機械工学/機械材料

出典: フリー教科書『ウィキブックス(Wikibooks)』
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この解説書は翻訳であり、ドイツ版ウィキブックスの記事『Werkstoffkunde Metall/ Innerer Aufbau/ Gitterfehler』などを引用元として抜粋した、翻訳の文書です。

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執筆の方針についての議論などは、詳しくは「議論」ページを利用したいと思います。

以下、教科書の本文です。


理想から現実の結晶へ


選択的な欠陥
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空孔[編集]

スペースは非正規格子サイト占有されている。理論的には、全ての格子サイトは絶対零度である0 Kの温度でのみ占有することができる。温度の上昇とともに、原子の振動が増加(ブラウン運動、Brownsche Molekularbewegung)し、その結果、この振幅の半径の衝突過程に起因して、より多くの原子はその場所に維持できない。

– 空孔の濃度は温度と共に指数関数的に増加する。 –


空孔濃度は急速冷却により "凍結"することができます。結果として、材料は、通常の冷却速度よりもはるかに柔らかくなる。


格子間原子[編集]

水素原子は、しばしば不純物として格子間にあり、水素脆化(すいそぜいか、Wasserstoffversprödung)につながっている。また、格子間の炭素は、鋼の製造における重要な因子である。


侵入型固溶体
Einlagerungs MK kfz.png
Einlagerungs MK krz.png

置換[編集]

格子における、格子点の原子は、他の原子に置き換えられる場合がある。(置換、substitution):
  • 原子半径の最大の違い。 14 %
  • 同じ格子型 。
  • 低化学親和性。(理想的には)けっして共有結合やイオンが発生しない。
成分の分布は、合金の組成に対応し、ほぼランダムである。:


置換型固溶体
Austausch MK kfz.png
Austausch MK krz.png
  • 短距離秩序 Nahordnung:化合物の極性に起因するいくつかの化合物の共有結合性の挙動、規則的な構造である。
  • クラスタリング Clusterbildung:所定の温度で、(B)の含有量は溶解度 (A) を超えたとき成分の局所的な蓄積(B)が発生する。これらは、特にアルミニウムに大きな役割を果たす。


線状欠陥/転位
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背景[編集]

私たちは最初の結晶の理論強度を考えてみましょう。しかし、せん断(せんだん)強度、みなし表面に平行に作用する力に対する抵抗 - 私たちは、引張強さ(引張応力が格子面効果の純粋分離になる)を考慮していない。すなわち、互いに格子面に対して移動することができる力を、加える。


せん断(Scherung)の原理。

以下のせん断応力を計算する方程式が適用されます。:



- せん断応力(N/mm²) Schubspannung 、 G – せん断弾性係数(N/mm²)Schubmodul 、 – 長さの変化 、 -せん断ひずみ

 Dehnung .

微視的なレベルでは、個々の原子の層が互いにずれていることで、せん断応力が発生します。



  • 臨界せん断応力 kritische Schubspannung: .


これらを考慮せん断応力の式における格子定数をとることによって計算することができる。:

しかし、結果の値は理論的である - それのごく一部に実験的に検出可能な値の量:

Material (N/mm²) (N/mm²) (%) (N/mm²)
Ag 1000 0,37 0,037 20
Al 900 0,78 0,087 30
Cu 1400 0,49 0,035 51
Ni 2600 3,2 0,123 121
-Fe 2600 27,5 1,058 150


これは注目に値する、その実験的に証明された理論、せん断'理論'より、数百倍から数千倍は小さい。次のように結論付けることができる。この変形は、けっして原子層の層全体のスライディングではなく、層の一部による塑性変形が引き起こされてる示唆している。この運動では、特殊な格子ひずみが関与している- 転位(てんい、versetzung )である。


特に純粋な金属は、転位が主に妨害されずに小さな力で滑ることができる - 大きな加工変形性とその低強度によって説明することができる。

不純物、結晶粒界などの格子欠陥は転位の動きを妨げ、それらは互いに干渉する。


転位密度[編集]

転位は避けられない欠陥と不純物の通りです。それらは、熱応力による溶融物からの材料の冷却中に形成される。遅い冷却は、少ない転位密度をとります。対照的に、塑性加工性を増加させる。転位密度(Versetzungsdichte)は、ギリシャ文字 ρ (rho) で与えられる。上述したように、転位がその滑り運動において、たがいに干渉し - 強度が転位密度の平方根に比例して増加する。:

転位の考え方は、ここで説明したようにモデルである。構造内の応力が、本当の原因である。


TEM micrograph dislocations precipitate stainless steel 1.jpg Silicon dislocation orientation 111 mag 500x.png TEM micrograph dislocations precipitate stainless steel 2.jpg
TEM 1 Versetzungen in Silizium, geätzt
500-fach vergrößert mit Interferenz-Lichtmikroskop
TEM 2

刃状転位[編集]

刃状転位(Stufenversetzungen)は挿入格子面によって形成される。このレベルが終了するエッジは、転位線(てんいせん)と呼ばれる。周囲の格子は、高い応力下にあるので、このラインの周りの歪み場は、非常にエネルギッシュです。

転位は、二つの重要なパラメータで記述することができます:転位線自体は、その場所、その長さ、などからなる-バーガース・ベクトル (W. G. Burgers にちなんで名付けられた)で記述される。


私たちは、この次の思考実験の操作を行います。:
  • Mit etwas Abstand zur Versetzung ziehen wir eine Verbindung zwischen den Atomen, sodass ein geschlossener Umlauf entsteht.
  • Dies ist der Burgers-Umlauf, dargestellt durch die gestrichelte Linie
  • Nun übertragen wir den Umlauf auf ein ungestörtes Gitter
  • Anfangs- und Endpunkt des Umlauf sind verschieden.
  • Die Verbindung, die nötig ist, um den Umlauf zu schließen, ist der Burgersvektor .

Wie jeder Vektor ist auch der Burgersvektor durch seine Richtung und seinen Betrag bestimmt.

  • Liegt der Burgersvektor senkrecht zur Versetzungslinie, so handelt es sich um eine Stufenversetzung.
  • Die Versetzungslinie liegt quer zur angreifenden Schubspannung
Burgers vektor.svg

らせん転位[編集]

らせん転位は、次のような転位線である。
  • せん断応力と平行に定義され
  • バーガース・ベクトルに平行
Dislocation hélicoïdale.png
Burgersvektor einer Schraubenversetzung Der Burgersumlauf verläuft
wie bei einer Schraube
spiralförmig um die Versetzungslinie.


エッジの刃状転位と、スクリューの らせん転位(Schraubenversetzungen)は、転位の基本的なタイプです。
転位線が自分の場所を変更することができるので、エッジとスクリューの転位の間に、すべての可能な中間的な形態が可能である。

フランクリード機構について[編集]