フジコー技報−tsukuru No.25(2017)

九州大学大学院
工学研究院
材料工学部門主幹教授

技術解説

金属の加工硬化とその限界
Work Hardening in Metals and its Limit

工学博士

高木 節雄
Setsuo Takaki

この度は、貴社の技報・第 25 号に執筆する機会

体の強度を高める方法であり、組織に依存しない強をいただき、大変光栄に思っております。私は、九化機構である。たとえば、実用鋼では少量の Mn と州大学の卒業論文で研究に携わって以来、一貫してSi が含まれており、それだけで単結晶の降伏強度は「鉄鋼材料の組織制御と強化機構に関する研究」に0.1GPa 程度にまで高められる。こうした基地の基本従事してまいりました。鉄鋼材料は、地球上で使わ的な強度は“摩擦力”と呼ばれている。一般的な鉄鋼れ始めて約 3500 年の歴史があり、“研究することは材料では、少量の炭素が含まれているが、通常、炭何もないであろう”と思われている方も多いと思い

素はセメンタイト（Fe3C）として析出してしまってますが、実際には、鉄鋼材料の組織や強化機構についるので摩擦力への影響はほとんどない。

いては分かっていないことの方が多いということ単結晶を多結晶化すると、結晶粒界が、転位の運を最近悟りました。また、教科書に記載されている動を妨げて降伏強度を高める働きをする。降伏強度

常識ともいうべき事柄についても、見直すべき点がについては、結晶粒径の平方根の逆数に比例して増多々あることもわかりました。ページ数の制約です

大することが、Hall-Petch の関係として経験的に知べてを語ることはできませんが、本稿では、私の研られている。炭素含有量が 0.005～0.2%の市販の低究成果の一例として、最も身近な強化手段である加炭素鋼については、結晶粒径 d と降伏強度 σy の間工硬化について紹介したいと思います。本稿が、読に、おおよそ次のような関係が成立する 1)。

者の方々にとって少しでもお役にたてれば幸いです。

１．金属の４つの強化機構
金属に力を加えると、まず弾性的な変形が起こり、σy [GPa]= 0.1 + 0.6×d[μm]-1/2[1]たとえば、結晶粒径が 36μm の多結晶鉄について
は、多結晶化によって 0.1 GPa の強度上昇が起こる

弾性変形の限界を超えると塑性変形が起こる。塑性

ので、降伏強度は 0.2 GPa となる。上式の強化係数

変形は、“転位”と呼ばれる金属中の線欠陥が大量に（0.6）は Hall-Petch 係数と呼ばれ、この値は、炭素運動することで起こり、“転位”が集団で一斉に動き量に関わらずに一定と考えられてきた。しかし近年、始める応力が“降伏強度”に対応する。純金属単結晶

著 者 ら は 、 炭 素 量 が 0.005% 以 下 の 成 分 域 での降伏強度は大変低く、たとえば純鉄単結晶の室温Hall-Petch 係数が大きく変化することを見出し、多での降伏強度は 0.05GPa（5kgf/mm2）しかない。こ結晶鉄の降伏機構に関して一石を投じた 2)。たとえれでは、構造部材として鉄を使用できないので、実ば、結晶粒径が 36μm と同じであっても、高純度の用鋼では強度を高めるために様々な工夫がなされ鉄については 1/4 程度の強化量しか得られない。多てきた。その結果、降伏強度を高める方法として、結晶鉄の降伏強度の炭素濃度依存性については、固溶強化、転位強化、粒子分散強化、結晶粒微細化

Cottrell locking 説が一般的であったが、著者らの発強化という 4 種類があることが分かった。固溶強化

見はこの考え方を一新するものである。詳細についは、鉄に Mn や Si などの合金元素を添加して基地自ては、著者らの文献 2)を参照していただきたい。
8粒子分散強化は、4 つの強化機構の中で最も簡便

