冷間加工：再結晶以下の変形による鋼の強化
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定義と基本概念
冷間加工とは、金属の再結晶温度以下、通常は室温での塑性変形を指します。このプロセスは、金属部品の形状を変更し、同時にひずみ硬化を通じて機械的特性を修正します。
冷間加工は、強度と硬度を高める一方で、通常は延性を低下させる基本的な金属成形技術を表します。このプロセスは、熱的支援なしに制御された変形を生み出し、熱間加工プロセスとは異なります。
冶金学において、冷間加工は強化メカニズムおよび成形技術として重要な位置を占めています。これは、材料科学の原則と製造プロセスを橋渡しし、エンジニアが機械的特性を操作しながら望ましい部品の形状を達成できるようにします。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
微細構造レベルでは、冷間加工は金属の結晶格子に不完全格子欠陥である転位を導入します。これらの転位は変形中に増殖し相互作用し、さらなる転位の移動を妨げる絡み合いを作り出します。
転位密度の増加は、塑性流動に対する障壁を作り出し、変形を続けるためには徐々に高い応力が必要になります。この現象は、作業硬化またはひずみ硬化として知られ、材料の機械的挙動を根本的に変化させ、降伏強度を増加させます。
冷間加工はまた、粒構造を歪め、好ましい方向（テクスチャリング）を作り出し、加工方向に沿って粒を延長します。これらの微細構造の変化は、完成した部品における機械的異方性と特性の方向性に直接影響を与えます。
理論モデル
Taylor転位モデルは、冷間加工の影響を理解するための主要な理論的枠組みを提供します。このモデルは、材料の強度を転位密度に関連付け、降伏強度と転位密度の平方根との相関を示す方程式を用います。
歴史的な理解は、18世紀の経験的観察から20世紀初頭の科学的説明へと進化しました。重要な進展は、Taylorの転位理論に関する研究（1934年）や、転位を可視化する透過型電子顕微鏡によるものです。
代替アプローチには、粒界効果に焦点を当てたHall-Petch関係や、小規模変形におけるサイズ効果を考慮したさまざまなひずみ勾配塑性理論が含まれます。各モデルは、複雑な冷間加工現象の異なる側面に対処しています。
材料科学の基盤
冷間加工は、格子の歪みを導入し、転位密度を増加させることによって結晶構造に直接影響を与えます。これらの転位は粒界と相互作用し、機械的挙動に影響を与える複雑なひずみ場を作り出します。
このプロセスは、等方的な粒構造を方向性のある微細構造に変換します。この変形は、特定の結晶面が好ましく整列する結晶学的テクスチャリングを生み出し、異方性の材料特性をもたらします。
冷間加工は、結晶塑性、欠陥理論、微細構造と特性の関係など、基本的な材料科学の原則に関連しています。これは、制御された欠陥の導入が特定の材料特性を設計するために利用できることを示しています。
数学的表現と計算方法
基本定義式
冷間加工の程度は、パーセント冷間加工の式によって定量化されます：
$$\% CW = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100\%$$
ここで、$A_0$は初期断面積を、$A_f$は変形後の最終断面積を表します。
関連計算式
降伏強度と冷間加工のパーセントの関係は、次のように近似できます：
$$\sigma_y = \sigma_0 + K\varepsilon^n$$
ここで、$\sigma_y$は冷間加工後の降伏強度、$\sigma_0$は初期降伏強度、$K$は強度係数、$\varepsilon$は真ひずみ、$n$はひずみ硬化指数です。
この式は、エンジニアが変形量に基づいて強度の増加を予測するのを可能にします。設計目的のために、真ひずみ$\varepsilon$は冷間加工のパーセントから計算できます：$\varepsilon = \ln(1/(1-\%CW/100))$。
適用条件と制限
これらの式は、主に一軸荷重条件下での均一な変形に適用されます。複雑な応力状態や厳しい変形経路では、精度が低下します。
モデルは、等温条件と再結晶温度以下の変形を仮定しています。高温または長時間の影響下では、回復および再結晶プロセスが冷間加工の効果を低下させる可能性があります。
これらの関係は、通常、変形前の等方的材料を仮定します。既存のテクスチャ、包含物、または不均一性は、冷間加工の応答を大きく変化させ、数学モデルの精度を制限する可能性があります。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
ASTM E8/E8M：金属材料の引張試験の標準試験方法—冷間加工に影響を受ける引張特性を決定する手順を提供します。
ASTM E18：金属材料のロックウェル硬度の標準試験方法—冷間加工による硬度変化を測定する技術を提供します。
ISO 6892-1：金属材料 — 引張試験 — 第1部：室温での試験方法—冷間加工された材料特性を評価するための国際標準を確立します。
試験機器と原則
万能試験機は、引張強度、最終引張強度、伸びを含む引張特性を測定するために、エクステンソメーターを装備しています。これらのシステムは、制御された荷重を適用しながら、正確に変位を測定します。
硬度試験機（ロックウェル、ビッカース、ブリネル）は、押し込みに対する抵抗を定量化し、冷間加工の影響を迅速に評価します。これらの装置は、特定のインデンターを通じて標準化された力を適用し、結果として生じる印象を測定します。
X線回折装置は、冷間加工によって誘発された結晶学的テクスチャリングと残留応力を分析します。この技術は、変形によって生じた原子平面間隔の変化と好ましい方向を測定します。
サンプル要件
標準引張試験片は、