加工硬化

加工硬化はひずみ硬化とも呼ばれ、塑性（永久）変形中に材料の耐荷重能力（強度）が増加するプロセスです。この特性により、延性材料は脆性材料と区別されます。^[1]加工硬化は、用途に応じて、望ましい場合、望ましくない場合、または重要でない場合があります。

この強化は、材料の結晶構造内での転位の移動と転位の生成によって起こります。 ^{[2]比較的高い}融点を持つ多くの非脆性金属やいくつかのポリマーは、この方法で強化できます。^{[3]低炭素鋼などの}熱処理に適さない合金は、多くの場合、加工硬化されます。インジウムなどの一部の材料は低温では加工硬化できませんが、^[4]純銅やアルミニウムなど、加工硬化によってのみ強化できる材料もあります。^[5]

望ましくない加工硬化の例としては、機械加工中にカッターの初期のパスによってワークピースの表面が意図せず加工硬化し、後のパスでカッターが損傷することがあります。特定の合金は他の合金よりも加工硬化を起こしやすく、インコネルなどの超合金では、これを考慮した材料科学の加工戦略が必要です 。

バネなどの曲げられるように設計された金属物体の場合、加工硬化（塑性変形の結果）と金属疲労を避けるために通常特殊な合金が使用され、必要な特性を得るために特定の熱処理が必要になります。

望ましい加工硬化の例としては、意図的に塑性変形を誘発して形状を変える金属加工工程で生じる加工硬化がある。これらの工程は冷間加工または冷間成形工程として知られている。これらは、ワークピースを再結晶温度より低い温度、通常は周囲温度で成形することを特徴とする。^{[6]冷間成形技術は通常、}圧縮、曲げ、引張、せん断の4つの主要グループに分類される。用途には、ボルトやキャップスクリューのヘッディングや冷間圧延鋼の仕上げなどがある。冷間成形では、工具鋼または超硬ダイスを使用して金属を高速かつ高圧で成形する。金属を冷間加工すると、硬度、降伏強度、引張強度が向上する。^[7]

加工硬化前は、材料の格子は規則的で、ほぼ欠陥のないパターン（転位がほとんどない）を示します。欠陥のない格子は、焼きなましによっていつでも作成または復元できます。材料が加工硬化するにつれて、新しい転位で飽和状態になり、より多くの転位が核形成できなくなります（転位形成に対する抵抗力が生じます）。この転位形成に対する抵抗力は、塑性変形に対する抵抗力として現れ、強化が観察されます。

金属結晶では、これは可逆的なプロセスであり、通常は転位と呼ばれる欠陥によって微視的規模で実行されます。転位は、材料内の局所的な応力場の変動によって生成され、格子を伝わって転位が伝播するにつれて格子の再配置が起こります。常温では、転位は焼鈍によって消滅しません。代わりに、転位は蓄積し、相互に作用し、ピンニング ポイントまたは障害物として機能して、転位の動きを著しく妨げます。これにより、材料の降伏強度が増加し、その後延性が低下します。

このような変形により転位の集中度が高まり、その結果、亜結晶粒の周囲に低角粒界が形成される可能性があります。冷間加工により、転位数の増加と亜結晶粒のホール・ペッチ効果の結果として、降伏強度が上昇し、延性が低下します。冷間加工の影響は、材料を高温で焼きなまし、回復と再結晶によって転位密度を低下させることで元に戻すことができます。

材料の加工硬化性は、応力-ひずみ曲線を解析することで予測できるほか、加工プロセスの前後に硬度試験を実施することで文脈の中で研究することもできます。 ^{[8] [9]}

加工硬化は、形状の永久的な変化である塑性変形の結果です。これは、可逆的な弾性変形とは異なります。ほとんどの材料は、どちらか一方だけを示すのではなく、2 つの組み合わせを示します。以下の説明は、主に金属、特によく研究されている鋼鉄に当てはまります。加工硬化は、金属などの延性材料で最も顕著に発生します。延性とは、材料が破壊される前に塑性変形する能力です (たとえば、鋼鉄の棒を曲げて最終的に破断させるなど)。

引張試験は、変形メカニズムの研究に広く使用されています。これは、圧縮下では、ほとんどの材料が塑性変形または破壊が発生する前に、些細な事象 (格子不整合) と重大な事象 (座屈) を経験するためです。したがって、塑性変形が発生する前に単軸圧縮下で材料に発生する中間プロセスにより、圧縮試験は困難を伴います。

