強化

材料科学において、強化とは、材料の亀裂伝播に対する耐性を高めるプロセスを指します。亀裂が伝播するとき、異なる材料クラスでは関連する不可逆的な作業が異なります。したがって、最も効果的な強化メカニズムは、異なる材料クラス間で異なります。亀裂先端の可塑性は、金属や長鎖ポリマーの強化において重要です。セラミックは亀裂先端の可塑性が限られているため、主に異なる強化メカニズムに依存しています。

金属のような延性材料の場合、この靭性は通常、破壊応力とひずみ、および亀裂のゲージ長に比例します。金属の平面ひずみ靭性は次のように表されます。^[1]

${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}=B\sigma _{yf}\epsilon _{fr}\rho }$

ここで、は平面ひずみ靭性、は応力状態を組み込んだ定数、は破壊時の引張流動応力、は引張破壊ひずみ、は亀裂先端の半径です。 ${\displaystyle G_{\mathrm {I} C}}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \sigma_{yf}}$${\displaystyle \epsilon _{fr}}$${\displaystyle \rho}$

降伏強度の低い材料では、亀裂の先端は容易に鈍くなり、より大きな亀裂先端半径が形成されます。したがって、特定の金属合金では、強化に利用できる塑性が少ないため、低強度条件での靭性は通常、高強度条件での靭性よりも高くなります。したがって、圧力容器やパイプラインなどの安全上重要な構造部品の一部は、アルミニウム合金の航空機フレームに比較的低強度バージョンで製造されています。^[2] とはいえ、金属の強度を犠牲にすることなく靭性を向上させる必要があります。新しい合金を設計するか、その処理を改善することで、この目標を達成できます。

新しい合金の設計は、いくつかの鉄合金の靭性の違いによって説明できます。18%Ni マルエージング鋼は、マルテンサイト鋼 AISI 4340 よりも靭性が高くなっています。AISI 4340 合金では、格子間炭素がbcc (体心立方)マトリックスに存在し、靭性に悪影響を及ぼします。18%Ni マルエージング鋼では、炭素含有量が低く、マルテンサイトは置換 Ni 原子によって強化されています。さらに、鋼の TRIP (変態誘起塑性) 効果により、靭性が向上します。TRIP 鋼では、マトリックスは準安定であり、変形中にマルテンサイトに変態する可能性があります。相変態に関連する作業は、靭性の向上に寄与します。モノリシック Pd–Ag–P–Si–Ge ガラス合金では、高い体積弾性率と低いせん断弾性率の特性により、せん断帯が増殖します。これらの帯は自己拘束されており、靭性が向上します。^[3]

金属は加工方法の改善によって強靭化できる。酸素との親和性が高いため、チタン合金は酸素を容易に吸収する。^{[4]酸素はα} ₂相の形成を促進する。これらの凝集したα ₂粒子は、平面滑り帯内で亀裂核形成を容易にし、亀裂伝播を速める。^[5]そのため、チタン合金の靭性は低下する。多重真空アーク溶解（VAR）技術を使用すると、酸素含有量を最小限に抑え、合金の靭性を高めることができる。同様に、鋼中のリンは靭性を劇的に低下させる可能性がある。リンは粒界に偏析し、粒界破壊を引き起こす可能性がある。^[6]製鋼中に脱リンが改善されると、リン含有量が低くても鋼は強靭化される。鋼を適切に加工すると、圧延方向に沿って配向した結晶粒と第 2 相が剥離して材料の靭性を向上させ、三軸応力を緩和して亀裂先端を鈍らせることができる。^[7]

金属もセラミックに関して以下に説明する方法で強化できますが、これらの方法は一般に塑性誘起亀裂鈍化よりも強化への影響が小さくなります。

セラミックは、ほとんどの金属やプラスチックよりも脆いです。塑性変形に関連する不可逆な作業は、セラミックには存在しません。したがって、セラミックの靭性を向上させる方法は、金属とは異なります。亀裂偏向、マイクロ亀裂強化、変態強化、亀裂ブリッジングと呼ばれるいくつかの強化メカニズムがあります。

多結晶セラミックスでは、亀裂は粒界的に伝播することがあります。単位面積あたりの関連する不可逆仕事は 2γ-γ _gbで、γ は材料の表面エネルギー、γ _{gb は}粒界エネルギーです。粒界エネルギーのために不可逆仕事は減少しますが、粒界亀裂伝播では破壊面積が増加します。さらに、モード II 亀裂は、粒界亀裂伝播中に通常の破壊面からの偏向によって発生する可能性があり、これによりセラミックスの靭性がさらに向上します。その結果、粒界破壊を伴うセラミックスは、粒内破壊を伴うセラミックスよりも高い靭性を示します。SiC では、粒内で破壊する場合の破壊靭性は約 2～3 ですが、粒界で破壊すると破壊靭性は 10 に向上します。^{[8]亀裂偏向メカニズムは、}異常粒成長(AGG)を示すセラミックスの靭性の向上をもたらします。AGGによって生成される不均一な微細構造は 、「原位置複合材料」または「自己強化材料」とみなすことができる材料を形成します。^[9]第二相粒子の周りの亀裂のたわみは、破壊靭性の増加を予測するための破壊力学アプローチでも使用されています。^[10]${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$${\displaystyle MPa\cdot m^{0.5}}$

