翻訳|plasticity
固体物質に外から力を加えると変形する。力が小さいときは,力を0に戻すと変形も元に戻る(このような変形を弾性変形という)が,力が大きくなると,力を0に戻しても変形は元に戻らないで永久的な変形が残る。後者の変形を塑性変形と呼び,固体のこのような性質を塑性と呼ぶ。力を0に戻しても永久的な変形が残るのは,力を大きく加えたときに,原子どうしのつながり方のつなぎ替えが起きて,新しい安定な原子配置に変わったことによる。
われわれの身の回りにふつうに見られる金属のような結晶においては,変形のしかたは,次のような特徴をもっている。すなわち,外から加える力を0からだんだん増加すると,最初は力(厳密には応力)に比例した変形を示す。これは弾性変形で,力を0に戻すと変形も元に戻る。さらに力を大きくして弾性限界をこえると塑性領域に入る。一定の速度で変形を起こさせるのに必要な力の大きさは,塑性変形領域に入ると最初急に低下する。これは降伏と呼ばれる。体心立方金属のような硬い金属や半導体結晶は,顕著な降伏を示す。降伏を起こすときの応力を降伏応力,あるいは降伏点というが,これは物質固有の量ではなく,熱処理の条件など履歴に依存し,また試料の含む不純物にも関係する。不純物を含むとふつうは硬くなるので,これによる硬化は固溶体硬化と呼ばれている。また降伏は温度に依存し,降伏応力は一般に高温になるほど小さくなる。
降伏点をこえてさらに変形を続けると,一定の速さで変形を増加させるのに必要な力は,再び大きくなる。すなわち変形を起こさせることによって物質が硬くなるわけで,この現象は加工硬化と呼ばれる。いくつかの段階の硬化過程を経て,最後には破壊が起きるが,このように所要の形に変形をさせた後,その形がそのまま残るのは実用上非常に重要な性質であり,この固体の塑性を利用した加工法を塑性加工という。なお,塑性に対し,外力を加えたとき永久変形をあまり生じないうちに破壊してしまうような性質は,脆性(ぜいせい),またはもろさと呼ばれる。
微視的に見ると,塑性変形は決して一様には起きない。きちんと積み重ねたトランプのカードを結晶とすると,塑性変形はカードをずらせるような形に起きる。外形の変化は,カードのずれにより生じ,1枚1枚のカードは形が変わっていない。実際の結晶の場合,ずれが起きるのは,結晶形によって定まる特定の面に沿っており,ずれの方向も結晶形により定まっている。これらを,それぞれ,すべり面,すべり方向と呼んでいる。結晶の中の原子が並ぶ面を考えたとき,すべり面は原子が密に並ぶ面で,したがって面の間の間隔が大きな面になっている。面の中では原子は周期的に規則正しく並んでいるから,面どうしが一原子距離だけずれを起こすと,再び安定な原子配置をつくり,元に戻らない。これが永久変形を安定化する理由である。
面のずれは,一つの面に沿っていっせいに起きるのではなく,転位と呼ばれる格子欠陥の動きに伴って,順繰りに起きる。転位は動きやすく,また,動きながら自己増殖をするので,塑性変形の過程で,結晶中の転位の数は急激に増加する。塑性変形のごく初期に降伏現象を示すのは,転位が動き出して数が増加するためである。すなわち,一定の速度で全体の変形を起こさせるとき,転位の数が多くなれば個々の転位は遅く動けばよいので,外から加える力は小さくてよい。これが降伏現象である。したがって,変形前の転位の数が少ないほど顕著な降伏現象を示す。変形がさらに進んで転位の数がずっと多くなると,転位どうしの相互作用の結果,転位は動きにくくなる。これが加工硬化である。また,固溶体硬化は転位と不純物原子との相互作用により,転位が動きにくくなることとして理解されている。
→弾性 →転位
執筆者:二宮 敏行
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…レオロジーということばとその定義は1929年にアメリカでこの分野の学会が創立された際,アメリカの化学者ビンガムEugene Cook Bingham(1878‐1945)が初めて与えたもので,流れを意味するギリシア語のrheosに由来している。物質に力を加えたときに起こる変形および流動を取り扱う科学の分科としては,他に弾性論,塑性学,流体力学などがあるが,レオロジーで取り扱う変形は,上記の各分科で取り扱う比較的単純な変形が組み合わされた形の,より複雑な変形が主体となっている。さらに,物質に加える力と時間,および変形との関係を明確に記述することだけでなく,そうした現象の起こる理由,すなわち物質の分子構造あるいは集合体としての構造と変形との関係を明らかにすることをも目的としている。…
※「塑性」について言及している用語解説の一部を掲載しています。
出典|株式会社平凡社「世界大百科事典(旧版)」
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