加工硬化

加工硬化：金属の強さを変えるメカニズム

金属材料に外部から力が加えられると、変形が生じます。この変形には、弾性変形と塑性変形があります。弾性変形は、力がなくなると元の形状に戻る一時的な変形ですが、塑性変形は、力がなくなっても元の形状に戻らない永久的な変形です。

加工硬化とは、金属を塑性変形させることで硬度が増す現象のことです。別名、ひずみ硬化とも呼ばれます。金属内部の結晶構造の変化が、この硬化を引き起こします。

具体的には、金属に力が加わると、結晶格子の構成原子にズレが生じます。このズレは、転位と呼ばれる結晶格子内の欠陥として蓄積されます。転位は、結晶格子の滑り面を移動し、その動きが阻害されることで、金属の硬さが増します。加工が進むにつれて転位は増加し、絡み合うことで互いの動きを妨げ、最終的に材料の強度を高めます。冷間加工で変形が進むほど、転位は増加し、複雑に絡み合い、抵抗が大きくなり、硬さが増すのです。これが加工硬化のメカニズムです。

この現象を利用することで、金属材料の強度を向上させることができます。例えば、冷間圧延によって金属板を薄くすることで、材料の強度を高めることができます。これは、圧延によって金属内部に多くの転位を導入し、加工硬化を起こさせるためです。

加工硬化係数：加工性の指標

加工硬化係数（またはひずみ硬化指数、n値）は、金属材料の絞り加工性（複雑な形状に加工できる能力）を評価する指標です。この値は、塑性変形領域における真応力とひずみの関係式から求められます。

真応力とひずみの関係を表す式は、材料によって様々です。単純なn乗硬化則、鉄鋼材料によく合うSwiftの式、アルミニウムによく合うVoceの式などがあります。n値は、一般的に0.15～0.45程度の値をとり、材料の硬さを反映します。例えば、軟らかいアルミニウムは0.27程度、硬い18-8ステンレス鋼は0.50程度です。n値が大きいほど、加工硬化が大きく、絞り加工に適した材料であると言えます。

加工硬化と塑性加工技術

加工硬化は、様々な塑性加工技術に深く関わっています。塑性加工とは、金属材料を塑性変形させる加工方法の総称で、鍛造、プレス加工、絞り加工などが含まれます。

これらの加工では、金属材料に大きな力が加わり、塑性変形が生じます。この塑性変形によって加工硬化が起こり、材料の強度や硬度が向上します。しかし、加工硬化が進むと、加工が困難になるため、適切な温度管理や中間焼鈍（アニール）が必要になります。中間焼鈍は、材料を加熱することで転位を減少させ、加工硬化を解消する熱処理です。

加工硬化は、金属材料の強度設計や加工方法の選択において重要な要素です。材料の特性を理解し、適切な加工条件を選択することで、高強度で高品質な製品を製造することができます。

参考文献

矢島悦次郎、市川理衛、古沢浩一『若い技術者のための機械・金属材料 - 増補版』（第一版第15刷）丸善、1992（初刷1979）。ISBN 4-621-02418-3。
Charles Kittel『キッテル固体物理学入門』（第6版）丸善、1991（初刷1988）。ISBN 4-621-03251-8。
工藤英明、大和久重雄『冷間鍛造ハンドブック』（第一版第1刷）アグネ、1973（初刷1973）。

関連用語

塑性加工
鍛造
プレス加工
へら絞り
ショット・ブラスト

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