金属の延性（展延性）完全解説：金属が曲がり形を変える仕組み

材料を叩いたり圧延したりして薄い板状にできる能力は、延性（展延性）の古典的な指標です。非金属にはこの特性がありません。ハンマーで叩いたとき、延性のある金属は砕けずに様々な形に曲がりねじれますが、延性のない金属は破片となって砕け散ります。金、鉄、アルミニウム、銅、銀、鉛などが延性のある金属の例です。

この記事では、以下の疑問にお答えしながら、金属の延性について理解を深めます。

• 延性（展延性）とは？
• 延性のある金属の例は？
• 延性はどう働くのか？
• 非金属に延性はあるか？
• 延性と展伸性（延性）の違いは？
• 延性と硬度の関係は？
• 温度が延性に与える影響は？
• 合金化が延性に与える影響は？
• 延性の測定方法は？

延性（展延性）とは？

金属が叩かれたり、潰されたり、圧延されたりして薄い板状になる際、破断せずに変形して新しい形状をとる能力を延性（展延性）と呼びます。言い換えれば、圧縮応力を受けた際に金属が変形し、新しい形状をとる能力です。金属が破断せずに耐えられる圧力（圧縮応力）の大きさが、延性の尺度となります。金属ごとに異なる結晶構造を持つため、延性に違いが生じます。

延性のある材料からは金属箔を作れます。金箔は金属箔のよく知られた例です。延性の高い金属の多くは展伸性（引っ張って線状にできる性質）も高い傾向があります。ただし、鉛のように延性は高いが展伸性は低い例外もあります。延性は物質、主に金属の物理的特性です。現代の周期表では、通常1〜12族の元素にこの特性が見られます。

金属の延性は、家電および自動車産業で極めて重要です。この特性は、冷蔵庫、電子レンジ、オーブンの製造や、平らな金属製品・曲面金属製品の製造に役立ちます。

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延性のある金属の例

分子レベルでは、延性のある金属の原子が圧縮応力を受けると、金属結合を切断することなく互いに滑り合って新しい位置に移動します。延性のある金属に大きな応力がかかると、原子が互いに滑り合い、新しい位置に永久的に留まります。延性のある金属の例：金、銀、鉄、アルミニウム、銅、スズ、インジウム、リチウム。これらの金属から作られる材料（金箔、リチウム箔、インジウムショットなど）も延性を持ちます。

金と銀は非常に延性の高い金属です。熱した鉄を叩くと、板状の形状になります。非金属にはこの特性がありません。延性のない金属はハンマーで叩くと砕けます。延性のある金属は曲がりねじれて様々な形になります。亜鉛は100〜200℃で延性を示しますが、より高温では脆くなります。

延性の仕組み

金属が曲げられるのは、その結晶構造によるものです。密充填結晶構造［六方最密充填（hcp）または面心立方（fcc）］は、体心立方（bcc）のような開いた構造よりも柔軟です。

例えば、金、銀、マグネシウムは、バナジウムやクロムよりも延性が高いです。密充填構造では原子が積み重なった平らなシートのように配列しており、応力下で面が互いに滑りやすくなっています。一方、体心立方構造は波板のような構造で、滑りにくいです。

ただし、温度、不純物、その他の条件により、金属は異なる挙動を示します。したがって、特定の元素や合金の延性は、その環境によって決まります。

非金属に延性はあるか？

一般に非金属元素は延性を持ちません。ただし、いくつかの例外があります。特定の同素体は加工可能です。硫黄の可塑性同素体が一例です。非金属元素自体は延性を持ちませんが、一部の非金属ポリマーは延性を持ちます。例えば、一部のプラスチックは延性があります。

延性と展伸性の違い

延性が圧縮下での変形能力を指すのに対し、展伸性（ ductility ）は金属が損傷なく引き伸ばせる能力を指します。銅は展伸性（線材に引き伸ばせる）と延性（形状に曲げられる・板に圧延できる）の両方を持つ金属の例です。

ほとんどの延性金属は展伸性もありますが、この2つの性質が常に相関するわけではありません。鉛とスズは低温では延性も展伸性もありますが、融点近くの高温では次第に脆くなります。一方、金属を加熱すると一般的に延性は高まります。これは温度が金属の結晶粒に影響を与えるためです。

展伸性と延性は常に同義ではありません。例えば金は両方を持ちますが、鉛は延性のみです。金属が破断せずに耐えられる圧力（圧縮応力）の大きさで、この物理的特性を通常測定します。金属の物理的特性は、結晶構造の違いによって影響を受けます。

延性と硬度

アンチモンやビスマスのような硬い金属は、より複雑な結晶構造を持つため、原子を破断させずに新しい位置に押し込むのが困難です。これは、金属の原子列が整列していないためです。言い換えれば、粒界（原子がそれほど強く結合していない領域）が多いということです。金属は粒界付近で破断しやすい傾向があります。したがって、粒界が多いほど、金属は硬く、脆く、延性が低くなります。

原子がそれほど強く結合していない粒界付近で金属は破断しやすいです。したがって、粒界が多いと硬くなります。一方、粒界が少ないと、脆くなり延性が低下します。高温が結晶粒に与える影響により、ほとんどの金属は加熱するとより曲げやすくなります。

温度が延性に与える影響

ほとんどの金属では、温度上昇に伴い粒界の数が減少し、延性が増大します。したがって、熱処理により、常温では延性のない金属を延性のある状態にできる場合があります。例えば、亜鉛は300°F（約150℃）以上に加熱されるまで脆いですが、この温度以上では板状に圧延可能になります。

合金化が延性に与える影響

合金化も延性を制御する手段の1つです。例えば、黄銅（真鍮）は、構成金属である銅や亜鉛よりも延性が低いです。14金（K14）やスターリングシルバーは、金や銀を硬化させ、延性を低下させる合金です。

延性の測定方法

延性は2つの方法で測定できます。1つ目は、材料が破断する前に耐えられる圧力または圧縮応力の大きさを測定する方法です。2つ目は、金属板が破断する前にどこまで薄くできるかを測定する方法です。

まとめ

延性のある金属は、引き延ばし・圧延が可能で、薄板金属で一般的です。非金属を延性加工しようとすると砕ける可能性があります。ただし、金箔も延性材料と見なされます。ほとんどの延性金属は展伸性もありますが、この2性質が常に相関するわけではありません。

この記事では、以下の疑問について解説しました。

• 延性（展延性）とは？
• 延性のある金属の例は？
• 延性はどう働くのか？
• 非金属に延性はあるか？
• 延性と展伸性の違いは？
• 延性と硬度の関係は？
• 温度が延性に与える影響は？
• 合金化が延性に与える影響は？
• 延性の測定方法は？

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