マイクロクラック強化とは、主亀裂の前にマイクロクラックを形成することでセラミックを強化することを意味します。追加のマイクロクラックにより、主亀裂の前に応力が集中します。これにより、亀裂の伝播に必要な追加の不可逆作業が発生します。さらに、これらのマイクロクラックは亀裂の分岐を引き起こし、1つの亀裂が複数の亀裂を形成する可能性があります。これらの亀裂の形成により、不可逆作業が増加します。マイクロクラック強化による靭性の増加は、次のように表すことができます。^[1]${\displaystyle G_{C}}$

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{R}(\Delta \alpha )(\Delta T)V_{f}}$

ここで、はマイクロクラックと破面の間の距離、は残留応力、は隣接する粒子間の熱膨張係数の差、 は熱ひずみを引き起こす温度差、は影響を受ける体積内のマイクロクラックに関連する粒子の割合です。この式では、残留応力がマイクロクラックの核形成に支配的であり、マイクロクラックの形成は弾性作業によって引き起こされると仮定されています。亀裂の伝播を遅らせるには、これらのマイクロクラックが亀裂の伝播中に形成されなければなりません。マイクロクラックの自発的な形成を避けるために、粒径は臨界粒径よりも小さくする必要があります。マイクロクラックと破面の間の距離は、強化効果を得るために粒径よりも大きくする必要があります。1981年にキャサリン ファーバーによって最も顕著に実証されたように、マイクロクラックの影響を受ける第 2 相粒子の組み込みによって誘発される強化は、適切なサイズの粒子の狭いサイズ分布で顕著になります。^[11]${\displaystyle r_{c}}$${\displaystyle \sigma_{R}}$${\displaystyle \Delta \alpha }$${\displaystyle \デルタT}$${\displaystyle V_{f}}$

TRIP効果は、部分安定化ジルコニアに見られる。部分安定化ジルコニアは、高温では正方晶相、低温では平衡状態の単斜晶相と立方晶相から構成される。一部の成分では、正方晶単斜晶マルテンサイト変態の開始温度は室温よりも低い。亀裂先端付近の応力場は、材料の音速に近づくと仮定される速度でマルテンサイト変態を引き起こす。^[12]マルテンサイト変態は、それぞれ約4％の体積膨張（体積/膨張ひずみ）と約16％のせん断ひずみを引き起こす。これは、亀裂先端に圧縮応力を加えて亀裂の伝播を防ぎ、亀裂後流での閉鎖牽引を防ぐ。 ^[13]別の観点から見ると、この相変態に関連する作業は靭性の向上に寄与する。変態強化による靭性の増加は、次のように表される。^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong 2r_{c}\sigma _{M}\epsilon _{M}V_{f}}$

ここで、は変態領域の境界と破面の間の距離、はマルテンサイト変態を引き起こす応力、 はマルテンサイト変態のひずみ、およびは影響を受ける体積内のマイクロクラックに関連する正方晶粒子の割合です。正方晶粒子のサイズは適切に制御する必要があります。これは、粒子サイズが大きすぎると自発的な変態につながり、粒子サイズが小さすぎると強化効果が非常に小さくなるためです。 ${\displaystyle r_{c}}$${\displaystyle \sigma_{M}}$${\displaystyle \epsilon_{M}}$${\displaystyle V_{f}}$

亀裂が不規則な経路で伝播する場合、主亀裂の各側の一部の粒子が他の側に突出することがあります。これにより、完全な破壊のために追加の作業が発生します。この不可逆な作業は残留応力と関連しており、約 です。靭性の増加は次のように表すことができます。^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}\cong {1 \over 8}\mu \sigma _{R}V_{f}d}$

ここで、は摩擦係数、は残留応力、 は粒子のエッジ長さ、は亀裂の橋渡しに関連する粒子の割合です。 ${\displaystyle \mu}$${\displaystyle \sigma_{R}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle V_{f}}$

亀裂架橋を通じてセラミックスの靭性を改善する他のアプローチもいくつかある。異常粒成長（AGG）現象を利用して、単相セラミック材料内に亀裂架橋微細構造を与えることができる。異常に長い粒子の存在は、亀裂の跡を架橋し、亀裂が開くのを妨げる。^{[14]これは、}炭化ケイ素と窒化ケイ素で実証されている。異常に大きな粒子は、亀裂偏向メカニズムを通じてセラミックスを強化する働きもある。セラミックス内にテクスチャーのある内部構造を形成することは、強化アプローチとして使用できる。^[15]炭化ケイ素材料はこのアプローチによって強化されている。^[16]内部構造によって界面表面積が増加するため、この材料では不可逆的な破壊仕事が増加する。

