金属材料の性能に関する究極のガイド

材料の選択は、主に金属材料の性能に基づいている。

金属材料の特性は、加工性能とサービス性能の2つに分類できる。

サービス性能とは、金属部品が実際の使用条件下でどのように機能するかを示すものである。

金属材料の性能は、その適用範囲を決定する。

この性能には、物理的、化学的、機械的特性が含まれる。

1.身体能力

金属の物理的特性は、力、熱、光、電気といった物理的作用のもとでの挙動によって特徴づけられる。

主な身体的パフォーマンス指標は表1を参照のこと。

表1 金属の物理的性質

名前とシンボル	計算式または表現方法	意味と解説
弾性率 E (MPa)	どこでだ： σ - 応力、MPa； ξ - strain,%； F-引張荷重、N； Lo - サンプルの元の長さ、mm； S0 - 試料の元の断面積、mm ²； Δ L - 絶対伸び、mm。	弾性変形の範囲では、応力とひずみの比を弾性率と呼び、材料が弾性変形に抵抗する能力を表す。 この数値は材料の弾性変形のしにくさを表し、材料が単位弾性変形をするのに必要な応力に相当する。 エンジニアリング用途で必要とされる弾性変形の小さい部品には、弾性率の高い材料を選択する必要がある。弾性率は引張試験で測定できる。
せん断弾性率 G (MPA)	どこでだ： d-試料の直径、mm； L0 - サンプルゲージの長さ、mm； Mトルク、n - mm； Φ- ねじれ角、(°).	弾性変形の範囲では、せん断応力とせん断ひずみの比をせん断弾性率と呼ぶ。 これは材料定数であり、材料がせん断ひずみに抵抗する能力を表す。 等方性材料では、弾性率Eおよびポアソン比と次の関係がある：g = e / [2 (1 + v). ねじり試験は、材料のせん断弾性率を測定するために実験室でよく使われる。
ポアソン比 v	どこでだ： ξ1 - 縦ひずみ、%； ξ2 - 横ひずみ、%。	一様に分布した軸方向応力が作用し、弾性変形の比例限界の範囲内で、縦ひずみに対する横ひずみの比の絶対値をポアソン比といい、横変形係数ともいう。 等方性材料の場合、この値は弾性変形の比例限界範囲内の定数となる。 この範囲を超えると、この値は平均応力や使用される応力範囲によって変化し、もはやポアソン比とは呼ばれなくなる。 異方性材料の場合、複数のポアソン比が存在する。 一般的な炭素鋼材のポアソン比は0.24～0.28である。 ポアソン比は、弾性率Eおよびせん断弾性率Gと次のような関係にある：v=E/2G-1。
密度ρ (t / m3)	Ρ=m/v どこでだ： m-物体の質量、t1; V - 物体の体積、m3.	金属の単位体積あたりの質量を表す。 金属材料によって密度は異なり、材料の密度値はその材料で作られた部品の重量とコンパクトさに直接関係する。
融点 tR (℃)	–	物質の結晶状態と液体状態が平衡状態で共存する温度を融点という。 結晶の融点は圧力に関係している。 ある圧力下では、結晶の融点は凝固点と同じになる。 融点は、材料の熱間加工プロセス仕様を策定するための重要な基盤のひとつである。 ガラスのような非晶質材料には融点はなく、軟化温度範囲しかない。

