金属材料の機械的特性とは、外部負荷の作用、または負荷と環境要因 (温度、媒体、負荷率) の組み合わせの作用下での金属材料の挙動を指します。
金属の一般的な機械的特性を以下の表に示します。
金属の機械的性質
一般的に使用される金属の機械的性質の指標
強さ
降伏強さ、引張強さ、破断強さ
可塑性
伸び、減面率、ひずみ硬化指数
弾性
弾性率（剛性）、弾性限界、比例限界
硬度
ブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さ
靭性
静的靭性、衝撃靭性、破壊靭性
倦怠感
疲労強度、疲労寿命、疲労ノッチ感度
応力腐食
応力腐食臨界応力場拡大係数、応力腐食亀裂成長速度
一軸静荷重下における低炭素鋼の引張応力-ひずみ曲線
写真
軟鋼の引張力-伸び曲線
1. セクション oa: 弾性変形
2. 断面 ab: 弾性変形+塑性変形
3. Bcd セクション: 力が基本的に変化しない条件下でのサンプルの明らかな塑性変形、降伏現象、および連続的な伸び
4. dB セグメント曲線: 弾性変形と均一な塑性変形
5. ポイント B: ネッキング現象が発生し、サンプルの局所的な断面が明らかに減少し、サンプルの支持力が減少し、引張力が最大値に達し、サンプルが壊れようとしています。
強度指数
強度とは、材料が塑性変形や破壊に耐える能力を指します。
1. 降伏強度
σs {{0}} fs/S0
Fs: サンプルが降伏するときにかかる引張力 (N)。 S0: サンプルの元の断面積 (mm)。
2. 引張強さ
サンプルが破壊する前にかかる最大引張応力は、材料の最大均一変形抵抗を反映します。
σb {{0}} Fb/S0
σb は、脆性材料の材料選択および設計の基礎としてよく使用されます。
プラスチックインデックス
可塑性とは、静荷重下で破損することなく塑性変形を起こす材料の能力です。
1. 破断後の伸び
サンプルが元のゲージ長さにまで破壊された後のゲージ長さの伸びのパーセンテージ。
δ{{0}}(L1-L0)/L*100 パーセント
L0: ゲージの長さ。 L1：破断後の試験片のゲージ長さ。
2. 面積の削減
サンプルの収縮した項目の断面積の、元の断面積に対する最大減少のパーセンテージ。
Ψ{{0}}(A0-A1)/A0 *100パーセント
A0: 試験片の元の断面積。 A1: 破断後のネッキングの断面積。
強度指数
強度とは、材料が塑性変形や破壊に耐える能力を指します。
1. 降伏強度
σs {{0}} fs/S0
Fs: サンプルが降伏するときにかかる引張力 (N)。 S0: サンプルの元の断面積 (mm)。
2. 引張強さ
サンプルが破壊する前にかかる最大引張応力は、材料の最大均一変形抵抗を反映します。
σb {{0}} Fb/S0
σb は、脆性材料の材料選択および設計の基礎としてよく使用されます。
プラスチックインデックス
可塑性とは、静荷重下で破損することなく塑性変形を起こす材料の能力です。
1. 破断後の伸び
サンプルが元のゲージ長さにまで破壊された後のゲージ長さの伸びのパーセンテージ。
δ{{0}}(L1-L0)/L*100 パーセント
L0: ゲージの長さ。 L1：破断後の試験片のゲージ長さ。
写真
2. 面積の削減
サンプルの収縮した項目の断面積の、元の断面積に対する最大減少のパーセンテージ。
Ψ{{0}}(A0-A1)/A0*100 パーセント
A0: 試験片の元の断面積。 A1: 破断後のネッキングの断面積。
弾性指数
剛性: 応力がかかったときの弾性変形に抵抗する材料の能力。
E=σ/ε
σ：引張応力。 ε: 引張ひずみ
微細構造は機械的性能指数の影響を受けにくく、合金化、熱処理、冷間塑性変形はほとんど影響しません。
機構およびコンポーネントの材料選択のための重要な機械的性能指標:
►駆動ビームは十分な剛性を持たないと、重量物を持ち上げるときに過度のたわみによる振動が発生します。
►工作機械やプレスの主軸、ベッド、作業台には、加工精度を確保するための剛性要件があります。
►内燃機関、遠心分離機、コンプレッサーなどの主要構成部品には、振動を防ぐために十分な剛性が必要です。
硬度
材料の局所的な表面が塑性変形や破損に抵抗する能力。
材料の柔らかさや硬さを測る指標であり、その物理的意味は試験方法に関係します。
硬さ試験方法：ブリネル硬さ、ロックウェル硬さ、ビッカース硬さ、ショア硬さ、リーブ硬さ、モース硬さ
(1) ブリネル硬さ
単位面積当たりの平均応力、つまり試験力 p とくぼみの球面表面積の商。
写真
< 450HB: The test indenter is a quenched steel ball, the hardness symbol is HBS;
<650HB: The test indenter is cemented carbide, and the hardness symbol is HBW.