２．冷間圧延による転位強化の限界かつ効果的な手法と言える。“析出強化”という言葉

硬さ測定は、金属の強度を評価するのに最も簡便が広く知られているが、これは、粒子分散強化といな方法であり、引張り強さとの間に良好な相関性がう強化機構で材料を強化する方法や強化現象を指あることが知られている。図 1 は、（フェライト＋すものであって、強化機構を意味するものではないパーライト）鋼ならびにマルテンサイト鋼について、ので注意が必要である。転位が運動するすべり面に硬さと引張り強さの関係を示しており、次式により微細な粒子が存在すると、それらが転位の運動を妨

ビッカース硬さ HV から引張り強さ σB を推定でき害して降伏強度が高められる。転位と分散粒子の相ることが分かる。

互作用の関係で強化機構が異なってくるが、通常、分散粒子は十分に頑強であり、転位は分散粒子を迂σB ≒0.32×HV[3]回して運動するという Orowan model で強化機構が議論される。強化量は、分散粒子の平均隙間間隔の逆数に比例するので、分散粒子の体積率が大きいほど、また分散粒子が小さいほど大きくなる。具体的には、マルテンサイトの焼戻しやマルエージ鋼の強化機構などに関係した重要な強化機構であるが、ここでは詳細については省略する。
残りの一つは転位強化という手法である。これは、多くの転位を導入することで転位自体の運動を阻害するといった強化手法である。金属を圧延などの方法で加工すると硬くなることは“加工硬化”として広く知られているが、これは強化機構を意味する言葉ではないのでその使い方に注意が必要である。
金属中の転位の量は、単位体積中の転位の全長で定

図 1 ビッカース硬さと引張り強さの関係義されるため、 [/m2]という単位で表される。Baileyと Hirsch は、加工した銀の転位密度 ρ[m-2]を透過型

4GPa-HV 以上の高強度材については、降伏後の電子顕微鏡で実測し、転位強化量 Δσy[Pa]との間に加工硬化がほとんどないために σB の値を降伏強度

3)次のような関係が成り立つことを示した 。と考えてよいが、硬さが 4GPa-HV 以下の材料については、降伏強度は、上式で求めた σB の値より若Δσy= k √ρ[2]干小さな値となる。引張り強さが 1 GPa を上回る鋼は超高張力鋼と呼ばれ、1 GPa という値が鉄鋼材料転位密度の平方根と転位強化量の間に良好な関を強度で分類する際の一つの基準となっている。で係が成立することは多くの金属について実証され、は、工業的な冷延でこの強度を超えることができる

上式は Bailey-Hirsch の関係として知られている。鉄であろうか？図 2 に、炭素含有量が 10ppm の工業については、k の値として 18 程度の値になること用純鉄（結晶粒径：120μm）を 90%まで冷延したと4)9も分かっている 。ただし、Bailey-Hirsch の関係にきの降伏強度の変化を示している。加工の初期段階

ついては加工率が低い条件での報告例が多く、加工で大きな転位強化が起こるが、50%以上圧延すると硬化の全体像を示したものではない。著者らは、永強化量が次第に小さくなり、90%の冷延を施しても年にわたって超強加工した金属の強化機構につい降伏強度はせいぜい 0.6 GPa 程度である。つまり、て研究を行い、最近その成果を国際会議で報告した

一般的な冷延だけではとうてい 1 GPa という値を越ので 5)、以下、その概略を紹介する。

えられないことがわかる。

フジコー技報−tsukuru No.25(2017)を示す。焼鈍した鉄粉の結晶粒径は 20 μm であるが、約 3 時間のミリング処理を施すと、転位密度が1015/m2 程度に高められると同時に、結晶粒径も 4μm 程度にまで微細化される。そのあとさらに加工を継続すると、顕著な細粒化が起こり、最終的に結晶粒径が 50nm 程度のナノ結晶組織が形成される。
図 5 は、ミリング処理した鉄粉の硬さと結晶粒径の関係を示す。
図 2 冷間圧延による鉄の強度変化

