い)。同様に、多結晶ではひずみを生じさせるためにより大きな応力が必要となるため、加工硬化率は単結晶よりも高くなります。重要なことに、単結晶の流動応力と同様に、τ _flow ~ρ ^½ですが、平均粒径の平方根に反比例します (τ _flow ~d ^-½ )。したがって、多結晶の流動応力、ひいては多結晶の強度は、粒径が小さいほど増加します。その理由は、粒径が小さいほど活性化されるすべり面の数が相対的に少なくなり、粒界に移動する転位の数が少なくなり、転位の蓄積による隣接粒界への応力が小さくなるためです。さらに、多結晶の体積が一定の場合、粒径が小さいほど、より強力な障害粒界が存在します。これら2つの要因は、微細粒多結晶体における巨視的な流れの発生が、粗粒多結晶体の場合よりも大きな応力下で起こる理由を理解する上で役立つ。