経験式:
低炭素鋼: σb≈3.6HBS;
高炭素鋼：σb≒3.4HBS。
適用範囲:ねずみ鋳鉄、構造用鋼、非鉄金属、非金属材料などの測定に使用されます。
長所と短所：
測定値はより正確で再現性が高くなります。
測定可能な組織の不均一物質。
完成品や薄い部品のテストには適していません。
測定には時間がかかり、非効率的です。
(2) ロックウェル硬さ
材料の硬度値は押し込み深さを測定することで表され、0.002mm ごとが 1 ロックウェル硬度単位に相当します。
圧子には 2 つのタイプがあります。
1. 円錐角 =120 度のダイヤモンド円錐、
2. 直径Φ1.588mmの小さな焼入れ鋼球です。
ロックウェル硬さの計算式:
HR{{0}(kh)/0.002
圧子 1: k=0.2mm; 圧子 2: k=0.26mm。
ルーラー
硬度記号
ヘッドタイプ
総試験力 F/N
測定硬度範囲
応用例
C
ティッカー
ダイヤモンドコーン
1471
20-70
高硬度鋼、高硬度鋳鉄、パーライト可鍛鋳鉄
B
ティッカー
Φ1.588mm鋼球
980.7
20-100
軟鋼、銅合金、フェライト系可鍛鉄
A
ティッカー
ダイヤモンドコーン
588.4
20-88
超硬、焼入鋼板、肌焼鋼
長所と短所：
テストは簡単、便利、そして迅速です。
くぼみが小さく、完成品や薄肉部品の測定も可能です。
データの精度が十分ではありません。平均値を取得するには 3 つの点を測定する必要があります。
鋳鉄などの不均質な材料はテストしないでください。
(3) ビッカース硬さ
硬さの値は、くぼみの単位面積あたりの試験力に基づいて計算されます。
圧子は、対向する 2 つの面の間の夾角が 136 度のダイヤモンド四角錐です。
測定範囲：
薄い部品や塗装、化学熱処理後の表層などの測定によく使用されます。
長所と短所：
正確な測定と幅広い用途（極軟から超硬までの硬さ）。
測定可能な完成品や薄肉部品。
サンプルの表面要件は高く、労力がかかります。
衝撃靱性
衝撃荷重下での損傷に耐える材料の能力。
サンプルが破損するときに消費される衝撃エネルギー Ak は次のとおりです。
Ak=mgH – mgh (J)
衝撃靱性値 a k は、サンプルのノッチにおける単位断面積当たりに消費される衝撃エネルギーです。
ak {0}}} Ak / S0 (J/cm²)
低いak値 - 脆性材料:
破壊しても明らかな変形はなく、金属光沢があり、結晶質です。
高いak値 - 丈夫な素材:
明らかな塑性変化があり、骨折部は灰色で繊維状で鈍いです。
写真
破壊靱性
破壊力学：機械部品における巨視的な亀裂の存在を認識することを前提として、亀裂伝播に関するさまざまな新しい機械的パラメーターを確立し、亀裂体の破壊基準と材料破壊靭性を提案します。
写真
倦怠感
疲労現象：
変動する応力やひずみが長期にわたって作用することにより、金属部品やコンポーネントが累積的に損傷することによって引き起こされる破壊現象。
疲労の特徴:
(1) 疲労は低応力サイクルの時間遅延破壊であり、破壊応力は多くの場合、材料の引張強さ、さらには降伏強さよりも低くなります。
(2) 疲労は脆くて突然の骨折であり、骨折の前に明らかな変形の兆候はなく、非常に危険です。
(3) 疲労はノッチ、亀裂、構造欠陥に対して非常に敏感であり、選択性が非常に高くなります。
疲労限界 σ-1:
材料が疲労破壊を起こさずに多数の応力サイクルを経る最高の応力値。
状態疲労限界:
107 回の応力サイクルに壊れることなく耐えられる最大応力値。
鋼の疲労強度の実験式:
σ-1= (0.45-0.55)σb
または σ-1= 0.27(σs プラス σb)
σ-1p= 0.23(σs プラス σb）
02
熱処理工程
定義: 必要な特性を得るために、加熱、保温、冷却によって固体の金属または合金の内部構造を変化させるプロセス。
写真
目的: 1 つは、材料の加工性能を向上させ、その後の加工をスムーズに進めることです。 この熱処理を前熱処理といいます。 もう1つは、材料の性能を向上させ、部品の寿命を延ばすことです。 この熱処理を最終熱処理といいます。
熱処理分類：
普通熱処理（焼鈍、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しの４火）
表面熱処理（表面焼入れ、化学熱処理）
その他の熱処理（真空熱処理、変形熱処理等）