３．超強加工した鉄の加工硬化
圧延という加工法は板材を大量に生産するのに適した方法ではあるが、大きな塑性ひずみを付与する方法としては適していない。そこで、著者らは、加工硬化の限界を探求するために、高エネルギーボールミルを用いて鉄粉を加工する方法を採用した。
図 3 に遊星型ボールミルを用いて加工した鉄粉の硬さ変化を示す。鉄粉の硬化挙動は、ボールミルの図 4 遊星型ボールミルを用いて加工した鉄粉における結晶粒径の変化回転速度や鉄粉とボールの比率などで変化するが、この例では、約 3 時間のミリング処理によって、90%冷延した鉄と同程度の加工ひずみが付与されることが分かる。興味深い点は、さらにミリング時間を長くすると異常な加工硬化が発現し、最終的に9.5-HV 程度の硬さに到達することである。この硬さは、降伏強度に換算すると約 3 GPa に匹敵する。

図 5 遊星型ボールミルを用いて加工した鉄粉の硬さと結晶粒径の関係
硬さが 2.2 GPa-HV 以下の領域では、結晶粒径の
図 3 遊星型ボールミルを用いて加工した鉄粉の硬さ変化変化は少なく、加工硬化が転位強化のメカニズムで起こっていることが分かる。ところが、硬さが 2.2
GPa-HV を上回ると、結晶粒の微細化に対応して硬こうした異常な加工硬化が起こる領域では、動的さが増大していることが分かる。この事実は、加工な結晶粒微細化が進行することも分かっている。図

硬化の後期段階が、結晶粒微細化強化の機構で起こ4 に、ミリング処理した鉄粉内部の結晶粒径の変化ることを示唆しているが、転位密度も同時に変化し10

ているので、硬さ変化からは強化機構の遷移を明らにほとんど影響を及ぼさないこと”を確認するために、かにできない。そこで、以下、強化機構を明らかに結晶粒径が 0.25 μm、0.35 μm、100 μm のバルク鉄を作するための実験結果を紹介する。

製して冷間圧延の影響を調査した。その結果を図 7 に示す。結晶粒径が 100 μm 試料では、通常の加工硬化４. 鉄の加工硬化機構が見られる。結晶粒径が 0.35 μm の試料についても、転位強化した鉄は、500℃以上の温度に加熱するとわずかではあるが加工硬化が発現しているのがわかる。

再結晶を起こすが、400℃付近の温度域では、再結晶ところが、結晶粒径が 0.25 μm の試料については、冷を起こすことなく、転位の回復による軟化現象が現れる。

間圧延しても降伏強度がほとんど変化しないことがわ

すなわち、加工硬化が転位強化の機構で起こっているかる。この結果より、“結晶粒径が 0.3μm 以下の鉄（降場合、400℃-30min 程度の焼鈍を施すことで軟化現象

伏強度が 1.2 GPa 以上）については、加工硬化が結晶が発現するので、その有無によって強化機構を判定で粒微細化強化の機構で起こっており、転位の存在が降きる。図 6 は、ミリング処理した鉄粉と 400℃-30min の焼伏強度に影響を及ぼさないこと”を確認できる。

鈍を施したミリング鉄粉の硬さを示している。ビッカース
硬さが 4 GPa-HV 以下のミリング鉄粉については明確な焼鈍軟化が現れているが、それ以上の硬さのミリング鉄粉については硬さの変化が無いことがわかる。この
結果は、硬さが 4 GPa-HV（降伏強度に換算すると約1.2 GPa）以上の試料については、結晶粒微細化強化の機構で加工硬化が起こっていることを示唆している。
これらの試料については、結晶粒径が 0.3μm 以下に微細化しているだけでなく、内部には高密度の転位が導入されている。この事実は、結晶粒径が 0.3μm 以下の鉄については、転位の有無が降伏強度にほとんど影響を及ぼさないことを示唆している。

図 7 鉄の加工硬化に及ぼす結晶粒径の影響。結晶粒径が 100μm の試料は溶解法で作製した純鉄、他の2 つの試料はミリング処理した鉄粉を固化成形して作製した鉄である。

図 6 ミリング処理した鉄粉の硬さに及ぼす焼鈍（400℃-0.5h）の影響。
バルクの鉄で超微細粒組織を得ることは極めて困難であるが、著者らは、ミリング処理した鉄粉を特殊な方法で固化成形して、結晶粒径が 0.2 μm までの超微細図 8 超微細粒鉄における Hall-Petch の関係