材料は一般に小さな力の影響を受けて弾性変形します。変形力がなくなると、材料はすぐに元の形状に戻ります。この現象は弾性変形と呼ばれます。材料のこの動作はフックの法則によって説明されます。変形力が弾性限界（降伏応力とも呼ばれる）を超えるまで、材料は弾性的に動作します。その時点で、材料は永久に変形し、力が取り除かれても元の形状に戻らなくなります。この現象は塑性変形と呼ばれます。たとえば、コイルスプリングをある点まで伸ばすと元の形状に戻りますが、弾性限界を超えて伸ばすと変形したままになり、元の状態に戻らなくなります。

弾性変形は、原子間の結合を、原子間の結合を破壊するのに十分なエネルギーを加えることなく、原子間の結合を平衡分離半径から引き離します。一方、塑性変形は、原子間の結合を破壊するため、固体材料内の原子の再配置を伴います。

材料科学の用語では、転位は材料の結晶構造における線欠陥として定義されます。転位を囲む結合は、通常の結晶格子の構成要素間の結合と比較して、すでに欠陥によって弾性的に歪んでいます。そのため、これらの結合は比較的低い応力で破壊され、塑性変形を引き起こします。

転位の周囲の歪んだ結合は、格子歪場によって特徴付けられます。たとえば、刃状転位のすぐ隣には圧縮歪んだ結合があり、刃状転位の端を越えたところには張力歪んだ結合があります。これらはそれぞれ圧縮歪場と引張歪場を形成します。歪場は、ある意味で電場と類似しています。具体的には、転位の歪場は同様の引力と反発の法則に従います。全体の歪を減らすために、圧縮歪は引張歪に引き付けられ、その逆も同様です。

塑性変形の目に見える（マクロな）結果は、微視的な転位運動の結果です。たとえば、引張試験機での鋼棒の伸びは、原子スケールの転位運動によって調整されます。

転位数の増加は、加工硬化の定量化です。塑性変形は、材料に加工が行われた結果として発生し、材料にエネルギーが追加されます。さらに、エネルギーはほとんどの場合、既存の転位を移動させるだけでなく、材料を十分に揺さぶったり加工したりして、多数の新しい転位を生成するのに十分な速さと大きさで適用されます。新しい転位は、フランク・リード源の近くで生成されます。

冷間加工された材料では降伏強度が増加します。格子ひずみ場を使用すると、転位で満たされた環境では、どの転位の動きも妨げられることが示されます。転位の動きが妨げられるため、通常の応力では塑性変形は発生しません。非冷間加工材料の降伏強度をわずかに超える応力を加えると、冷間加工された材料は、利用可能な唯一のメカニズムである弾性変形を使用して変形を続けます。つまり、電気的結合の通常の伸張または圧縮スキーム (転位の動きなし) が発生し続け、弾性率は変化しません。最終的に、応力はひずみ場の相互作用を克服するのに十分な大きさになり、塑性変形が再開します。

しかし、加工硬化した材料の延性は低下します。延性とは、材料が塑性変形できる範囲、つまり、材料が破壊される前に塑性変形できる範囲のことです。冷間加工された材料は、実質的に、許容される塑性変形の一部がすでに引き伸ばされた通常の（脆い）材料です。転位の蓄積によって転位運動と塑性変形が十分に妨げられ、電子結合の伸張と弾性変形が限界に達すると、3 番目の変形モードである破壊が発生します。

転位のせん断強度は、せん断弾性係数G、バーガースベクトルbの大きさ、および転位密度に依存します。 ${\displaystyle \tau}$${\displaystyle \rho _{\perp}}$

${\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }$

ここで、 は転位密度が低い材料の固有強度であり、は材料固有の補正係数です。 ${\displaystyle \tau _{0}}$${\displaystyle \alpha }$

図 1 と上記の式に示されているように、加工硬化は転位の数に半ルート依存します。転位レベルが高い ( 1 m ^{2あたり 10 14 個}を超える転位) か、転位がまったくない場合、材料は高い強度を示します。転位数が中程度 ( 1 m ^{2あたり 10 7}～ 10 ^{9 個}の転位) の場合、通常は強度が低くなります。

極端な例として、引張試験では、鋼棒は通常破断する長さの直前までひずみます。荷重はスムーズに解放され、材料は長さが減少することでひずみの一部を緩和します。長さの減少は弾性回復と呼ばれ、その結果、加工硬化した鋼棒になります。回復した長さの割合 (回復した長さ/元の長さ) は、降伏応力を弾性係数で割った値に等しくなります。(ここでは、この引張試験での直径の急激な減少を説明するために真応力について説明します。) 材料が破断する直前に荷重を取り除いた後に回復した長さは、塑性変形に入る直前に荷重を取り除いた後に回復した長さに等しくなります。

