激しい塑性変形

強塑性変形（SPD ）は、複雑な応力状態または高せん断を伴う非常に大きなひずみを伴う金属加工技術のグループを表す一般的な用語であり、その結果、高い欠陥密度と等軸の「超微細」粒子（UFG）サイズ（d < 1000 nm）またはナノ結晶（NC）構造（d < 100 nm）が生じる。^[1]

SPD の重要性は古代から知られており、少なくとも青銅器時代から鉄器時代への移行期には、剣などの戦略的道具の加工に繰り返し鍛金と折り曲げが用いられていました。^[2] SPD 技術の基礎となる原理の開発は、1930 年代のハーバード大学のPW ブリッジマンの先駆的な研究に遡ります。 ^[3]この研究は、大きな静水圧と同時のせん断変形を組み合わせた場合の固体への影響に関するもので、 1946 年のノーベル物理学賞の受賞につながりました。 ^[4]これらの原理の非常に成功した初期の実装例としては、以下で詳しく説明するように、1970 年代にミンスクで VM シーガルと同僚が開発した等チャネル角プレス(ECAP) プロセス^[5]と、ブリッジマンの研究から派生したが、1980 年代になって現在のエカテリンブルクにあるロシア金属物理学研究所でまで広く開発されなかった高圧ねじりプロセスがあります。^[4]

SPD の定義の中には、ワークピースの寸法に大きな変化を与えることなく高ひずみを適用し、大きな静水圧成分をもたらすプロセスであると説明しているものもあります。^[6]しかし、SPD で結晶粒微細化をもたらすメカニズムは、もともと機械的合金化のために開発されたものと同じであり、粉末プロセス^[7]は、1983 年にはすでに著者によって「重度の塑性変形」と特徴付けられていました。 ^[8]さらに、非対称圧延などの最近のプロセスでは、ワークピースの寸法が変化しますが、超微細結晶構造が生成されます。^[9] SPD の原理は、表面処理にも適用されています。^[10]

SPD法は、バルクSPD法、表面SPD法、粉末SPD法の3つの主要なグループに分類されます。^[11]ここでは、いくつかの一般的なSPD法について簡単に説明します。

等角チャネル押し出し（ECAE、等角チャネル押し出し、ECAPとも呼ばれる）は1970年代に開発されました。このプロセスでは、金属ビレットを角度の付いた（通常90度）チャネルに押し込みます。最適な結果を得るために、このプロセスを数回繰り返し、各パスでビレットの方向を変えます。これにより、材料全体にわたって均一なせん断が得られます。^[5]

高圧ねじり（HPT）は、パーシー・ブリッジマンが1946年にノーベル物理学賞を受賞した実験にまで遡りますが、金属加工での使用は比較的最近のことです。この方法では、ひずみを与える材料の円盤を2つのアンビルの間に置きます。大きな圧縮応力（通常は数ギガパスカル）が加えられ、一方のアンビルが回転してねじり力が発生します。HPTは、材料が自由に外側に流れるように拘束されない状態でも、完全に拘束された状態でも、またはその中間のある程度の拘束状態でも実行できます。この場合、材料は外側に自由に流れます。ただし、制限があります。^[4]

積層圧延接合（ARB）では、同じ材料の2枚のシートを重ね、加熱（再結晶温度以下）し、圧延して2枚のシートを接合します。このシートを半分に切断し、2つの半分を重ねて、このプロセスを数回繰り返します。他のSPDプロセスと比較して、ARBには、特殊な装置や工具を必要とせず、従来の圧延機のみで済むという利点があります。ただし、良好な接合を確実にするために、圧延前に接合する表面をよく洗浄する必要があります。^[12]

繰り返し波形成形と矯正（RCS）は、金属板の加工に使用される強塑性変形技術です。RCSでは、シートを2つの波形ダイの間でプレスし、続いて2つの平らなダイの間でプレスします。RCSは、きめの細かい金属板を製造するために広く普及しています。^[13]この技術を改良する取り組みにより、新しいSPD法である繰り返し波形成形と矯正による圧延（RCSR）が導入されました。^[14]この新しい方法は、さまざまな材料に適用できることが承認されています。^{[14] [15] [16] [17] [18]}

非対称圧延（ASR）では、圧延機を改造して、一方のロールの速度を他方のロールよりも高くします。これは通常、独立した速度制御または異なるサイズのロールを使用することで行われます。これにより、圧延されるシートの上部と下部の摩擦力が反対になる領域が作成され、圧延による通常の圧縮応力に加えて、材料全体にせん断応力が発生します。他のSPDプロセスとは異なり、ASRは同じネットシェイプを維持しませんが、材料の微細構造への影響は同様です。^{[9] [19]}

シェーカーミルやプラネタリーミルなどの高エネルギーボールミルで行われるメカニカルアロイング/ミリング（MA/MM）も、金属に激しい塑性変形を引き起こします。ミリング中、粒子は破砕され、冷間圧接されて大きな変形を引き起こします。最終製品は一般に粉末であり、その後何らかの方法で固化する必要があります（多くの場合、他のSPDプロセスを使用）が、一部の合金はミリング中にその場で固化することができます。メカニカルアロイングでは、処理中に異なる金属の粉末を合金化することもできます。^{[20] [21]}

