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 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 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 ウイスカー（whisker） 直径数μm 小さい寸法に限定される
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
3.1 固溶強化 ＋ 純金属 他元素 （点欠陥をわざと作り出す） 内部ひずみ 転位の移動を抑制 （溶媒金属） （溶質金属） 合金元素 at% 降伏強さ MPa 図3.1 α鉄の降伏強さに及ぼす 置換型固溶元素の影響 内部ひずみ 転位の移動を抑制 純金属 （溶媒金属） （溶質金属） 他元素 ＋ 固溶強化効果が大きい 傾きが大きいほど 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 完全結晶 ② 侵入型固溶元素の場合 転位の部分に集まる コットレル固着 他元素 N C
3.2 析出強化1（状態図） 時効 ： L 温度 L ＋ α L ＋ β α T0 × 人工時効温度 T１ α ＋ β T２ T３ Ａ T0 × 人工時効温度 T１ α ＋ β T２ T３ 常温時効温度 T４ 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） （b） 急冷～急に温度を下げる α （a） 徐冷～ゆっくり温度を下げる （b）急冷 （a）徐冷 α＋β β：セメンタイト （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 α＋β（パーライト） α T1 T0 β β：セメンタイト （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） 急冷 α （b）急冷 （a）徐冷 α α：フェライト (a) 徐冷 温度 (b) T2 T4 T3 α＋β 時間
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 粒界 d 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 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） （下）降伏点 MPa 図3.6 降伏点の結晶粒径依存性 転位が出会う粒界の 数が多くなる 転位の移動を妨害 強化 ホール・ペッチの式(Hall-Petch’s equation)
3.4 加工強化 加工硬化 σ 引張強さの増加量 MPa 加工する（塑性変形させる） 伸び ％ σが増加している（強化） ε 伸び ％ 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 加工硬化 ε σ 加工する（塑性変形させる） σが増加している（強化） 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
3.5 マルテンサイト強化 炭素鋼 ［ マルテンサイト組織 ］ 炭素原子 ・ 転位の密度が大きい ⇒ 加工強化 ・ 転位の密度が大きい ⇒ 加工強化 マルテンサイト組織 ： 体心正方晶 ・ Cが過飽和状態 ⇒ 固溶強化 ⇒ 結晶粒微細化強化 ・ 組織が微細である 1.5％炭素鋼中のマルテンサイト組織 オーステナイト（γ） ： 面心立方格子（fcc） マルテンサイト変態 急冷 … Feの構造のみ変化
3.6 圧縮残留応力による強化 残留応力とは ‐σr （圧縮残留応力） σ σap=σ‐σr （実際にかかる応力） 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 大きな材料 σ ‐σr （圧縮残留応力） 上の大きさに合わせようとして引張を受ける 引張残留応力 小さな材料 σap=σ‐σr （実際にかかる応力）
まとめ 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