降伏強度異常

材料科学において、降伏強度異常とは、降伏強度（すなわち、塑性降伏を開始するために必要な応力）が温度とともに増加する材料を指します。 ^{[1] [2] [3]ほとんどの材料では、降伏強度は温度の上昇とともに低下します。金属では、この降伏強度の低下は}転位運動 の熱活性化によるもので、高温では塑性変形が容易になります。^[4]

場合によっては、降伏強度の異常は温度上昇に伴う材料の延性の低下を指すが、これも大多数の材料の傾向とは逆である。降伏強度に対する異常な影響は温度による典型的な低下によって不明瞭になる可能性があるため、延性の異常はより明確に表れることがある。^{[5]降伏強度または延性の異常と連動して、一部の材料は超音波減衰の最小値や}電気伝導率の最大値など、他の温度依存特性において極値を示す。^[6]

β-黄銅の降伏強度異常は、このような現象の最も初期の発見の1つであり、^[7]他のいくつかの規則金属間合金がこの効果を実証しています。析出硬化型 超合金は、かなりの温度範囲にわたって降伏強度異常を示します。これらの材料では、降伏強度は室温から数百℃の間でほとんど変化しません。最終的に、最大降伏強度に達します。さらに高い温度では、降伏強度は低下し、最終的には融点に達するとゼロになり、そこで固体材料は液体に変化します。規則金属間化合物の場合、降伏強度のピークの温度は、絶対融点のおよそ50%です。^[8]

L1 ₂構造を持つ多くの合金（Ni ₃ Al、Ni ₃ Ga、Ni ₃ Ge、Ni ₃ Siなど）は、降伏強度の異常を示します。[ ^9] L1 _{2構造は、}面心立方結晶構造の派生物です。これらの合金では、ピーク下の活性すべり系は⟨110⟩{111} ですが、高温での活性系は ⟨110⟩{010} です。これらの合金の硬化メカニズムは、 （111）から（010）結晶面へのらせん転位の交差すべりです。^[10]この交差すべりは熱的に活性化され、らせん転位は（010）面で動きにくくなるため、温度が上昇して（010）面のらせん転位が増えるにつれて材料が強化されます。同様のメカニズムは、降伏強度異常を有するいくつかのB2合金（例えば、 CuZn、FeCo、NiTi、CoHf、CoTi、CoZr）に対しても提案されている。 ^[8]

Ni基超合金における降伏強度異常のメカニズムも同様である。^[11]これらの合金では、らせん状超転位が{111}面から{100}面への熱活性化交差滑りを起こす。これにより、(111)[-101]滑り系上の転位の残りの部分の運動が妨げられる。また、温度が上昇すると、交差滑りがより多く発生するため、転位運動がより妨げられ、降伏強度が増加する。

金属炭化物で強化された超合金では、より大きな炭化物粒子が粒界に優先的に形成され、高温での粒界滑りを防ぎます。これにより降伏強度が増加し、降伏強度異常が発生します。^[5]

FeAl はB2合金ですが、FeAl で観測された降伏強度異常は別のメカニズムによるものです。もしクロススリップがメカニズムであれば、降伏強度異常は熱活性化プロセスで予想されるように速度依存になります。その代わりに、降伏強度異常は状態依存であり、これは材料の状態に依存する特性です。結果として、空孔活性化強化は最も広く受け入れられているメカニズムです。^[12] FeAl の空孔形成エネルギーは低いため、高温では FeAl の空孔濃度が異常に高くなります (Fe-50Al の場合、1000C で 2.5%)。アルミニウムが豊富な FeAl または加熱によって形成される空孔はアルミニウム空孔です。^[13]

300K 前後の低温では、降伏強度は温度とともに低下するか、変化しません。中程度の温度 (0.35-0.45 T _m ) では、降伏強度は空孔濃度の増加とともに増加することが観察されており、空孔駆動による強化メカニズムのさらなる証拠となっています。^{[13] [8]}空孔濃度の増加による降伏強度の増加は、すべり面上の空孔によって転位が固定され、転位が湾曲する結果であると考えられています。次に、ピーク応力温度を超えると、温度が上昇すると空孔の移動が容易になるため、空孔が移動できるようになります。これらの温度では、空孔は転位の動きを妨げなくなり、むしろ登りを助けます。空孔強化モデルでは、ピーク応力温度未満での強度の増加は、マクスウェル・ボルツマン統計を使用して推定された空孔濃度の 2 分の 1 に比例すると近似されます。したがって、強度は と推定できます。ここで、は空孔形成エネルギー、T は絶対温度です。ピーク応力温度以上では、空孔が可動性になり転位運動を助けるため、拡散支援変形メカニズムを使用して強度を説明できます。ピークを超えると、降伏強度はひずみ速度に依存し、したがって、ピーク降伏強度は速度に依存します。その結果、ピーク応力温度はひずみ速度の増加とともに上昇します。これは、降伏強度の異常とは異なります。降伏強度の異常は、ピーク以下の降伏強度が速度に依存します。ピーク降伏強度は、FeAl 合金のアルミニウムの割合にも依存します。アルミニウムの割合が増加すると、ピーク降伏強度はより低い温度で発生します。^[8]${\displaystyle e^{-E_{f}/2k_{B}T}}$${\displaystyle E_{f}}$

FeAl合金の降伏強度異常は、比較的低温（約400℃で約5日間）でゆっくりと焼鈍して熱空孔を最小限に抑えなければ、隠れてしまう可能性がある。^[14]さらに、降伏強度のピークはひずみ速度に依存し、降伏強度異常を観察するには温度が低すぎるため、非常に低いひずみ速度を使用するシステムでは降伏強度異常は発生しない。また、空孔の形成には時間がかかるため、降伏強度のピークの大きさは、材料がピーク応力温度に保持される時間に依存する。また、降伏強度のピークは結晶方位に依存しないことがわかっている。^[8]

他にも、L1 ₂と同様の交差滑り機構、ジョグでの移動度の低いセグメントへの転位分解、転位のピン止め、クライムロック機構、および滑りベクトル遷移などの機構が提案されている。滑りベクトルは <111> から <100> に遷移する。ピーク応力温度で、滑り系は <111> から <100> に変化する。この変化は、温度が上昇するにつれて摩擦機構により <111> での滑りがより困難になることの結果であると考えられている。すると、<100> 内の転位は比較的動きやすくなる。^[15]別の機構では、空孔強化機構と転位分解が組み合わされている。Mn などの第 3 元素を添加した FeAl も、降伏応力異常を示すことが示されている。しかし、FeAl とは対照的に、Fe ₂ MnAl のピーク降伏強度またはピーク応力温度はひずみ速度に依存せず、したがって空孔活性化強化機構に従わない可能性がある。代わりに、秩序を強化するメカニズムが提案されている。^[8]

降伏強度の異常は、高温で作動するガスタービンやジェットエンジンの設計に利用されており、使用される材料は、その最も重要な降伏強度とクリープ抵抗に基づいて選択されます。超合金は、鋼鉄や他の合金の能力をはるかに超える高温負荷に耐えることができ、より高い温度での動作を可能にするため、効率が向上します。^[16]

降伏強度異常を有する材料は、高温機械的特性と優れた耐食性のため、原子炉に使用されている。^[5]