展延性

展延性：材料の変形能力

展延性とは、固体材料が外力によって変形する能力、特に破断することなく大きな変形を受け入れられる性質を指します。これは材料の塑性（塑性変形）という力学的特性の一つであり、材料の加工性や信頼性を評価する上で非常に重要な要素です。

展延性は大きく分けて「延性」と「展性」の2種類があります。延性とは、材料を引っ張る力（引張力）を加えた際に、どの程度細長く伸びるかを示す尺度です。例えば、針金のように細く伸ばせる材料は高い延性を有すると考えられます。一方、展性とは、材料を圧縮する力（圧縮力）を加えた際に、どの程度薄く広げられるかを示す尺度です。薄い板状に加工できる材料は、高い展性を有していると判断できます。展性は、可鍛性と呼ばれることもあります。

重要なのは、延性と展性は必ずしも比例関係にあるわけではないということです。例えば、金は延性と展性の両方において高い値を示しますが、鉛は展性が高い一方で、延性はそれほど高くありません。これは材料の結晶構造や化学結合の種類によって、異なる変形挙動を示すためです。

科学分野における展延性

地質学

地球科学の分野では、地殻内部における岩石の挙動を理解する上で、展延性が重要な役割を果たします。地下深くでは、温度と圧力の増加に伴い、岩石は脆性（もろさ）から塑性（展延性）へと性質が変化します。この変化は「脆性-塑性転移帯」と呼ばれ、地下数十キロメートルの深さに存在すると考えられています。この転移帯の上下では、岩石の挙動が大きく異なり、上部では脆性破壊、下部では塑性変形が支配的になります。しかし、転移帯周辺では、脆性と塑性の両方の特性が混在している場合も少なくありません。

物質科学

物質科学、特に材料科学の分野では、展延性は材料の加工性に直結します。鍛造や圧延などの塑性加工は、材料の高い展延性があって初めて実現できます。展延性の低い材料を加工しようとすると、容易に割れたり、ひびが入ったりしてしまいます。そのため、金属材料などの加工には、高い展延性を有する材料が選択されます。

金属材料の高い展延性は、金属結合という特有の化学結合に起因します。金属結合では、電子が原子核に束縛されずに自由に動き回るため、外力によって原子間の結合が切れることなく、原子同士の位置がずれて変形することが可能です。

展延性を評価する指標としては、「破断歪み」や「絞り」がよく用いられます。破断歪みとは、引張試験において材料が破断するまでの歪みの量を、絞りとは、引張試験において材料の断面積が最大でどれだけ変化するかを表す指標です。

金属材料の展延性の高さは、金、銀、白[[金]]といった貴金属が上位に位置し、鉄、銅、アルミニウムなどが続きます。一方で、展性においては、金、銀、鉛といった順序になります。鋼の場合、炭素含有量が多いほど延性が低下します。

延性-脆性遷移温度 (DBTT)

多くの金属材料は、温度が低下すると脆性が増し、展延性が低下する傾向があります。この現象は「延性-脆性遷移現象」と呼ばれ、遷移が起きる温度を「延性-脆性遷移温度 (DBTT)」と呼びます。DBTT以下の温度では、材料はわずかな衝撃でも破断する可能性が高まります。

DBTTの測定には、シャルピー衝撃試験やアイゾット衝撃試験などの破壊試験が用いられます。DBTTの定義にはいくつかの方法があり、破面遷移温度 (FATT)、エネルギー遷移温度 (ETT)、無延性遷移温度 (NDTT) などがあります。これらは、材料の用途や要求性能によって使い分けられます。

DBTTは、中性子照射などによっても影響を受けます。中性子照射によって材料内部に格子欠陥が増加すると、DBTTは上昇し、展延性は低下します。

原子炉圧力容器の脆化

原子力発電所の原子炉圧力容器は、長期間にわたる中性子照射によって脆化することが懸念されています。中性子照射は、圧力容器材料のDBTTを上昇させ、延性を低下させます。そのため、圧力容器の定期的な検査と、材料の展延性の監視が不可欠です。圧力容器の脆化は、原子炉の安全性の確保において極めて重要な問題であり、その対策には、材料の選定、定期的な検査、適切な運転管理などが含まれます。圧力容器の交換は、莫大な時間と費用を要する大規模な作業となります。

展延性は、材料の選定、加工、安全性評価など、様々な場面で重要な役割を果たしています。材料の特性を理解し、適切な設計と運用を行うことで、安全で効率的な社会基盤の構築に貢献できます。

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