粒鉄を作製することに成功した。そこで、“結晶粒径が0.3μm 以下の鉄については、転位の有無が降伏強度11鉄の結晶粒微細化強化については、[1]式で示した

フジコー技報−tsukuru No.25(2017)

Hall-Petch の関係が成立するが、それは結晶粒径が 1は、降伏強度で 1.2 ～1.3GPa（ビッカース硬さで約 4μm 以下の領域で得られたものである。著者らは、それGPa-HV）付近にあると考えられる。

以前に、結晶粒径が 0.2 μm までの超微細粒鉄を作製

具体的な例を挙げると、通常の冷間圧延では 80%程して降伏強度に及ぼす結晶粒径の影響を調査した。そ度の加工を施しても（Ⅰ）の段階しか起こらない。線引の結果を図 8 に示す。結晶粒径の測定誤差の影響でき加工ではより大きなひずみを鉄に加えることができるデータが多少ばらついているが、0.2 μm という超微細ので、（Ⅱ）の段階まで到達するが、よほどの強加工を粒領域まで[1]式が成立し、降伏強度が 1.6 GPa 程度に施さない限り（Ⅱ）の領域を超えることは無いと考えてよまで高められることが分かる。

いであろう。（Ⅲ）の段階に到達するには、上述のようにきわめて大きな加工ひずみを加える必要があるが、現実問題として知っておくべきことは、疲労や摩耗、切削といった現象が超強加工に相当するということである。
たとえば、ベアリングの転動疲労では、加工硬化の程度が（Ⅱ）～（Ⅲ）に達した段階で、基地組織の分解が始まり微細な結晶粒組織が形成される。（Ⅱ）の段階では、組織変化が起こった領域が大変小さいために光学
顕 微 鏡 で は 黒 く 観 察 され 、 そ の 組 織 は DEC （DarkEtching Constituent）と呼ばれている。（Ⅲ）の段階に到達するほどのひずみが蓄積されると、組織変化が起こった領域は白く観察されるようになり、その組織は WEC（White Etching Constituent）として区別されてきたが、図 9 多結晶鉄の加工硬化機構を示す模式図微視的な組織はほぼ同じものである。動的な結晶粒微細化が進行すると、その過程でミクロボイドが形成され以上の結果をまとめて、鉄の加工硬化機構を示したるため、それが疲労破壊の起点となる。また、打ち抜きものが図 9 である。降伏強度は、図 5 の硬さを変換して加工した鉄板の断面近傍では超微細粒組織が形成さ得られたものである。図中の破線は、[1]式で与えられれることが知られており、それは断面近傍で大きなせんる Hall-Petch の関係を示している。焼鈍した鉄の降伏断ひずみが加わり、加工硬化の程度が（Ⅲ）の段階に強度は図中に△印で示されているが、それを加工する達したためである。超微細粒組織を有する材料は、降と以下のような 3 段階の変化が起こる。(Ⅰ) 鉄内部の伏強度は大変高いが、降伏後に加工硬化が起こらな結晶粒はそれほど顕著に変化せずに、転位密度が高いために延性が乏しい。そのため、超微細粒組織が形く な っ て 加 工 硬 化 が 進 行 す る 。 (Ⅱ) 転 位 密 度 が成された領域では延性亀裂が生じやすく、穴広げ性な1×1015/m2 程度にまで高められると、鉄の内部で動的などに悪影響を及ぼす。

結晶粒微細化が進行し、同時に転位密度も高められて加工硬化が進行する。ここまでの加工硬化はあくまでも５. 鉄の加工硬化の限界転位強化によるものである。(Ⅲ) 鉄内部の結晶粒径が以上のように、鉄の加工硬化は後期段階では結晶粒0.3 μm に達すると、降伏強度は 1.2GPa 程度となり、そ微細化強化の機構で起こるが、その強化限界はどこにれ以下に結晶粒が微細化されると結晶粒微細化強化あるだろうか？図 10 は、ミリング法で加工した鉄粉の結が転位強化を上回って、結晶粒微細化強化のメカニズ晶粒径と硬さの関係を示している。なお、転位強化のムによって加工硬化が起こるようになる。つまり加工硬影響を排除するために、ミリング処理後に 400℃-30min化は、加工の初期段階は転位強化で起こり、加工の後の焼鈍を施した鉄粉を硬さ測定に供した。前述のように、期段階では結晶粒微細化強化によって起こるというわ

