硬化（冶金学）

焼入れとは、金属の硬度を高めるために用いられる冶金学的金属加工プロセスである。金属の硬度は、加えられたひずみの位置における一軸降伏応力に正比例する。硬度の高い金属は、硬度の低い金属よりも塑性変形に対する抵抗力が大きくなる。

5つの硬化プロセスは以下のとおりです。

• ホール・ペッチ法、または粒界強化法は、微細な結晶粒を得るための方法です。結晶粒が小さくなると、転位がより短い距離で粒界に到達する可能性が高まります。粒界は非常に強力な転位障壁です。一般的に、結晶粒径が小さいほど材料は硬くなります。ただし、結晶粒径がサブミクロンサイズに近づくと、材料によっては柔らかくなる場合があります。これは、粒界すべりなどの別の変形機構が容易になることによる影響です。この時点では、転位に関連するすべての硬化機構は無関係になります。^{[ 1 ]}
• 加工硬化（ひずみ硬化とも呼ばれる）では、材料は降伏点を超えてひずみを受けます。例えば、冷間加工によってです。延性のある金属は、物理的に変形すると硬くなり、強くなります。塑性ひずみによって新しい転位が生成されます。転位密度が増加すると、転位同士が互いに妨げ合うため、それ以上の転位の移動が難しくなり、結果として材料の硬度が増加します。^{[ 2 ]}
• 固溶強化では、強化したい材料に溶解性の合金元素を添加し、両者が「固溶体」を形成します。固溶体は、例えば水に溶かした塩のような「通常の」液体溶液とほぼ同じですが、固体である点が異なります。溶解した合金元素のイオンサイズと母材金属のイオンサイズの違いによって、置換型（大きな合金元素が結晶中の原子と置換する）または格子間型（小さな合金元素が結晶格子中の原子間に位置づけられる）のいずれかで溶解します。どちらの場合も、異種元素のサイズの違いにより、サンドペーパーの砂粒のように作用し、転位が滑り込もうとするのを妨げ、結果として材料強度が高まります。固溶強化では、合金元素は溶液から析出しません。
• 析出硬化（時効硬化とも呼ばれる）とは、母材金属と固溶体として存在する第二相が、急冷時に固溶体から析出し、その相の粒子が全体に分散して転位すべりに対する抵抗を生み出すプロセスである。これは、まず金属を粒子を形成する元素が溶解する温度まで加熱し、その後急冷することで、固溶体中に閉じ込めることによって実現される。もしこれが液体溶液であれば、過飽和塩水が小さな塩の結晶を析出させるように、元素は析出物を形成するだろうが、固体中の原子拡散は室温では非常に遅い。そのため、適切な温度で2回目の熱処理を行い、材料を時効させる必要がある。高温により、溶解した元素の拡散速度が大幅に向上し、目的の析出粒子が形成される。急冷が必要なのは、急冷を行わないと、材料がゆっくりと冷却される過程で既に析出を開始してしまうためである。このタイプの析出では、一般的に望ましい多数の小さな析出物ではなく、少数の大きな粒子が形成される。析出硬化は、金属合金の硬化に最も一般的に用いられる技術の一つである。
• マルテンサイト変態は、一般的に焼入れと焼き戻しとして知られており、鋼特有の硬化機構です。鋼は、鉄相がフェライトからオーステナイトに変化する温度、つまり結晶構造がBCC（体心立方格子）からFCC（面心立方格子）に変化する温度まで加熱する必要があります。オーステナイト状態では、鋼はより多くの炭素を溶解できます。炭素が溶解したら、材料は焼入れされます。炭素が炭化物の析出物を形成する時間がないように、高い冷却速度で焼入れすることが重要です。温度が十分に低くなると、鋼は低温の結晶構造であるBCCに戻ろうとします。この変化は拡散に依存しないため非常に速く、マルテンサイト変態と呼ばれます。固溶炭素の極端な過飽和のため、結晶格子はBCT（体心正方格子）になります。この相はマルテンサイトと呼ばれ、歪んだ結晶構造と極めて強い固溶強化の複合効果により非常に硬く、これらの両方のメカニズムが転位のすべりを阻害する。

すべての硬化機構は、転位すべりに対する障壁として機能する結晶格子欠陥を導入する。

材料の硬化は、多くの用途で必要とされます。

• 機械切削工具（ドリルビット、タップ、旋盤工具など）は、効果的に機能するためには、加工対象の材料よりもはるかに硬い必要がある。
• ナイフの刃 ― 硬度の高い刃は鋭い切れ味を長く保ちます。
• ベアリングは、継続的なストレスに耐えられる非常に硬い表面を持つ必要がある。
• 装甲板 ― 防弾板だけでなく、鉱業や建設業で使用される頑丈なコンテナにとっても、高い強度は極めて重要です。
• 耐疲労性 - マルテンサイト系表面硬化処理は、車軸や歯車など、繰り返し荷重/除荷を受ける機械部品の耐用年数を大幅に向上させることができます。