金属マトリックス複合材料（MMC）では、添加物によって金属が強化され、材料の靭性が低下します。セラミックマトリックス複合材料（CMC）では、添加物によって材料が強化されますが、同時に強化されることはありません。炭素繊維強化複合材料（CFRP）では、グラファイト繊維がポリマーの強化と強化を同時に行うことができます。バルク金属ガラス複合材料（BMG）では、デンドライトが添加されてせん断帯の動きが妨げられ、靭性が向上します。^[17]

繊維の破壊ひずみがマトリックスよりも大きい場合、複合材料は亀裂架橋によって強化されます。複合材料の靭性は次のように表すことができます。^[1]

${\displaystyle G_{C}=V_{m}G_{m}+V_{f}G_{f}+\Delta G_{C}}$

ここで、 および はそれぞれマトリックスと繊維の靭性、はそれぞれマトリックスと繊維の体積、は架橋強化によって生じる追加の靭性です。 亀裂が繊維を伝わると、繊維は引き伸ばされてマトリックスから引き抜かれます。 これらのプロセスは塑性変形と引き抜き作業に対応し、複合材料の強化に寄与します。 ${\displaystyle G_{m}}$${\displaystyle G_{f}}$${\displaystyle V_{m}}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle \Delta G_{C}}$

繊維が脆い場合、引き抜き仕事は強化に寄与する不可逆仕事よりも優位になります。引き抜き仕事による靭性の増加は次のように表すことができます: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}={1 \over 32}{\beta ^{2}\sigma _{f}^{2}V_{f}d \over \tau }}$

ここで、は剥離長さと臨界長さの比、 は繊維の強度、は繊維の幅、は繊維の割合、は界面摩擦応力です。この式から、体積分率が高く、繊維強度が高く、界面応力が低いほど、より優れた強化効果が得られることがわかります。 ${\displaystyle \beta}$${\displaystyle \sigma_{f}}$${\displaystyle d}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle \tau}$

繊維が延性を有する場合、塑性変形による仕事が主に靭性の向上に寄与する。塑性変形によってもたらされる追加の靭性は次のように表される: ^[1]

${\displaystyle \Delta G_{C}=C\sigma _{y}\epsilon _{f}V_{f}l_{d}}$

ここで、は 1.5 ～ 6 の定数、 は繊維の流動応力、 は繊維の破壊ひずみ、は繊維の割合、は剥離長さです。この式から、流動応力が高く、剥離長さが長いほど、強化が向上することがわかります。ただし、剥離長さが長くなると、塑性変形の拘束が失われるため、通常は流動応力が低下します。 ${\displaystyle C}$${\displaystyle \sigma_{y}}$${\displaystyle \epsilon_{y}}$${\displaystyle V_{f}}$${\displaystyle l_{d}}$

延性相強化を伴う複合材料の靭性は、多田の解法に基づいて、マトリックスと亀裂ブリッジングの線形重ね合わせによる応力集中係数を使用して示すこともできる。^[18]このモデルは、単調な荷重条件下での小規模ブリッジング（ブリッジ長さ << 亀裂長さ）の挙動を予測できるが、大規模ブリッジングは予測できない。^{[19] [20]}${\displaystyle K_{c}}$

${\displaystyle K_{c}=K_{m}+\Delta K_{b}=K_{m}+{\sqrt {\frac {2}{\pi }}}\alpha V_{f}\int _{0}^{L}{\frac {\sigma _{y}}{\sqrt {x}}}dx}$

ここで、はマトリックスの破壊靭性、は亀裂架橋による強化、は架橋長さ、は亀裂先端の後ろの距離、は一軸降伏応力、は拘束/三軸係数です。 ${\displaystyle K_{m}}$${\displaystyle \Delta K_{b}}$${\displaystyle L}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \sigma_{y}}$${\displaystyle \alpha}$

ポリマーの強化メカニズムは、上で説明したものと似ています。ポリマーの強化を説明するために使用される例はほんのわずかです。耐衝撃性ポリスチレン（HIPS）では、エラストマー分散液を使用して亀裂伝播抵抗を改善します。主な亀裂が伝播すると、破断面の上または下のエラストマー分散液の周囲にマイクロクラックが形成されます。HIPSは、マイクロクラックの形成に関連する追加の作業によって強化されます。エポキシでは、ガラス粒子を使用して材料の靭性を向上させます。強化メカニズムは、亀裂のたわみと同様です。ポリマーに 可塑剤を添加することも、靭性を向上させる良い方法です。^{[1] [21]}