加熱中の共析鋼の組織変化
パーライトからオーステナイトへの変態プロセスの 4 つのステップ:
(1) オーステナイト核生成。
(2) オーステナイトの成長。
(3) 残った Fe3C は溶解します。
(4) オーステナイトの均質化。
写真
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冷却中の鋼の組織変態
オーステナイトの冷却変態：オーステナイトは臨界点A1以上では安定相ですが、A1以下に冷却されると不安定相となり組織変態が起こります。
重要: 熱処理後の鋼の構造と特性が決まります。 同じ鋼でも加熱温度や保持時間は同じですが、冷却方法が異なると熱処理後の性質が全く異なります。
写真
840 度に加熱され、さまざまな冷却条件で冷却された 45 鋼の機械的特性
冷却方法
σb/Mpa
σs/Mpa
δ/パーセント
ψ/パーセント
ティッカー
炉による冷却
519
272
32.5
49
15~18
空冷
657~706
333
15~18
45~50
18~24
油中で冷却する
882
608
18~20
48
40~50
水冷
1078
706
7~8
12~14
52~60
共析鋼における過冷却オーステナイトの等温変態曲線の確立（金属組織学的硬さ法）
「TTT曲線（Time-Temperature-Transformation Curve）」とも呼ばれ、その形状が「C」に似ていることから「Cカーブ」と呼ばれることが多いです。
写真
「C カーブ」の助けを借りて、さまざまな冷却条件下でオーステナイトがどのような構造に変態するのか、および変態生成物の特性を理解することができ、熱処理プロセスの正しい配合と選択のための理論的基礎を提供します。
共析鋼Cカーブと変態品
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1) パーライト型変態（高温変態とも呼ばれる）
変態温度:A1~550度; 変態生成物：パーライト
A1〜6500度：パーライトシートが厚い、P（パーライト-パーライト）
6500度～6000度：パーライト層が薄い、S（ソルバイト-ソルバイト）
6000度～5500度：パーライト層が非常に細かく、T（トロールスタイト）
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パーライトのフェライト層とセメンタイト層の厚さは変態温度に関係します。 温度が低いほど、パーライトのラメラは細かくなります。 層はより薄くなり、強度と硬度が増加し、プラスチックの靭性が増加します。
2) ベイナイト変態 (中温変態とも呼ばれます)
転移温度: 550-Ms (230 度)
変態生成物: ベイナイト B (ベイナイト) - 過飽和 F とセメンタイトの混合物。
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550～350度：上部ベイナイト（上部B）の羽毛状構造、強度と可塑性が低く、脆性が高い。
350度～Ms：下部ベイナイト（下部B）針状組織で総合性能良好。
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3) マルテンサイト変態 (低温変態とも呼ばれます)
転移温度：Ms(230℃)～Mf
変態生成物：マルテンサイト（マルテンサイト）＋A'（残留オーステナイト）
マルテンサイト: -Fe 内に形成される炭素の過飽和固溶体。M で表されます。
分類：
低炭素マルテンサイト（低炭素マルテンサイト）：ラス状で、強度と延性が高い。 ラスM（ラスマルテンサイト）とも呼ばれます。
高炭素マルテンサイト (高炭素マルテンサイト): レンズ状のシート状で、中央に隆起があります。 強度は高いですが、延性が低く、脆性が高いです。
画像】【画像
亜共析鋼のCカーブ
写真
過共析鋼のCカーブ
写真
過冷却オーステナイト連続変態冷却曲線（CCT曲線）（Continuous Cooling Transformation）
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アニーリング
定義: 金属を特定の温度まで加熱し、十分な時間維持した後、適切な速度で冷却すること
目的：
穀物を精製する。