加工硬化した鋼棒には、十分な数の転位があるため、ひずみ場の相互作用により、すべての塑性変形が防止されます。その後の変形には、観測されたひずみに応じて直線的に変化する応力が必要であり、通常どおり、応力対ひずみのグラフの傾きが弾性係数になります。

加工硬化した鋼棒は、加えられた応力が通常の破壊応力を超え、ひずみが通常の破壊ひずみを超えると破壊します。これは弾性限界とみなされ、降伏応力は破壊靭性に等しくなり、非加工硬化鋼の降伏応力よりもはるかに高くなります。

塑性変形の量はゼロであり、これは加工硬化していない材料の塑性変形量よりも少ないため、冷間加工された棒の延性は低下します。

大規模かつ長時間のキャビテーションもひずみ硬化を引き起こす可能性があります。

加工硬化現象には2つの一般的な数学的記述がある。ホロモンの式は、応力と塑性ひずみ量との間のべき乗法則関係である。^[10]

${\displaystyle \sigma =K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

ここでσは応力、Kは強度指数または強度係数、εp_は塑性ひずみ、nはひずみ硬化指数である。ルドヴィクの式は類似しているが、降伏応力を含む^[11]。

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

材料が事前に変形（低温）を受けた場合、降伏応力は事前の塑性ひずみε ₀の量に応じて増加します。

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K(\epsilon _{0}+\epsilon _{p})^{n}\,\!}$

定数 K は構造に依存し、処理によって影響を受けますが、n は通常 0.2～0.5 の範囲にある材料特性です。ひずみ硬化指数は次のように表すことができます。

${\displaystyle n={\frac {d\log(\sigma )}{d\log(\epsilon )}}={\frac {\epsilon }{\sigma }}{\frac {d\sigma }{d\epsilon }}\,\!}$

この式は、log(σ) – log(ε) プロットの傾きから評価できます。整理すると、特定の応力とひずみにおけるひずみ硬化率を決定できます。

${\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\epsilon }}=n{\frac {\sigma }{\epsilon }}\,\!}$

鋼は重要な工学材料であり、多くの用途に使用されています。鋼は低温での変形によって加工硬化される可能性があり、これを冷間加工と呼びます。通常、冷間加工の増加はひずみ硬化指数の低下をもたらします[^{引用が必要]} 。同様に、高強度鋼はひずみ硬化指数が低くなる傾向があります^{[引用が必要]}。

銅は、鉱石を製錬する必要がなく、酸化されていない状態で入手できる数少ない金属の 1 つであるため、工具や容器に一般的に使用された最初の金属でした。銅は加熱してから冷却することで簡単に柔らかくなります (冷水での急冷などの焼き入れでは硬化しません)。この焼きなまし状態では、ハンマーで叩いたり、伸ばしたり、その他の方法で成形することができ、目的の最終形状に向かって進みますが、作業が進むにつれて硬くなり延性が低下します。一定の硬度を超えて作業を続けると、金属は作業中に破損する傾向があるため、成形が続く間定期的に再焼きなましを行う場合があります。加工物が最終的な目的の形状に近づいたときに焼きなましを停止し、最終製品は目的の強度と硬度を持つようにします。打ち出し技法は銅のこれらの特性を利用して、耐久性のある宝飾品や彫刻 (自由の女神像など) の製作を可能にしています。

金のジュエリーの多くは、冷間加工をほとんどまたはまったく行わずに鋳造で製造されます。そのため、合金のグレードによっては、金属が比較的柔らかく、曲げやすい状態になることがあります。ただし、宝石商は、リングなど、ストレスにさらされる着用物を強化するために、意図的に加工硬化を利用する場合があります。

アルミニウムおよびその合金で作られた製品は、曲げを最小限に抑えるか均等に分散するように注意深く設計する必要があります。曲げは加工硬化につながり、ひいては応力亀裂を引き起こし、壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。このため、現代のアルミニウム製航空機には、（遭遇する負荷の種類に応じて）定められた耐用年数があり、その後は航空機を退役させる必要があります。

• デガーモ、E. ポール; ブラック、J. T.; コーサー、ロナルド A. (2003)、製造における材料とプロセス(第 9 版)、Wiley、ISBN 978-0-471-65653-1。
• スミス、ウィリアム F.; ハシェミ、ジャバド (2006)、材料科学と工学の基礎(第 4 版)、マグロウヒル、ISBN 978-0-07-295358-9。