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以下は

Work hardening - Wikipedia

の前半部の訳です。これより後ろには数式が登場するので理解が困難となります。なお、 この翻訳は「加工硬化」の概要の理解を目的としたもので、専門的な理解を目的としたものでは ありません。

昔の日本の包丁が加工硬化を 利用して作られていたようなので、念のため訳すことにしました。

加工硬化 (Work hardening)

加工硬化は、ひずみ硬化 (strain hardening) とも呼ばれ、 塑性変形 (plastic deformation) による金属の硬化である。 この強化は材料の結晶構造内の転移 (dislocation) の移動により起きる。 金属や合金のように、ある程度高い融点を持つどのような材料も、 このようにして強化することができる。 焼き入れが有効でない合金 -- これにはロー・カーボン・スチールが含まれる -- は、しばしば加工硬化される。 インジウム (indium) のように、いくつかの材料は通常の室温では加工硬化することができない。 しかしながら、それ以外のものは、加工硬化によって強化することができる。 これには純粋な銅やアルミニュームなどがある。

加工硬化は場合によっては、望ましいこともあるし、 望ましくないこともある。 望ましくない加工硬化の実例には機械による成形の最中に起きる。 カッターが通過することにより、不注意にも加工品の表面を加工硬化させてしまうと、 2 度目にカッターが通過するときにカッターを損傷してしまうことがある。 望ましい加工硬化の実例には、形を変えるために意図的に塑性変形を 誘導する金属加工の工程がある。 このような工程は冷間加工 (cold working) あるいは 冷間成形工程 (cold forming process) として知られる。 これらは再結晶温度より低い温度 -- 通常は周囲と同じ温度 -- で 加工品の成形をすることによって特徴づけられる。 冷間成形技術は通常 4 つのグループに分類される: 押込み (squeezing)、曲げ (bending)、引き出し (drawing)、切断 (shearing)。

  1. 歴史
  2. 理論
歴史

銅は道具や入れ物として普通に使用された最初の金属である。 その理由は酸化されていない形で利用可能な数少ない金属の一つであるからであり、 鉱石を精錬する必要がないからである。 銅は加熱や冷却により容易に柔らかくすることができる。 (冷たい水で焼入れしても硬くならない。) この焼きなました状態で、ハンマーで打ち、 引き伸ばしたり、ある形にしたりして、 最終的な望ましい形に近づくが、 作業が進展するにつれ、より堅くなり、 より延性が減少する。 作業がある一定の堅さを超えて続けば、 作業中に割れやすくなり、形状の進展と共に、 定期的に焼きなましをすることになる。 作業中のものが最終的な望ましい形状に近くなったとき、 焼きなましを停止し、最終的な製品に 望ましい堅さ (stiffness) と硬さ (hardness) を与える。

訳注
stiffness は「曲げることが困難」の意味で、 hardness は「くぼみにくい」の意味です。 但し、材料工学の観点からは同じことかもしれません。

打ち出し細工 (Repoussé) の技術では、 銅のこの性質を最大限に利用し、耐久性のある宝石類や彫刻 (「自由の女神像」を含む) の 建造が可能となる。

スプリングのような柔軟であるようにデザインされた金属の オブジェクトには普通は特殊な合金が使用され、 (塑性変形の結果である) 加工硬化 と金属疲労を防止し、必要とされる性質を得るために特別な熱処理がされる。

アルミニウムやその合金から製造される装置、例えば航空機は、注意して「湾曲部」(flexure) を最小にしたり、均等に分布する必要がある。 「湾曲部」には加工硬化が起きる可能性があり、 これは応力破壊 (stress cracking) につながり、 破局的な破壊 (failure) につながる可能性があるのである。 この理由から、現代のアルミ製の航空機には 実働できるライフ・タイム (working lifetime) の制約 (これは積荷の種類に依存する) があり、これ以後は航空機は引退しなければならないのである。

理論

加工硬化する前には、材料の (結晶) 格子は欠陥のない (転移のない) 正常な状態である。 欠陥の無い格子は焼きなましいよって、作ることができるし、また復元することもできる。 材料が加工硬化されると、 材料が新たな (結晶構造における) 転位でますます飽和 (saturate) していくにつれ 、 更なる転位が凝集 (nucleating) により防止される (転位形成の抵抗が進展する)。 この転位形成の抵抗が塑性変形の抵抗として表れ、 これにより硬化が観測されるのである。

金属結晶においては復元できない変形は、 微視的 (microscopic) なスケールでは、 通常は転位 (dislocation) と呼ばれる欠陥 (defect) により 起きる。 転位は材料内における局所的な応力場 (stress field) の変動 (fluctuation) により作られ、 転位が結晶格子 (lattice) 内で増殖 (propagate) するにつれ、 結晶格子の再配置となって頂点に達する。 常温では転位は焼きなましによる無効化がおきない。 その代わりに転位は蓄積し、相互に作用し、束縛点あるいは障害物としての役目を果たし、 著しく (転位の) 動きを阻害する。 これにより材料の降伏力 (yield strength) が増大し、その結果、延性 (ductility) が減少する。

このような変形では転位の集中を増大させ、その結果サブグレイン (sub-grain) を 囲む小角粒界(low angle grain boundary) を形成する。 冷間加工により、より高い降伏力 (yield strength) が生じるが、 これは転位の数の増大とサブグレインの Hall-Petch 効果の結果である。 更には延性が低下する。 冷間加工の効果は高温で焼きなましをすることにより、元に戻すことができる。 このとき復元と再結晶により転位の密度が減少する。

