降伏強度異常

材料科学において、降伏強度異常とは、降伏強度（すなわち、塑性降伏を開始するために必要な応力）が温度とともに増加する材料を指します。 [1] [2] [3]ほとんどの材料では、降伏強度は温度上昇とともに低下します。金属においては、この降伏強度の低下は転位運動 の熱活性化によるものであり、高温では塑性変形が容易になります。[4]

降伏強度異常とは、温度上昇に伴う材料の延性低下を指す場合もありますが、これもまた、ほとんどの材料とは逆の傾向です。延性異常は、降伏強度への異常な影響が温度上昇に伴う典型的な低下によって隠蔽される可能性があるため、より明確に現れることがあります。 [5]降伏強度または延性異常と相まって、一部の材料は、超音波減衰の最小値や電気伝導率の最大値など、他の温度依存特性において極値を示します。[6]

β-黄銅における降伏強度異常は、こうした現象の最も初期の発見の一つであり、[7]他のいくつかの規則金属間合金もこの効果を実証している。析出硬化型 超合金は、かなりの温度範囲にわたって降伏強度異常を示す。これらの材料では、降伏強度は室温から数百℃の間でほとんど変化しない。最終的に、最大降伏強度に達する。さらに高い温度では、降伏強度は低下し、最終的には融点に達して固体が液体に変化するとゼロになる。規則金属間化合物の場合、降伏強度のピーク温度は、絶対融点のおよそ50%である。[8]

メカニズム

熱活性化クロススリップ

L1 2構造を持つ多くの合金（Ni 3 Al、Ni 3 Ga、Ni 3 Ge、Ni 3 Siなど）は、降伏強度の異常を示します。 [9] L1 2構造は、面心立方結晶構造の派生です。これらの合金では、ピーク下の活性すべり系は⟨110⟩{111} ですが、高温での活性系は ⟨110⟩{010} です。これらの合金の硬化メカニズムは、(111) から (010)結晶面へのらせん転位の交差すべりです。[10]この交差すべりは熱的に活性化され、らせん転位は (010) 面で動きにくくなるため、温度が上昇して (010) 面のらせん転位が増えるにつれて材料が強化されます。同様のメカニズムが、降伏強度異常を示すいくつかのB2合金（例えば、 CuZn、FeCo、NiTi、CoHf、CoTi、CoZr）に対しても提案されている。[8]

Ni基超合金における降伏強度異常のメカニズムも同様である。[11]これらの合金では、らせん状超転位が熱活性化により{111}面から{100}面へ交差滑りを起こす。これにより、(111)[-101]滑り系上の残りの転位部分の運動が阻害される。また、温度が上昇すると交差滑りが増加するため、転位の運動がさらに阻害され、降伏強度が増加する。

粒界析出

金属炭化物によって強化された超合金では、炭化物粒子が粒界に優先的に形成され、高温下での粒界すべりが抑制されます。これにより降伏強度が増加し、降伏強度異常が生じます。[5]

空席活性化強化

FeAlはB2合金ですが、FeAlで観測された降伏強度異常は別のメカニズムによるものです。もし交差すべりがメカニズムであれば、降伏強度異常は熱活性化プロセスで予想されるように速度依存性を持つはずです。しかし、降伏強度異常は状態依存性、つまり材料の状態に依存する特性です。結果として、空孔活性化強化が最も広く受け入れられているメカニズムです。[12] FeAlの空孔形成エネルギーは低いため、高温ではFeAl中の空孔濃度が異常に高くなります（Fe-50Alの場合、1000℃で2.5%）。アルミニウムを多く含むFeAlまたは加熱によって形成される空孔は、アルミニウム空孔です。[13]

300K 程度の低温では、降伏強度は温度とともに低下するか、変化しない。中程度の温度（0.35～0.45 T m）では、空孔濃度の増加とともに降伏強度が増加することが観測されており、空孔誘導による強化メカニズムのさらなる証拠となっている。[13] [8]空孔濃度の増加による降伏強度の増加は、転位がすべり面上の空孔にピン留めされ、転位が湾曲する結果であると考えられている。次に、ピーク応力温度以上では、温度上昇により空孔の移動が容易になるため、空孔が移動できる。これらの温度では、空孔は転位の動きを妨げなくなり、むしろ上昇を助ける。空孔強化モデルでは、ピーク応力温度未満での強度の増加は、マクスウェル・ボルツマン統計を使用して推定された空孔濃度の 2 分の 1 に比例すると近似される。したがって、強度は と推定できる。ここで、 は空孔形成エネルギー、T は絶対温度である。ピーク応力温度を超えると、空孔が可動となり転位の運動を補助するため、拡散促進変形機構を用いて強度を説明できる。ピーク応力温度を超えると、降伏強度はひずみ速度に依存するため、ピーク降伏強度もひずみ速度に依存する。結果として、ひずみ速度の上昇に伴い、ピーク応力温度も上昇する。これは、ピーク応力温度以下の降伏強度が速度に依存する降伏強度異常とは異なることに注意されたい。ピーク降伏強度は、FeAl合金中のアルミニウム含有量にも依存する。アルミニウム含有量が増加すると、ピーク降伏強度はより低温で発生する。[8] e − E f / 2 け B T {\displaystyle e^{-E_{f}/2k_{B}T}} E f {\displaystyle E_{f}}

FeAl合金の降伏強度異常は、比較的低温（約400℃、約5日間）での低速焼鈍処理によって熱空孔が最小化されなければ、顕在化しない可能性がある。[14]さらに、降伏強度のピークはひずみ速度に依存するため、降伏強度異常が観測できないほど低い温度で発生するため、非常に低いひずみ速度を使用するシステムでは降伏強度異常は発生しない。さらに、空孔の形成には時間を要するため、降伏強度のピーク値は、材料がピーク応力温度に保持される時間に依存する。また、降伏強度のピーク値は結晶方位に依存しないことも判明している。[8]

他にも、L1 2と同様の交差滑り機構、ジョグでの移動度の低いセグメントへの転位の分解、転位のピン止め、クライムロック機構、および滑りベクトルの遷移などの機構が提案されている。滑りベクトルは <111> から <100> に遷移する。ピーク応力温度で、滑り系は <111> から <100> に変化する。この変化は、温度が上昇するにつれて摩擦機構により <111> での滑りがより困難になることの結果であると考えられている。すると、<100> 内の転位は比較的容易に動く。[15]別の機構では、空孔強化機構と転位分解が組み合わされている。Mn などの第三添加剤を加えた FeAl も降伏応力異常を示すことが示されている。ただし、FeAl とは対照的に、Fe 2 MnAl のピーク降伏強度またはピーク応力温度はひずみ速度に依存せず、そのため空孔活性化強化機構に従わない可能性がある。代わりに、秩序を強化するメカニズムが提案されている。[8]

アプリケーション

タービンとジェットエンジン

降伏強度異常は、高温で作動するガスタービンやジェットエンジンの設計に利用されており、使用される材料は、その主要な降伏強度とクリープ抵抗に基づいて選定されます。超合金は、鋼鉄や他の合金の能力をはるかに超える高温負荷に耐えることができ、より高い温度での運転を可能にするため、効率が向上します。[16]

原子炉

降伏強度異常を持つ材料は、高温機械的特性と優れた耐食性のために原子炉に使用されています。[5]

参考文献

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