硬度を下げ、鋼の成形および切断性能を向上させます。
内部ストレスを解消します。
分類：焼鈍の目的とプロセスの特徴に応じて、完全焼鈍、不完全焼鈍、等温焼鈍、球状化焼鈍、歪取り焼鈍などに分けることができます。
完全焼なまし
l 適用範囲：亜共析鋼
l加熱温度: Ac3プラス30-50度
l 目的: 組織を微細化し、硬度を下げ、機械加工性を向上させ、
内部ストレスを解消する
l 室温ティッシュ: F プラス P
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球状化焼鈍
適用範囲：共析鋼および過共析鋼
加熱温度：Ac1プラス20～30度
目的：Fe3CⅡの網状またはフレーク状の球状化
組織：球状パーライト
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等温アニーリング
工程：Ac1プラス30～50度またはAc3プラス30～50度に加熱し、保温後Ar1以下の温度まで急冷し、AがP型組織になったところで炉から取り出し空冷する。 。
組織: クラス P
利点: 短いアニーリング時間、均一な組織
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逃げ焼きなまし
目的：残留応力の除去
暖房
温度：T加熱＜AC1（500～600度）
用途：鋳物、鍛造品、溶接品等の残留内部応力の除去。
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均質化焼鈍（拡散焼鈍）
目的: 人種差別をなくす。 均一な構成、組織
加熱温度：AC3＋150-250度
組織：亜共析鋼はP+F。
用途：主に高品質が要求される合金鋼のインゴット、鋳物、鍛造品に使用されます。
再結晶焼鈍
プロセス: Ac1 より低い 50-150 度、または T プラス 30-50 度まで加熱し、保温し、ゆっくり冷却します。
目的: 加工硬化を除去し、鋼の可塑性と靭性を回復します。
用途：冷間加工後のワークの加工硬化の除去。 鋼線の伸線工程の途中で行われる焼鈍など。
正規化
定義: ワークピースを Ac3 または Accm 以上の 30-50 度に加熱し、保温後に炉から取り出し、空冷する熱処理プロセス。
目的：
低炭素鋼: 硬度を高め、切断を容易にします。
過共析鋼：P球状化に有利な網状二次セメンタイトを除去します。
中炭素鋼および中炭素低合金鋼: 応力が大きくなく、性能要件も高くないため、最終熱処理として使用できます。
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焼入れ
写真
目的：MまたはB以下の組織を得て、鋼の硬度と耐摩耗性を向上させる。
焼入れ温度の選択
亜共析鋼: AC3 プラス 30-50 度;
共析鋼および過共析鋼: AC1 プラス 30-50 度。
写真
焼入れの良否を決めるのは焼入れ冷却であり、理想的な冷却速度は図のようになります。
650 度を超えるとゆっくりと熱応力が軽減されます
650-400 度、高速、C カーブを避けてください
400 度未満、ゆっくりと相転移ストレスを軽減
写真
一般的に使用される焼入れ媒体
現在、生産時に一般的に使用される冷却媒体は油、水、ブラインであり、それらの冷却能力は順次増加します。
水：焼入性は強いですが、ワーク表面に柔らかい部分があり、変形や割れが発生しやすくなります。
塩水: 焼入れ能力が強く、ワークピースの表面は滑らかできれいで、柔らかい部分はありませんが、変形したり亀裂が入りやすくなります。
油：焼き入れ能力は弱いですが、ワークが変形したり割れたりしにくいです。
一般的な焼入れ冷却法（急冷法）
写真
気性
定義: 画像
テンパリングの主な目的
内部応力を除去し、脆性を軽減します。
安定した組織およびワークピースの寸法
硬度を下げ、可塑性を向上させる
焼き戻しによる構造と性質の変化
焼入れ中の焼入れ鋼の組織変化は主に加熱段階で起こります。 加熱温度が上昇すると、焼入れ鋼の組織は 4 段階の変化を遂げます。
1. マルテンサイトの分解
焼き戻し段階：焼き戻し時<100°C, the structure does not change; when heating at 100~200°C, martensite will decompose.
