転位

転位：材料の強度を左右する結晶欠陥

材料科学において、転位とは結晶内部に存在する線状の欠陥です。この微小な欠陥は、材料の強度や変形挙動に大きな影響を与えます。

転位の発生と材料の変形

結晶材料に外力が加わると、結晶内部の原子が再配置され、転位が発生します。この転位は、結晶内部を移動することで材料の変形を引き起こします。転位が移動する際に必要な力は、原子間の結合力から理論的に計算される力よりもはるかに小さいため、材料は予想以上に容易に変形します。逆に、転位の動きを妨げることで、材料の強度を高めることができます。

転位の分類

転位は、転位線とバーガースベクトル（転位によって生じる原子のずれを表すベクトル）の幾何学的関係によって分類されます。主な種類は以下の3つです。

1. 刃状転位: 転位線とバーガースベクトルが垂直な転位です。余分な結晶面が挿入されたような構造をしています。
2. 螺旋転位: 転位線とバーガースベクトルが平行な転位です。結晶面が螺旋状にずれた構造をしています。
3. 混合転位: 刃状転位と螺旋転位の両方の性質を併せ持つ転位です。転位線とバーガースベクトルは、垂直でも平行でもありません。

転位の性質とエネルギー

転位は結晶内部で端点を持つことができず、ループ状になったり、端点が結晶表面に現れたりする必要があります。また、転位の周囲には弾性ひずみ場が存在し、エネルギー的に高い状態にあります。そのため、転位線には自身の長さを短くしようとする張力が働きます。このエネルギーは、バーガースベクトルと材料の剛性率を用いて計算することができます。転位間の相互作用も、このエネルギーによって生じます。例えば、符号の異なる2つの刃状転位間には引力が働きます。

転位密度と材料強度

単位体積あたりの転位線の長さ（転位密度）は、材料の強度と密接に関係しています。焼きなまし状態の金属では、転位密度は比較的低く、塑性加工によって高くなります。転位密度が高いほど、転位同士の相互作用が強くなり、転位の動きが阻害されるため、材料の強度は増加します。

転位と材料のせん断強度

1930年代、オロワンは材料の理論的せん断強度を計算しました。しかし、この理論値は、実際のせん断強度よりもはるかに大きな値を示しました。この矛盾は、転位の概念を導入することで解決されました。転位による塑性変形を考慮することで、実際のせん断強度をより正確に予測することが可能になります。この修正されたせん断強度は、パイエルス・ナバロ応力と呼ばれています。

転位の運動と増殖

転位は結晶内を自由に移動できるわけではなく、結晶構造や原子配列によってその動きが制限されます。転位は、転位線とバーガースベクトルを含む平面（すべり面）内を移動します。刃状転位や混合転位ではすべり面が一意的に決まりますが、螺旋転位では転位線を含む任意の平面がすべり面となり得ます。転位の運動や増殖機構の解明は、材料の強度や変形挙動を制御する上で非常に重要です。

まとめ

転位は、材料の強度や変形挙動を決定する重要な因子です。転位の性質や挙動を理解することは、より強く、より耐久性のある材料を設計する上で不可欠です。今後の研究開発においても、転位に関する知見はますます重要性を増していくでしょう。

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