サブバウンダリー構造（サブグレイン構造）：形成、特性および鋼の特性への影響
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定義と基本概念
サブバウンダリ構造、一般的にはサブグレイン構造と呼ばれるものは、単結晶粒内に低角度境界が存在することによって特徴づけられる微細構造的特徴です。これらの境界は、主な結晶粒をサブグレインと呼ばれる小さく、整合的に配向した領域に分割します。原子レベルでは、サブバウンダリは、結晶学的配向が周囲のマトリックスとわずかに異なる領域であり—通常は15°未満—、急激な境界ではなく、徐々にずれた配向をもたらします。
基本的に、サブバウンダリ構造は、塑性変形や熱処理中に結晶格子内の転位の再配置から生じます。転位壁や配列は低角度境界に整理され、元の結晶粒をほぼ整列した配向を持つサブグレインに分割します。この微細構造は、鋼の作業硬化、回復、再結晶のメカニズムにおいて重要な役割を果たします。
鋼の冶金学において、サブバウンダリ構造は、強度、延性、靭性などの機械的特性に影響を与えるため重要です。また、熱機械処理中の微細構造の進化の動力学を支配し、最終的な結晶粒のサイズと分布に影響を与えます。サブバウンダリ構造を理解することで、冶金学者は鋼の性能を最適化するために熱処理や変形プロセスを調整できます。
物理的性質と特徴
結晶学的構造
サブバウンダリは、隣接するサブグレイン間にわずかなずれを生じさせる特定の構成で配置された転位の配列で構成されています。これらの境界は主に低角度境界であり、約15°未満のずれによって特徴づけられ、通常は2°から10°の間です。
サブバウンダリを横切る原子の配置は大部分が整合的であり、結晶格子への干渉は最小限です。境界領域には、サブグレイン境界の定義的な特徴として機能する壁や配列に整理された高密度の転位が含まれています。サブグレイン内の格子パラメータは本質的に同一であり、通常はフェライト鋼の体心立方（BCC）またはオーステナイト鋼の面心立方（FCC）の親相の結晶構造を保持します。
結晶学的には、サブバウンダリはしばしば、共通サイト格子（CSL）構成のような特定の配向関係を示しますが、これらは高角度境界でより一般的です。サブバウンダリの場合、ずれは主に転位の蓄積と配置によるものであり、相変化や結晶粒境界の移動によるものではありません。
形態的特徴
形態的には、サブバウンダリは親結晶粒内の平面またはわずかに曲がった界面として現れます。これらは通常、変形または熱処理の程度に応じて、数ナノメートルから数マイクロメートルの厚さです。
サブグレインは一般的に等軸または細長く、サイズは数マイクロメートルから数百マイクロメートルまでの範囲です。親結晶粒内での分布は均一または不均一であり、変形条件や熱履歴によって影響を受けます。
光学顕微鏡下では、サブバウンダリはその低いずれと小さなサイズのためにしばしば見えません。しかし、電子後方散乱回折（EBSD）などの高度な技術は、わずかな配向の違いを持つ領域としてこれらの特徴を明らかにします。透過型電子顕微鏡（TEM）は、サブバウンダリを構成する転位の配置の詳細な画像を提供し、結晶粒内の密な壁状構造として現れます。
物理的特性
サブバウンダリ構造に関連する物理的特性は、親結晶粒や高角度境界のそれとは顕著に異なります。サブバウンダリは低角度であるため、比較的低い境界エネルギーと移動性を示し、微細構造の全体的な安定性に寄与します。
密度的には、サブバウンダリは材料の密度を大きく変化させることはありませんが、電気伝導性や磁気特性などの特性に影響を与えます。例えば、サブバウンダリ内の高い転位密度は電子の移動を妨げ、電気伝導性をわずかに低下させる可能性があります。
磁気的には、サブバウンダリは磁気ドメイン壁のピン留めサイトとして機能し、磁気透過率や強制力に影響を与えることがあります。熱伝導率は、転位配列でのフォノン散乱のためにわずかに影響を受ける可能性があります。
高角度結晶粒境界と比較して、サブバウンダリは境界エネルギーが低く、亀裂発生サイトとしての効果が低いため、特定の微細構造状態において靭性と延性の向上に寄与します。
形成メカニズムと動力学
熱力学的基礎
サブバウンダリ構造の形成は、転位の配置とエネルギー最小化に関連する熱力学的原則によって支配されます。塑性変形中に、転位は結晶格子内で生成され、増殖し、蓄積された弾性ひずみエネルギーが増加します。
このエネルギーを減少させるために、転位は壁や配列に整理され、低角度境界を形成し、結晶粒をサブグレインに分割します。このプロセスは、全体の転位エネルギー密度を減少させながら整合的な格子構造を維持するため、熱力学的に有利です。
サブバウンダリの安定性は、その境界エネルギーに依存し、これはずれ角に比例します。低角度境界は比較的低いエネルギーを持ち、回復や初期再結晶段階での形成がエネルギー的に有利です。
相図はサブバウンダリ形成に直接関与することは少ないですが、微細構造の安定性は温度や合金元素によって影響を受け、転位の移動性や回復プロセスに影響を与えます。
形成動力学
サブバウンダリ形成の動力学は、主に転位の移動性、温度、変形速度によって制御されます。冷間加工や高温変形中に、転位は移動し、壁に蓄積され、時間とともにサブバウンダリを形成します。
サブバウンダリの核生成は、転位の再配置を介して行われ、これは熱的に活性化されたプロセスです。形成速度は温度とともに増加し、高い熱エネルギーが転位のクライムやクロススリップを促進し、低エネルギー構成への転