材料の加工硬化の可能性は「応力ひずみ線図」 (stress-strain curve) を解析したり、 工程の前後で「硬さ試験」(hardness test) を実施して、その関連を調べたりすることから 予測することができる。

弾性変形と塑性変形 (Elastic and plastic deformation)

加工硬化は塑性変形の結果であり、これは形に永久的な変化をもたらす。 これは復元可能な弾性変形とは異なっている。 ほとんどの材料は (塑性変形、弾性変形の) 一方のみを見せるのでは なく、むしろ両方のコンビネーションを見せる。 以下の議論は主に金属、とりわけ鋼に適用されるものであり、 詳しく研究されている。 加工硬化は金属のような延性材料に最も顕著に起きることである。 延性 (ductility) とは材料が破壊されるまでに多大な塑性変形をすることができる 能力である。(例えば鋼の棒を捻じ曲げれば最後には折れる。)

伸張テスト (tensile test) が変形のメカニズムの研究に広く使用される。 この理由はほとんどの材料では圧縮 (compression) の下で、 塑性変形や破壊が起きる前に、 些細な事象 (格子の不一致、lattice mismatch) から深刻な事象 (屈服、buckling) まで起きるためである。 この理由から一軸 (uniaxial) 圧縮の下で塑性変形が起きる前に材料に起きる 中間のプロセスから圧縮テストが困難だらけとなるのである。

小さな力の影響下では、材料は一般的には弾性的に変形し、 変形力を除去すれば、ただちに元の形に戻ることが可能である。 この現象は「弾性変形」と呼ばれる。 材料におけるこの振る舞いはフックの法則 (Hooke's Law) で記述される。

材料は変形力が弾性限界 (降伏力 (yield stress) とも呼ぶ) を超えるまで 弾性的に振舞う。 (弾性限界を超えた) 時点で材料は永久に変形され、力を除去しても元の形に戻ることができない。 この現象は「塑性変形」 と呼ばれる。 例えば、コイル・スプリングをある所まで引き伸ばしても元の形に戻る。 しかし、弾性限界を超えて引き伸ばせば変形したままとなり、元の形に戻らない。

弾性変形は材料における原子結合を結合の分離平衡半径から引き伸ばすが、 原子間結合を破壊するほど十分なエネルギーを適用しないのである。 一方、塑性変形は原子間結合を破壊し、固体材料における原子の再配置を伴う。

転位と格子の歪場 (dislocation and lattice strain fields)

材料科学の用語では、転位は 材料における結晶構造の線欠陥 (line defect) として定義される。 これらは通常の結晶格子の構成要素間の結合よりはある程度歪んだ (そして弱い) 結合で 囲まれる。 これは、これらの結合が塑性変形の最初に破壊される理由である。 どのような熱力学的システムと同じように、結晶は、 結晶の構成要素間の結合形成により、エネルギーを低下させる傾向がある。 従って、転位は互いに、そして結晶の原子と相互作用する。 これにより、結晶のよりレベルの低い、しかしながらエネルギー的には都合の良いエネルギー配置となるのである。 転位は「負の存在」であり、これは存在しないのである、 これらは親の媒体における単なる空白の場所で、こちらが存在するのである。 このため、材料はそれ自身余り動かないのである。 もっと多くの度合いで目に見える「動き」は、原子 -- これはほとんど動かない -- の結合パターンの 動きである。

転位の周りの歪んだ結合は格子の歪場によって特徴付けられる。 例えば、転位のすぐそばには圧縮歪みの結合があり、 転位から少し離れた箇所には伸張歪みの結合がある。 これらにより、圧縮歪場と伸張歪場の各々が形成される。 歪場はある点で電気場と類似している。 更に付け加えると、転位の歪場は引力と斥力の法則に従う。

塑性変形の目で見える (巨視的視野での) 結果は微視的視野の転位の動きの結果である。 例えば、伸張テスト機での鋼の棒の引き伸ばしは、原子的スケールの転位の動きによって順応しているのである。

転位の増加と加工硬化 (Increase of dislocations and work hardening)

転位の数の増加が加工硬化の定量化を示すものである。 塑性変形は材料に対してなされる作業の結果として起きることであり、 エネルギーが材料に加えられるのである。 更にエネルギーはほとんど常に、 十分に速く、十分に多量に適用され、 材料に十分にショックを与えたり、打ちたたいたりして、 現存する転位を動かすのみならず、非常に多くの新しい転位を作り出す。

降伏力 (yield strength) は冷間加工される材料で増加する。 格子の歪場を使用すれば、 転位が充満した環境では、どの転位の動きも阻害されることを証明することができる。 転位の動きが阻害されるため、 塑性変形は通常の応力 (stress) では起きることがない。 応力を適用すれば、冷間加工されていない材料の降伏力 (yield strength) を 丁度越えたあたりで、冷間加工された材料は唯一可能なメカニズム -- 弾性変形 -- によって変形を続ける。 (転位が動かずに) 電子結合の伸張と圧縮の一般的な仕組み (scheme) が 起きることが継続し、弾性係数は変化しない。 応力を増加すれば、そのうちに歪場の干渉 (interaction) に打ち勝ち、 塑性変形が復活 (resume) する。

しかしながら、加工硬化した材料の延性 (ductility) が減少する。 延性は材料が塑性変形を経ることができる度合い (extent) である。 すなわち、破壊 (fracture) が起きる前に材料がどれほど塑性変形できるかということである。 加工硬化した材料は許容される塑性変形を部分的にあらかじめ施した、実質的には 普通の材料である。 もしも、転位の十分な蓄積により、転位の動きと塑性変形が阻害され、 電子結合の伸張と弾性変形が限界に達すると第 3 の変形モード -- 破壊 -- が起きる。