延性（展延性）を理解する：重要性と優れた材料

延性（展延性）は、材料が破断することなく引き伸ばされ、細い線や糸に引き出せる能力を記述する重要な特性です。主に金属に関連する特性で、原子結合と結晶構造によって決まります。高延性金属は典型的に金属結合を持ち、原子が構造を破壊せずに互いに滑り移動できることを可能にします。高延性はワイヤーやケーブルなどの用途で不可欠ですが、低延性は材料を脆くし、変形前に破断しやすくします。

本記事では、延性の概要、重要性、計算方法、延性材料の例を提供します。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議論します。

延性とは？

延性は、材料が破断することなく引き伸ばされ、引き出され、細い線や糸にできる能力を記述する材料の物理的特性です。応力下で材料が破断する前にどれだけ変形または伸長できるかの尺度です。延性は主に金属に関連する特性です。金属では原子間に金属結合が形成されます。これは各原子からの電子が金属格子を自由に流れられることを意味します。この特性により、金属原子が互いに滑り移動でき、金属を破断せずに引き伸ばすことができます。

金属の延性は、電子数だけでなく、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、面心立方構造（FCC）を持つ金、銅、アルミニウムなどです。一般に、最も延性の高い金属は、容易な原子移動を可能にする金属結合を持つものです。金属の延性は温度上昇とともに一定点まで増加しますが、過度の加熱は材料を弱めたり、延性を低下させる相変態を引き起こしたりします。

延性材料の例

金、銀、銅を含む大多数の金属は延性材料の優れた例であり、一方非金属は一般的に延性ではありません。しかし、タングステンと高炭素鋼は、室温で脆性を示すため高延性ではない金属の例です。

最も延性の高い金属

最も延性の高い天然金属は金、白金、銀で、其中金が最も延性です。これら3つはすべて微細なワイヤーに引き伸ばせ、ジュエリーと電気用途に使用されます。銅も非常に延性が高く、電気配線によく使用されます。

高延性が意味するもの

高い延性を持つ材料は、破断するよりも塑性変形しやすいです。高強度と高延性を持つ材料は、低強度・低延性材料よりもタフ（靭性が高い）です。脆性材料は制限されたひずみ値を持つため、強度があっても靭性に欠け、応力下で突然破断しやすいです。

低延性が意味するもの

低延性材料はより脆く、引張力を受けたときに最小限の塑性変形で破断・破壊します。

延性の計算方法

延性は伸び率（図1参照）のパーセンテージ、または場合によっては断面積減少率のパーセンテージとして報告されます。以下の式で延性を計算できます：

伸び率パーセンテージと断面積減少率パーセンテージの両方が、材料の延性を示す尺度です。伸び率パーセンテージ単独では絶対的な尺度ではありません。伸びは均一ではなく、破断箇所で最も極端になります。最も狭い断面で測定される断面積減少率パーセンテージの方が、延性のより良い尺度です。

延性試験とは？

延性試験は、試験片が破断する前の塑性変形能力を測定する貴重で実用的なアプローチを提供します。幅広い材料に使用し、各材料がどこで曲がり、どこで破断するかを発見できます。簡単に言えば、試験片が破断するまでどれだけ伸ばせるかの測定です。

延性試験（引張試験）を実施する際、試験片は一方向の引張応力下に置かれます。材料が降伏し、ネッキング（絞り）し、または破断する瞬間が記録されます。シンプルな試験では、試験片を万能試験機（UTM）にクランプするか、二つのアンビルの間に挟みます。

延性に影響を与える要因

延性は主に以下の3つの主要因子によって影響を受けます：

1. 組成

材料の組成は複数の方法で延性に影響します。例えば、不純物や合金元素を金属に添加するとミクロ構造が変化し、それが延性に影響を与えます。不純物の存在は材料に欠陥と介在物を生じさせ、応力集中点となり早期破断を招く可能性があります。一方、合金元素は粒径、テクスチャ、強度を変化させ、延性に大きな影響を与える可能性があります。

2. 粒径

粒径は粒界の相対的数によって延性に影響します。微細な粒径はより多くの粒界を意味し、延性は低下しますが強度と硬度は増加します。粗い粒径はより少ない粒界を意味し、延性は増加しますが強度と硬度は低下します。

3. 結晶構造

材料の延性に影響を与えるもう一つの重要な要因は結晶構造です。金属などの結晶構造を持つ材料は、組成によって異なる結晶構造を示す可能性があり、それが延性に影響します。

例えば、面心立方構造（FCC）を持つアルミニウムや銅などの材料は、体心立方構造（BCC）や六方最密充填構造（HCP）を持つ材料より延性が高い傾向があります。

Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学のB.Eng Honorsを取得し、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなど大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

Dean McClementsの他の記事を読む