加工硬化｜結晶が引き伸ばされることで材料の硬度が高くなる

加工硬化

加工硬化(加工ひずみ)とは、材料を加工するとき、材料に大きな力がかかり、結晶が引き伸ばされることで材料の硬度が高くなる。ある程度引き伸ばされると、それ以上は変形しにくくなり、強さと硬さが増す。ただし、脆弱性が高くなりもろくなるため、焼きなましなどの熱処理を施し、それを取り除くことがある。

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塑性変形とは、一度変形すると元に戻らない変形のことをいい、塑性変形内で起こる。塑性変形は、金属の結晶にすべりを与えることになるため、塑性変形を繰り返すに伴い、結晶が不均一な分布となる。この不均一な分布が起ると、外部から変形を起こそうとする力に対して、それを阻害しようとすることで加工硬化が起る。

加工硬化が起ると硬度が上がるが、脆くなるというデメリットがある。針金を何度も繰り返して曲げると、結晶の引伸ばしが起こり、硬度が上がるとともに脆くなるため、いずれ折れる。

加工硬化を利用した加工は、切削加工、転造加工、板金加工、ショットピーニング、焼ならしがある。

切削加工においても、切れ刃が工作物を削り取る際に加工硬化が生じており、工作物の加工表面も切りくずも硬くなる。

転造加工で作られた部品は、加工硬化により硬度は高くなる。一般に転造加工で作られたねじなどは切削加工で作られたねじよりも硬度が高いとされている。

板金加工は、薄板をプレスして、曲げることで任意の形に作る加工方法であるが、曲げる回数が多ければ多いほど、加工硬化を起こすため、それを利用して剛性を上げる。

ショットピーニングは、無数の鉄や非鉄金属を表面に高速で衝突させることで加工硬化を起こし、耐摩耗性や疲労破壊を防ぐことができる。硬度は上がるが、表面の状態は荒れる。

加工硬化が起ると、応力が溜まる。そのため、

焼ならしとは、塑性加工によって加工硬化を起こした金属に対し、その影響を除去する熱処理である。強さと靭性が改善される。

素材によって加工硬化が起こりやすい素材や起こりにくい素材がある。

オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工により変形部分がマルテンサイト化し、加工硬化を起こす。

すず（Sn）は、常温以下で再結晶を起こすため、あまり加工硬化しない。

アルミニウム合金は加工硬化の影響を受けやすいため、加工硬化の有無で硬度をコントロールしている。F（加工硬化のしていないもの）、O（焼きなましによって加工硬化を取り除いたもの）、H（加工硬化によって強さを増したもの）と区別している。