最近では、SPDの原理を利用して、材料の表面にナノ結晶層を形成する表面処理が開発されている。表面機械研磨処理（SMAT）では、超音波ホーンが超音波（20 kHz）トランスデューサーに接続され、ホーンの上に小さなボールが置かれている。ワークピースはホーンから少し離れたところに取り付けられている。高周波により、ボールと表面の間に多数の衝突が生じ、10 ² –10 ³ s ^{−1のオーダーの}ひずみ速度が生じる。生成されるナノ結晶表面層の厚さは、50 μm 程度になることがある。^[10]このプロセスはショットピーニングに似ているが、SMATではボールの運動エネルギーがはるかに高い。^[22]

超音波ナノ結晶表面改質（UNSM）技術も、新たに開発された表面改質技術の1つです。UNSMプロセスでは、静的負荷だけでなく動的負荷も加えられます。処理は、ホーンに取り付けられたボールを1平方ミリメートルあたり1K〜100Kの範囲で毎秒最大20K回以上ワークピース表面に打撃することで行われます。冷間鍛造とも言える打撃により、SPDが導入され、材料の化学組成を変えることなく粗大粒子をナノメートルスケールまで微細化することでNC表面層が生成され、高強度と高延性が得られます。このUNSM技術は、材料の機械的特性と摩擦特性を改善するだけでなく、処理された表面に多数の必要なディンプルを持つ波形構造を生成します。^[23]

SPDに関する研究のほとんどは、ホール・ペッチ関係の結果として高強度材料の開発に明らかに応用できる結晶粒微細化に焦点を当てています。従来の方法で処理された工業用金属の粒径は通常10～100μmです。粒径を10μmから1μmに小さくすると、金属の降伏強度を100%以上高めることができます。ECAEなどのバルク材料を使用する技術は、メルトスピニングなどの急速凝固技術と比較して、超微粒子材料を製造するための信頼性が高く比較的安価な方法を提供できます。^[24]

しかし、SPDの他の効果、例えばテクスチャーの改質も、ランクフォード係数（深絞り加工に重要）や電磁鋼板の磁気特性などの特性がテクスチャーに大きく依存するため、産業用途での潜在的な応用が期待されています。^[24]

ECAEやHPTなどのプロセスは、熱間静水圧プレスなどの従来の固化プロセスで使用される高温を必要とせずに金属粉末や複合材料を固化するためにも使用されており、ナノ結晶粒径や非晶質構造などの望ましい特性を保持することができます。^{[24] [25]}

SPDプロセスの商業的応用としては、ハネウェル社によるスパッタリングターゲットの製造^[24]や医療用インプラント用のUFGチタンの製造が知られている。^[26]

高い静水圧と大きなせん断ひずみの組み合わせは、高密度の結晶格子欠陥、特に転位を生成するために不可欠であり、その結果、粒子が大幅に微細化されます。SPD プロセスにおける粒子の微細化は、複数のステップからなるプロセスによって行われます。

1. 転位は、最初は粒子全体に分散していましたが、再配置されて転位「セル」にグループ化され、全体のひずみエネルギーが減少します。
2. 変形が継続し、より多くの転位が発生すると、細胞間に配向のずれが生じ、「亜結晶粒」が形成される。
3. このプロセスは、サブグレインが回転できるほどの大きさになるまで、サブグレイン内で繰り返される。
4. さらなる変形により、亜結晶粒は回転して高角粒界を形成し、典型的には等軸形状となる。^[27]

亜結晶粒が回転するメカニズムは、あまり解明されていない。Wuらは、亜結晶粒のサイズが小さいために転位運動が制限され、結晶粒の回転がエネルギー的に有利になるプロセスを説明している。^[28] Mishraらは、回転は粒界に沿った拡散（バルクよりもはるかに速い）によって促進されるという、わずかに異なる説明を提案している。^[27]

FA Mohamadは、機械粉砕で達成可能な最小粒径のモデルを提案した。このモデルは、粒径は転位の生成と消滅の速度に依存するという概念に基づいている。完全なモデルは次のように表される。

${\displaystyle {\frac {d_{min}}{b}}=A_{3}\left(e^{-{\tfrac {\beta Q}{4RT}}}\right){\left({\frac {D_{p0}Gb^{2}}{\nu _{0}kT}}\right)}^{0.25}{\left({\frac {\gamma }{Gb}}\right)}^{0.5}{\left({\frac {G}{H}}\right)}^{1.25}}$

• 式の左側では、d _minは最小粒径、b はバーガース ベクトルです。
• ₃は定数です。
• β=Q _p −Q _m /Q （Q _pは転位に沿ったパイプ拡散の活性化エネルギー、Q _mは空孔移動の活性化エネルギー、Q は自己拡散の活性化エネルギー）、βQ は回復の活性化エネルギー、R は気体定数、T は処理温度です。
• D _p0はパイプ拡散係数の温度に依存しない成分、G はせん断弾性率、ν ₀は転位速度、k はボルツマン定数、γ は積層欠陥エネルギー、H は硬度である。^[29]

このモデルはメカニカルミリング専用に開発されたが、他のSPDプロセスにも適用され成功を収めている。多くの場合、モデルの一部（典型的には積層欠陥エネルギーに関する項）のみが使用されるが、これは他の項が未知であったり測定が困難であることが多いためである。それでも、他のすべての条件が同じであれば、合金元素の関数である特性である積層欠陥エネルギーを低減することで、より良い結晶粒微細化が可能になることを意味しているため、これは有用である。^{[4] [7]}しかし、いくつかの研究では、初期段階のひずみにおける結晶粒微細化に対する積層欠陥エネルギーの重要性にもかかわらず、大きなひずみでの定常状態の粒径は、主に純金属の相同温度によって制御され^[30]、単相合金では溶質原子と転位の相互作用によって制御されることが示唆されている。^[31]