硬さが 4 GPa-HV 以上の試料については、焼鈍してもけである。そして、強化機構の遷移が起こる強度レベル硬さの変化はほとんど生じない。興味深い点は、結晶12粒径が 0.1 μm 以下の粒径になると Hall-Petch の関係がパーライト鉄粉、鉄粉と炭素粉の混合物を出発材と成立しなくなることである。その理由としては、結晶粒がして長時間のミリング処理を施して得られた鉄粉あまりにも小さくなり過ぎて、室温で粒界すべりが起こるの内部組織を透過型電子顕微鏡で観察した結果、いためと考えられる。その結果、硬さは約 10 GPa-HV でずれも結晶粒径が 30 nm 程度のナノフェライト単頭打ちとなる傾向にある。つまり、室温で鉄を加工した相組織となっていることを確認した。最終的な結晶場合、降伏強度で約 3.2GPa が加工硬化の限界と考え粒径は炭素量が多いほど小さくなる傾向にあるが、られる。ただし、加工硬化の限界値は鉄の純度に依存

セメンタイトなどの析出物は全く観察されなかっし、純度の高い鉄では降伏強度で約 0.8 GPa が加工硬たため、すべての炭素は粒界に偏析していると考え化の限界である。その理由は、純度の高い鉄では転位られる。言い換えれば、動的結晶粒微細化には粒界の回復が起こりやすく、転位密度が高くならないためでに偏析した炭素が重要な働きをしており、炭素量がある。純度が悪い鉄でも、加工温度が高くなるとやはり多いほど最終的に形成されるナノフェライト粒が転位の回復が起こりやすくなるので、加工硬化の限界微細になると考えられる。今回は鉄を例に挙げて加値は低くなる。

工に伴う組織変化を紹介したが、おそらくどのような金属でも加工硬化のゴールはナノ結晶粒組織と考えてよいであろう。学生時代に、加工硬化＝転位強化と教わったが、転位強化は金属の加工硬化のごく初期段階で発現する現象であることを知っておいていただきたい。

参考文献
1. M. Etou, S. Fukushima, T. Sakai, Y. Haraguchi, K.
Miyata, M. Wakita, T. Tomida, N. Imai, M. Yoshida
and Y. Okada: ISIJ Inter., 48 (2008), 1142.
図 10 多結晶鉄の結晶粒径と硬さの関係

2. K. Takeda, N. Nakada, T. Tsuchiyama and S.
Takaki: ISIJ Inter., 48 (2008), 1122.

６. まとめ
鉄の加工硬化は、前節の（Ⅰ）～（Ⅲ）で説明できることは間違いないが、加工によってどの段階まで到達するかは、加工温度、鋼の化学成分、鋼の組織によって異なるので注意が必要である。たとえば、

3. J. E. Bailey and P. B. Hirsch: Philos. Mag., 5 (1960),485.
4. 赤 間 大 地 , 土 山 聡 宏 , 高 木 節 雄 ： 材 料 , 66(2017),522.
5. S. Takaki, D. Akama, Y. Tanaka, N. Nakada, T.

マルテンサイト鋼は（Ⅰ）の終了段階に匹敵する高Tsuchiyama and Y. Kimura: Materials Forum, 38

密度の転位をすでに内蔵しているので、それを加工(2014), 205.

すると組織変化は（Ⅱ）の段階から始まることになる。すなわち、マルテンサイト鋼は、もともと組織変化を起こしやすい組織を有しているわけである。
それに対して、パーライト鋼は（Ⅰ）の段階から組織変化が始まるため組織変化が起こり難い。ただし、興味深い点は、（Ⅲ）の段階に達するまで加工を施すと、初期組織とは無関係に同じ粒径のナノフェライト組織となってしまうことである。実際に、著者らは、0.8%の炭素を含有したマルテンサイト鉄粉、
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