得られた組織：M回焼戻しマルテンサイト（過飽和固溶体）。
性能の変化: 内部応力は徐々に減少しますが、性能は基本的に変わりません。
2. 残留オーステナイトの分解
焼き戻し段階: 200-300 度。 A'は分解されてBになります。
得られた組織：M（Tempered Martensite）を示す
性能変化：応力がさらに減少し、強度と硬度が若干低下します。
3. マルテンサイトの分解が完了し、セメンタイトが形成される
焼き戻し段階: 300-400 度。 ε炭化物は安定したセメンタイトに変化します。
取得組織：Tempered Troostite、代表はT（Tempered Troostite）。
性能の変化: 内部応力が基本的になくなり、硬度が低下し、プラスチックの靭性が増加します。
4. Fe3C凝集体の成長と固溶体の回収・再結晶
焼き戻し段階：400度以上。 相は回復し始め、500 度を超えると再結晶が起こります。
入手組織：S（Tempered Sorbite）に代表されるTempered Sorbite。
パフォーマンスの変化: 全体的に良好なパフォーマンスが得られます。
調質鋼の微細構造と機械的性質
クラフト
焼き戻し温度
（ 程度 ）
テンパリング後の組織
焼戻し後の硬さ（HRC）
特徴
使用
低温焼戻し
150-250
Mバック
58-64
高硬度、高耐摩耗性。 脆性、内部応力の減少
工具鋼、
転がり軸受、浸炭部品など
中温焼戻し
250-500
Tバック
35-50
一定の可塑性と靭性を備えた、より高い弾性限界と降伏限界
ばね鋼、
熱間加工金型
高温焼戻し
500-600
Sバック
25-35
全体的なパフォーマンスが良い
重要な構造部品
機械的特性の一般的な傾向は、焼き戻し中に変化します。焼き戻し温度が上昇すると、鋼の強度と硬度が低下し、可塑性と靭性が増加します。
表面熱処理（表面熱処理）
表面熱処理: ワークピースの表面のみを加熱して、その構造と特性を変化させる熱処理プロセス。
分類：表面焼入れ、化学熱処理。
生産では、表面とコアに異なる特性が必要な部品が数多くあります。 一般に、表面は高硬度、高耐摩耗性、疲労強度を備えています。 一方、コアにはより優れた可塑性と靭性が必要です。
この場合、材料選定から始めたり、通常の熱処理方法だけでは要求を満たすことができません。 この問題を解決するのが表面熱処理です。
表面焼入れ
定義: ワークピースの表面を焼入れ (および焼き戻し) するだけの熱処理プロセス
用途：ワークの表面を硬く丈夫にする。
表面硬化用鋼: 中炭素構造用鋼 (0.4% -0.5% 炭素含有量)
方法：誘導加熱による表面硬化と火炎加熱による表面硬化。
高周波表面焼入れ
基本原理：誘導コイルに交流を流す→渦電流（表皮効果）を形成→表面にAを得る→水冷によりMを得る。
分類：
高周波誘導加熱：
200~300kHz、0.5~2.5mm;
中周波誘導加熱：
0.5~10kHz、2~10mm;
電力周波数誘導加熱:
50Hz、10-20mm。
規則：電流周波数が大きくなるほど、硬化層の深さは浅くなります。
火炎加熱表面焼入れ
定義: 火炎加熱表面焼入れは、酸素アセチレン (またはその他の可燃性ガス) 火炎を適用して部品の表面を加熱し、その後急速に急冷することです。 硬化層の深さは通常2～6mmです。
用途: 単体生産や小ロット生産に適しています。
鋼の化学熱処理
定義: 鋼部品を活性媒体中に特定の温度で保持し、1 つまたは複数の元素をその表面に浸透させて化学組成、構造、性能を変化させる熱処理プロセス。
分類：浸透元素の違いにより、化学熱処理は浸炭、窒化、浸炭窒化、ホウ素化、アルミ化などに分けられます。
基本的なプロセス:
①分解：加熱・保温過程で各要素に浸透した活性原子を化学媒体に分解させる。
② 吸着：活性原子がワークピースの表面に吸着されて固溶体または特殊な化合物を形成します。
③拡散：浸潤した原子がワーク表面から内部に向かって拡散し、一定の深さの拡散層、すなわち浸潤層を形成します。
鋼の浸炭（鋼の浸炭）
写真
用途：ワーク表面の硬度と耐摩耗性の向上
浸炭用鋼：低炭素鋼または低炭素合金鋼
媒体: 活性炭原子を含む、最も一般的に使用されるガス (灯油、ベンゼンなど)。
温度: オーステナイトゾーン、900-950 度
時間：浸透層の深さに応じて約10時間。
その他の化学熱処理方法
窒化：一定の温度で活性窒素原子をワークピースの表面に浸透させる熱処理プロセス。 部品の表面硬度、耐摩耗性、疲労強度、熱硬度、耐食性を向上させます。
浸炭窒化（浸炭窒化）：炭素と窒素を同時にワーク表面に浸透させます。 表面硬度、耐疲労性、耐摩耗性を向上させ、浸炭と窒化の利点を組み合わせます。
クロマイズ：耐食性が良く、耐酸化性、硬度、耐摩耗性に優れており、工具製造用ステンレス鋼や耐熱鋼の代替となります。
ホウ素化：耐摩耗性、耐食性、耐泥摩耗性に非常に優れており、耐摩耗性は窒化、カーボン、浸炭窒化層よりも明らかに優れていますが、大気腐食や水腐食には耐性がありません。 主に泥水ポンプ部品、熱間加工金型、ワーク固定具に使用されます。
