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加工硬化とは？ヤング率の変化と降伏応力の増加
- 加工硬化とは、鉄鋼やステンレス鋼を曲げ加工する際に、材料のヤング率が高まる現象です。
- 一般的に、ヤング率とは材料の弾性変形能力を示す指標であり、鋼材が硬くなることを意味します。
- 加工硬化により、材料の降伏応力が増加し、強度が向上します。
- 金属
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加工硬化：ひずみ硬化ともいい、ほとんどの金属がこの性質を有している。 金属に応力を与えると結晶の格子欠陥である転位という部分がすべり、 そのすべり面に対しての抵抗がだんだん増してくる。そしてその抵抗が ある程度大きくなると他の面に順次移っていき塑性変形が起こるわけで す。 冷間加工により塑性変形が進めば進むほど抵抗が大きくなり金属は 硬さを増しながら脆くなっていき、降伏点についても上昇して行きます。 これが加工硬化現象です。 つまり結晶レベルの変化であり、分子レベルのＥを替えるような変化 ではありません。 ヤング率：研究者による諸説あるので、仮に結晶の原子間距離の変化に対する 抵抗力がヤング率kgf/mm2（以下Ｅと略す）としましょう。 つまり原子間の凝集力が弾性的性質をきめることになります。 鉄の（E）は、21000kgf/mm2この値は100%ひずみの応力値を示している。 しかし実際の材料は1%も伸びないので、微少なひずみ量でＥが測定し ています。鉄の引張強さσBは、約６０kgf/mm2程度ですから、ヤング率 は３５０倍も大きい数値ということになります。 従って、Ｅは塑性変形や熱処理をしたときに発生する応力ぐらいで は変化しません。 熱処理などで、鉄の剛性が増すとヤング率まで変化したと勘違いして いる人がいますが、これは見かけの曲げ剛性が変化したにすぎません。 Ｅが唯一変化するのは、材料の温度が非常に高温になったときは変化 します。 Ｑ２：鉄鋼やステンレス鋼を曲げ加工した際に、ヤング率が高まる事はあるのでしょうか？ Ａ２：鉄やステンレスを曲げたときに加工硬化は、発生しますが、ヤング率は 前述の理由のように、変化しません。 鉄は数割の加工硬化を示しますが、オーステナイト系のステンレス鋼 では、硬さで３倍以上引っ張り強さで２～４倍も加工硬化するものが あります。 ステンレス容器などで、深絞りをした容器などは、ＨＶ４００以上の 硬さとなり、ハイスのドリルでは孔を開けることなど容易に出来なく なるくらいです。
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私も過去には貴方と同じ考えをもっていました。 が、いろいろ調べていくと根本的な間違いに気がつきます。 それはヤング率の定義に関してです。 ヤング率はあくまでも結晶単位で考えなければいけないと言うことです。 熱を加えて、硬化しても、（たとえば）銅は鉄にはなりませんよね。 鋼も同じです。 熱を加えると、構造が多結晶のため複雑化し硬化はしますが、結晶自体はほとんど変化しません。 （ここでほとんど変化しないと書いていますが、実際のところは熱を加えることにより結晶粒自体が成長し、大きな結晶粒になったりします。これがkobayashiさんが言われる、場合によってはヤング率は若干下がるにつながってきます。） つまり、ヤング率は熱を加えてもほとんど変わらないという結論になります。 ちなみに加工の仕方（単純な曲げ加工でも）によって、硬化の上昇や磁化の発生が起こることがあります。 参考になれば幸いです。 紛らわしい回答をしていますので、一部訂正します。 「熱を加えて、硬化しても、（たとえば）銅は鉄にはなりませんよね。」 訂正 「熱を加えても、（たとえば）銅は鉄にはなりませんよね。」
素人的な答えになりますが 簡単な例で説明したいのですが 針金を切断するのにﾍﾟﾝﾁ・ﾆｯﾊﾟ等 無い時、細い針金ならば何度も手で曲げて 切るでしょう。 その時少し熱くなり、 又、少し硬くなるでしょう これが加工硬化の 現象です。 要は、何か塑性変形（常温付近で）を起こさせてやれば 性質が変化する。 ｼｮｯﾄﾋﾟｰﾆﾝｸﾞとか切削性の落ちる刃物で削ったりした時 表面付近で加工硬化を起こします。
私も以前こちらの技術の森で、焼入れにてヤング率が高くなるでしょうか？と 質問した事があります。（下記ＵＲＬご参照下さい） それと、同じような事だと思われます。 確かに確かにオーステナイト系ステンレス等は、応力を与える事により加工硬化をおこし、硬くなっていくと思います。 しかしながら、硬くなる＝ヤング率が高くなる ではないようです。 確かに硬くなる事により永久変形（塑性変形）するまでの応力は高くなると思いますが、ヤング率はたわみとの関数ですので、あくまで弾性変形域でのたわみ量 は変わらない（場合によってはほんの少し下がる）という事で 加工硬化する事＝ヤング率高くなる ではないと思います。 それでは
お礼
いちおう事前に検索したのですが見つける事が出来ませんでしたので。 添付のURL、参考になりました。ありがとうございます。
加工硬化については下記ＵＲＬ参照 http://www.jfe-21st-cf.or.jp/jpn/chapter_3/3a_3.html ＞鉄鋼やステンレス鋼を曲げ加工した際に、ヤング率が高まる事はあるのでしょうか？ 無いです。 弾性率は、原子間結合力と原子配列により決まるもので、 曲げによって変わるものではありません。 ＜原子間結合力＞ 原子間結合の種類は、下記の1次結合と2次結合に分けられる。 1次結合・・・イオン結合、共有結合、金属結合 2次結合・・・ファンデルワールス結合、水素結合 多くの原子は実際には、２種類以上の結合によって結び付けられている。 セラミックス＝イオン結合＋共有結合 金属＝金属結合＋共有結合 以上の結合が組み合わされているものが原子間力であり、 この原子間力と原子間距離との関係が弾性率の一つの基準となる。 ＜原子配列＞ 原子の配列構造には、面心立方やさい密六方構造などがある。 ある材料はある温度にて特定の原子構造をもっている。 この配列の違いにより原子の配列密度が異なり、 原子間距離が異なることから、材料によって弾性率が異なる要因となる。 これは雪だまをきつくにぎると硬いのと同じ発想。 ＜弾性率＞ 上記のように弾性率Eは、原子間の結合力S0と原子間隔r0を用いて 次式のように求めることができる。 弾性率 E=S0/r0 ここでS0は材料がどのような結合でできているのかわかれば求められる。 またr0に関しても材料がどのような配列で結合しているのかわかれば 求めることができる。 また上式をフックの法則と考えることもできる。
お礼
弾性率は容易には変化しないんですね。ありがとうございます。
お礼
分子レベルでEは変わらないのですね。私は、降伏応力の変化をEの変化だと勘違いしてたようです。ありがとうございました。