チタンやステンレス鋼の粒子構造は部品の成形にどのような影響を与えますか?

ステンレス鋼の機械的挙動を支配する粒子構造を一層深く観察することで利点が得られます。 ゲッティイメージズ

ステンレス鋼とアルミニウム合金の選択は、多くの場合、強度、延性、伸び、硬度を中心に行われます。 これらの特性は、加えられた荷重に応じて金属の構成要素がどのように動作するかを示します。 これらは、原材料の限界を管理するための効果的な指標です。 つまり、壊れる前にどれだけ曲がるかということです。 原材料は、破損することなく成形プロセスに耐えることができなければなりません。

破壊的な引張試験と硬度試験は、機械的特性を決定するための信頼性が高く、コスト効率の高い方法となります。 ただし、原材料の厚さが試験片の寸法に制約を与え始めると、これらの試験は必ずしも信頼できるわけではありません。 平らな金属製品の引張試験は確かに依然として有用ですが、その機械的挙動を支配する粒子構造を一層深く観察することで利点が得られます。

金属は、粒子と呼ばれる微細な結晶の配列で構成されています。 それらは金属全体にランダムに分布しています。 鉄、クロム、ニッケル、マンガン、シリコン、炭素、窒素、リン、オーステナイト系ステンレス鋼の場合は硫黄などの合金元素の原子は、個々の粒子の構成要素です。 これらの原子は、共有電子によって格子に結合した金属イオンの固溶体を形成します。

合金の化学組成は、結晶構造と呼ばれる、粒子の熱力学的に好ましい原子の繰り返し配置を決定します。 1 つの繰り返し結晶構造を含む金属の均質な部分は、相と呼ばれる 1 つまたは複数の粒子を形成します。 合金の機械的特性は、合金内の結晶構造の関数です。 各相の粒子のサイズと配置も考慮されます。

粒子はどのように形成されるのでしょうか?

水の相はほとんどの人にとって馴染みのあるものです。 液体の水が凍ると固体の氷になります。 ただし、金属に関しては、固相は 1 つだけではありません。 特定の合金ファミリーは、その相にちなんで命名されています。 ステンレス鋼の中で、オーステナイト系 300 シリーズ合金は、焼きなましされると主にオーステナイトから構成されます。 ただし、400 シリーズ合金は、430 ステンレス鋼合金のフェライトまたは 410 および 420 ステンレス鋼合金のマルテンサイトのいずれかで構成されます。

チタン合金も同様です。 各合金グループの名前は、室温での主相 (アルファ、ベータ、または両方の混合) を示します。 アルファ合金、ニアアルファ合金、アルファベータ合金、ベータ合金、およびニアベータ合金があります。

液体金属が凝固すると、圧力、温度、化学組成が許す限り、熱力学的に好ましい相の固体粒子が沈殿します。 これは通常、寒い日に暖かい池の表面に氷の結晶ができるように、界面で発生します。 粒子が核生成すると、結晶構造は別の粒子に遭遇するまで 1 つの方向に成長します。 結晶構造の配向が異なるため、不整合な格子の交点に粒界が形成されます。 さまざまなサイズのルービック キューブの束を箱に入れることを想像してください。 各立方体は正方形の格子状に配置されていますが、すべて異なるランダムな方向に配置されます。 完全に凝固した金属加工物は、一見ランダムに配向した粒子の配列で構成されます。

粒子が形成されるたびに、線欠陥が発生する可能性があります。 これらの欠陥は、転位として知られる結晶構造の欠落部分です。 これらの転位とその後の粒子全体および粒子境界を横切る移動は、金属の延性の基礎です。

ワークピースの断面を取り付け、研削、研磨、エッチングして粒子構造を観察します。 均一かつ等軸である場合、光学顕微鏡で観察した微細構造は、ジグソーパズルのように見えます。 実際の粒子は立体的であり、ワーク断面の向きによって粒子の断面の見え方が異なります。