延性を理解する:なぜそれが重要なのか、そしてどの材料が優れているのか

延性は、細いワイヤーや糸を破損することなく引き伸ばしたり、引っ張ったり、引き抜いたりする材料の能力を表す重要な特性です。これは主に金属に関連する特性であり、原子結合と結晶構造によって決まります。   延性の高い金属には通常、金属結合があり、構造を破壊することなく原子が互いに滑り抜けることができます。ワイヤやケーブルなどの用途では高い延性が不可欠ですが、延性が低いと材料が脆くなり、変形する前に破損する可能性が高くなります。

この記事では、延性の概要、その重要性、延性の計算方法、延性材料の例について説明します。また、化学組成、粒径、温度など、延性に影響を与える要因についても説明します。

延性とは何ですか?

延性とは、材料の物理的特性であり、破断することなく細いワイヤーや糸を引き伸ばしたり、引っ張ったり、引き抜いたりする能力を表します。これは、材料が応力下で破壊される前にどの程度変形または伸長できるかを示す尺度です。延性は通常、主に金属に関連する特性です。金属結合は金属の原子間に形成されます。これは、各原子からの電子が金属格子を自由に流れることができることを意味します。また、この特性により、金属の原子が互いにすり抜けて通過することができるため、金属を破損することなく伸ばすことができます。

金属の延性は、電子の数だけではなく、その結晶構造、粒径、温度によって決まります。最も延性の高い金属は、金、銅、アルミニウムなどの面心立方 (FCC) 構造を持つ金属です。  一般に、最も延性の高い金属は、原子の移動を容易にする金属結合を有する金属です。金属の延性は、特定の温度までは温度とともに増加しますが、過度の加熱により材料が弱くなったり、延性が低下する相変化が発生したりする可能性があります。

延性材料の例は何ですか?

金、銀、銅などの金属の大部分は延性材料の優れた例ですが、非金属は一般に延性がありません。ただし、タングステンと高炭素鋼は、室温では脆い性質があるため延性が高くない金属の 2 つの例です。

最も延性の高い金属は何ですか?

最も延性の高い天然金属は金、プラチナ、銀であり、金が最も延性が高いです。 3 つすべてを細いワイヤーに伸ばすことができ、宝飾品や電気用途に使用できます。銅も非常に延性の高い金属であり、電線によく使用されます。

高い延性とは何を意味しますか?

延性の高い材料は、破損するよりも塑性変形する可能性が高くなります。強度と延性が高い材料は、強度と延性が低い材料に比べて靭性が高くなります。脆性材料にはひずみ値が制限されているため、強度は高くても靭性に欠け、応力がかかると突然破損する傾向があります。

延性が低いとはどういう意味ですか?

延性が低い材料はより脆く、引張力が加わった場合、最小限の塑性変形で破損または破損します。

延性の計算方法

延性は伸びのパーセンテージ (以下の図 1 を参照) として報告されるか、場合によっては面積減少のパーセンテージとして報告されます。次の式を使用して延性を計算できます。

伸び率と面積減少率は両方とも、材料の延性を示す尺度です。伸び率はそれ自体が絶対的な尺度ではありません。伸びは均一ではなく、骨折箇所で最も大きくなります。最も狭い断面で測定される面積の減少率は、延性のより適切な尺度です。

延性試験とは何ですか?

延性の試験は、破断する前の試験片の塑性変形能力を測定するための貴重で実用的なアプローチを提供します。さまざまな材料に使用して、各材料が曲がったり破損したりする場所を見つけることができます。簡単に言うと、サンプルが壊れる前にどこまで伸ばせるかを測定するものです。

延性試験（引張試験）を行う場合、試験片には一方向の引張応力がかかります。材料が降伏、ネック、または破壊を開始する瞬間が記録されます。単純な試験では、試験片を万能試験機 (UTM) 内に固定するか、2 つのアンビルの間に固定します。

延性に影響を与える要因は何ですか?

延性は、以下で説明するように、主に 3 つの重要な要素によって影響されます。

1.構成

材料の組成は、さまざまな形で延性に影響を与える可能性があります。たとえば、金属に不純物や合金元素を追加すると、その微細構造が変化し、延性に影響を与える可能性があります。不純物の存在により、材料に欠陥や介在物が発生し、応力集中源として機能し、早期破壊につながる可能性があります。一方、合金元素は材料の粒径、組織、強度を変える可能性があり、延性に大きな影響を与える可能性があります。

2.粒度

結晶粒界の数が比較的多いため、結晶粒サイズは延性に影響します。粒径が小さくなると、粒界の数が多くなり、延性が低下しますが、強度と硬度が増加します。粒径が大きくなると、粒界が減り、延性が増加しますが、強度と硬度は低下します。

3.細胞構造

材料の延性に影響を与えるもう 1 つの重要な要素は、その結晶構造です。金属などの結晶構造を持つ材料は、その組成に応じて異なる結晶構造を示すことがあり、それが延性に影響を与える可能性があります。 

たとえば、アルミニウムや銅などの面心立方晶 (FCC) 結晶構造を持つ材料は、体心立方晶 (BCC) または六方最密充填 (HCP) 結晶構造を持つ材料よりも延性が高い傾向があります。

ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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