Transcript 材料の強化機構

第３章．材料の強化機構
金属材料の強化機構
金属強度が高くなる（強度が高い）主原因は何か？
答え ： 材料がすべり変形を起こし易いかどうか
すべり変形を起こしにくい材料
転位の移動を起こしにくくする
転位を全く含まない結晶
ウイスカー（whisker）
直径数μm
小さい寸法に限定される
転位の移動を抑制する
・
・
・
・
固溶強化
析出強化
結晶粒微細化強化
加工強化
など
金属材料の強化機構事例（１）
＊新日鉄はTRIP鋼(Transformation Induced Plasticity)を 世界で初めて実用化しました
金属材料の強化機構事例（２）
結晶粒超微細化により、室温で超塑性を実現
（点欠陥をわざと作り出す）
＋
純金属
他元素
（溶質金属）
（溶媒金属）
① 置換型固溶元素の場合
置換原子
・ 原子半径の差
・ 電子構造の差
降伏強さ MPa
3.1 固溶強化
内部ひずみ
完全結晶
転位の移動を抑制
合金元素 at%
② 侵入型固溶元素の場合
他元素
C
N
転位の部分に集まる
コットレル固着
図3.1 α鉄の降伏強さに及ぼす
置換型固溶元素の影響
傾きが大きいほど
固溶強化効果が大きい
3.2 析出強化1（状態図）
温度
L
人工時効温度
常温時効温度
α
L＋ α
Ａ
T0 ×
T１
T２
T３
T４
L＋ β
α＋β
B元素 （％）
図3.2 析出硬化型合金の状態図
時効 ：
急冷された、もしくは加工された金属材料が
ある温度下において時間と共に、その機械的性質が変化すること
3.2 析出強化2（析出の仕方）
α
温度
T0
αβ α
α
T1
徐冷
急冷
T2
T3
α＋β
T4
β：セメンタイト
α＋β（パーライト）
α
βα
α
α
α
α
α
α
α
α
β：セメンタイト
(b) (a)
時間
α
α
α
αβ
α
α：フェライト
（a）徐冷
（a） 徐冷～ゆっくり温度を下げる
α相のみ ⇒ αにβのものが出てくる （析出）
（b） 急冷～急に温度を下げる
α相のみ ⇒ βが成長するための時間がない
⇒ αの中にβが点在するようになる
（b）急冷
3.2 析出強化3
λ
（a）
（b）
（c）
（d）
図3.4 析出硬化材の転位の移動機構
3.3 結晶粒微細化強化
d
粒界
粒内
図3.5 結晶粒界のすべり抑制効果
3.3 結晶粒微細化強化
（下）降伏点 MPa
結晶粒を小さくする
転位が出会う粒界の
数が多くなる
転位の移動を妨害
d
-1/2
[mm
-1/2]
（結晶粒径の減少）
図3.6 降伏点の結晶粒径依存性
ホール・ペッチの式(Hall-Petch’s equation)
σy σo  Kd

1
2
強化
3.4 加工強化
伸び ％
加工する（塑性変形させる）
引張強さの増加量 MPa
σ
加工硬化
σが増加している（強化）
ε
塑性変形（加工する）
転位密度の増加
転位の移動が難しくなる
強化
冷間加工度 ％
図3.7引張強さおよび伸びに及ぼす冷間加工度の影響
3.5 マルテンサイト強化
炭素鋼
炭素原子
［ マルテンサイト組織 ］
・ 転位の密度が大きい
⇒ 加工強化
・ Cが過飽和状態
⇒ 固溶強化
・ 組織が微細である
⇒ 結晶粒微細化強化
オーステナイト（γ） ：
面心立方格子（fcc）
急冷 … Feの構造のみ変化
マルテンサイト変態
マルテンサイト組織 ： 体心正方晶
1.5％炭素鋼中のマルテンサイト組織
3.6 圧縮残留応力による強化
残留応力とは
圧縮残留応力
大きな材料
下の大きさに合わせようとして圧縮を受ける
引張を行う前に
圧縮残留応力（‐σr）を加える
‐σr （圧縮残留応力）
σ
引張残留応力
σ
小さな材料
上の大きさに合わせようとして引張を受ける
σap=σ‐σr
（実際にかかる応力）
まとめ
※ 第三章のキーワード
固溶強化、析出強化、結晶粒径微細化強化、
加工強化、マルテンサイト強化、圧縮残留応力による強化