回収（冶金）

冶金学において、回復とは、金属または合金の変形した結晶粒が、結晶構造中の欠陥を除去または再配置することで、蓄積されたエネルギーを低減するプロセスです。これらの欠陥、主に転位は、材料の塑性変形によって導入され、材料の降伏強度を高める働きをします。回復は転位密度を低下させるため、通常、材料の強度の低下と延性の増加を伴います。そのため、回復は状況に応じて有益または有害と見なされる可能性があります。

回復は、再結晶と粒成長という類似のプロセスと関連しており、どちらも焼鈍の段階です。回復は再結晶と競合します。どちらも蓄積されたエネルギーによって駆動されるためです。しかし、回復は再結晶粒の核生成に必要な前提条件でもあると考えられています。転位の減少により電気伝導性が回復するため、このように呼ばれています。これにより欠陥のないチャネルが形成され、電子の平均自由行程が増加します。^[1]

意味

回復、再結晶、粒成長といった名称で呼ばれる物理的プロセスは、正確に区別することがしばしば困難である。Dohertyら（1998）は次のように述べている。

「著者らは、回復とは、変形した材料において高角粒界の移動なしに起こるすべての焼鈍プロセスとして定義できることに同意した。」

したがって、このプロセスは、高角粒界の広範な動きを特徴とする再結晶および粒成長とは区別できます。

変形中に回復が起こる場合（高温処理ではよくある状況）は「動的」回復と呼ばれ、加工後に起こる回復は「静的」回復と呼ばれます。主な違いは、動的回復では、蓄積されたエネルギーが回復プロセスによって減少する一方で、継続的に導入され続けることです。これは一種の動的平衡状態をもたらします。

プロセス

図1. 結晶格子中の刃状転位の配列の消滅と再編成

図2. 結晶格子中の刃状転位の消滅と再配置のアニメーション

変形した構造

大きく変形した金属には、主に「もつれ」や「森」に巻き込まれた膨大な数の転位が含まれます。積層欠陥エネルギーが低い金属では転位の動きが比較的困難であるため、変形後の転位分布はほぼランダムです。対照的に、積層欠陥エネルギーが中程度から高い金属（例えばアルミニウム）は、転位の粗いもつれがセル壁を構成するセル構造を形成する傾向があります。セル内部では、転位密度はそれに応じて低下します。

消滅

それぞれの転位はひずみ場と関連しており、これは材料の蓄積エネルギーにわずかながら有限の寄与をする。温度が上昇すると（典型的には絶対融点の3分の1未満）、転位は可動性を発揮し、滑り、交差滑り、そして登り滑りが可能になる。もし異符号の転位が2つ出会うと、それらは事実上打ち消し合い、蓄積エネルギーへの寄与は除去される。消滅が完全に起こると、1種類の転位のみが残る。

再配置

消滅後、残った転位は整列して配列することができ、蓄積エネルギーに対する個々の寄与は、それぞれのひずみ場の重なりによって減少する。最も単純なケースは、同一のバーガースベクトルを持つ刃状転位の配列である。この理想的なケースは、単一の滑り系で変形する単結晶を曲げることによって作り出すことができる（1949年にカーンが行った最初の実験）。刃状転位は、低角粒界の単純な例である傾斜境界に自ら再配置される。粒界理論では、境界の方位誤差が増加すると境界のエネルギーが増加するが、転位当たりのエネルギーは減少すると予測される。したがって、より少数の、より大きく方位誤差のある境界を生成する駆動力がある。大きく変形した多結晶材料の状況は、当然ながらより複雑である。異なるバーガースベクトルを持つ多数の転位が相互作用して、複雑な2次元ネットワークを形成することができる。

基礎構造の開発

前述のように、変形組織は多くの場合、転位の絡み合いからなる壁面を持つ3次元セル構造です。回復が進むにつれて、これらのセル壁は真の亜結晶粒組織へと変化します。これは、不要な転位が徐々に除去され、残りの転位が低角粒界に再配置されることで起こります。

亜結晶粒の形成に続いて亜結晶粒の粗大化が起こり、平均粒径は増大する一方で亜結晶粒の数は減少します。これにより粒界の総面積が減少し、材料に蓄積されたエネルギーも減少します。亜結晶粒の粗大化は、結晶粒成長と多くの共通点を持っています。

サブ構造が半径 R と境界エネルギー γ _sの球状サブグレインの配列に近似でき、蓄積されたエネルギーが均一で、境界にかかる力が均等に分散されている場合、駆動圧力 P は次のように表されます。

${\displaystyle P=-\alpha \;R{\frac {d}{dR}}\left({\frac {\gamma \;_{s}}{R}}\right)\,\!}$

γ _sは周囲の亜結晶粒の境界ミスオリエンテーションに依存するため、駆動圧力は一般に粗大化を通じて一定に保たれません。

参考文献

1. Callister, William D. (2007). 『材料科学と工学入門』 John Wiley & Sons, Inc. ISBN 9780471736967。

• RD Doherty; DA Hughes; FJ Humphreys; JJ Jonas; D Juul Jenson; ME Kassner; WE King; TR McNelley; HJ McQueen; AD Rollett (1997). 「再結晶化における最近の課題：レビュー」. Materials Science and Engineering . A238 : 219– 274.