名前とシンボル	計算式または表現方法	意味と解説
比熱容量C［J /（kg - K］	どこでだ： dQ / dT - 熱容量、J / K； m-質量、kg。	単位質量あたりの物体が1℃増加するごとに吸収する熱量、または1℃減少するごとに放出する熱量が、その物質の比熱容量となる。 これは、材料の熱間加工プロセス仕様を策定するための重要なプロセスパラメータである。
熱拡散率 a (m²/ s)	どこでだ： λ - 熱伝導率、w /（m - K）； Cp - 比定圧熱容量、J /（kg - K）； ρ- 密度、kg / m3.	不均一な温度物体における温度の均一化速度を反映する物理量であり、不安定な熱伝導過程の速度変化特性を表す。
熱伝導率 [W / (m - K)	どこでだ： q - 熱流密度、w / m2dt / dn - 界面の正相方向における温度勾配、マイナス記号は温度降下方向； λ - 熱伝導率、W /（m - K）。	金属材料の熱伝導率を表す物理量。熱の流れ方向の単位長さに沿った温度差が単位時間当たり1℃のとき、単位面積当たりの許容熱量を材料の熱伝導率という。 熱伝導率の大きい材料は熱伝導率が良い； その逆も然りだ。 これは、材料の熱伝導率を測定するための重要な性能指標である。
線膨張係数 a (1 / K または 1 / ℃)	どこでだ： l2 - 加熱後の長さ、mm； l1 元の長さ、mm； t2-t1 - 温度差、Kまたは℃； Δl - 長さの増加、mm。	金属温度が1℃上昇すると、元の長さに対する増加した長さの比が線膨張係数となる。 温度帯が異なれば、材料の線膨張率は異なる。一般的に、指定された値は、特定の温度帯の平均線膨張係数を指します。 材料の熱膨張を測定する性能指数である。 線膨張係数の高い材料は、加熱後の膨潤性が高い； その逆も然りだ。
抵抗率 ρ （Q-m）	どこでだ： R...導体抵抗、Q； S - 導体の断面積、m2; l - 導体の長さ、m。	長さは1m、断面積は1m²である。 導体の抵抗値は抵抗率であり、電流を流したときの抵抗値を示す指標である。 抵抗率の高い材料は抵抗が高く、導電性に乏しい； 逆に導電性は良い。
導電率 y (s / M)	どこでだ： 1 / R - 導電率、S； S - 導体の断面積、m² ； 導体断面積、m² ； 導体断面積、m² ； 導体断面積、m l - 導体の長さ、m。	導体が単位電位勾配（すなわち電位差）を維持するとき、単位面積を流れる電流は導電率と呼ばれる。 電界と導体内の電流密度の関係を反映する物理量である。 導体の導電率を測定する指標である。抵抗率の逆数。 金属の中では銀が最も導電率が高く、その導電率は100%と規定されている。 を比較して得られたパーセンテージである。 金属材料 銀との導電率である。
鉄損P (w / kg)	一般に、交流50Hzの電源周波数における鉄心の単位損失は、材料の比損失（すなわち単位鉄損）曲線またはデータシートから直接求めることができる。	交流磁界の作用下で、モーターやトランスの鉄心材料が単位重量当たりに消費する電力は鉄心損失と呼ばれ、略して鉄損と呼ばれる。 鉄損にはヒステリシス損、渦電流損、残留損などがある。鉄損の少ない材料を使用することで、製品の総損失を低減し、製品の効率を向上させることができます。

透湿度 P (H / M)

どこでだ： B - 磁気誘導強度、T； H - 磁場の強さ、A/ m。

磁界の強さに対する磁気誘導の強さの比を透磁率といい、磁性材料の磁化のしにくさを測る性能指標である。 透磁率が高ければ高いほど、材料は磁化されやすくなる。 鉄や鋼のような磁性材料の場合、透磁率は固定値ではなく、鉄や鋼の特性や磁気飽和の程度に関係する。 透磁率によって、磁性体は一般的に軟磁性体（p値が数万から数百万）と硬磁性体（p値が1程度）に分けられる。

名前とシンボル	計算式または表現方法	意味と解説
磁気誘導強度 B（T）	どこでだ： F - 磁場の力、N； I-電流強度、A； l - 導体の長さ、m。	磁場中のある点における磁気誘導強度は、磁場の方向に垂直にその点に置かれた電化ワイヤにかかる磁場力と、ワイヤに流れる電流強度とワイヤの長さの積との比に等しい。 磁界の強さと方向特性を特徴づける物理量であり、磁性材料の磁気強度を測定するための重量性能指数である。 磁気誘導強度の高い材料を使用することで、鉄心の体積を減らし、製品の重量を減らし、導体を節約し、導体抵抗による損失を減らすことができる。
保磁力 Ho (A / m)	–	保磁力は、磁性材料の減磁・磁気保持能力を測定する性能指標である。 磁性材料が一度磁化され、磁界強度が除去された後も、磁気誘導強度は消失せず、一定の残留磁気誘導強度、すなわち残留磁性が残る。 この性質は強制力と呼ばれる。 強磁性体の誘導強度を除去するために印加される逆磁界強度の絶対値が強磁性体の保磁力、または単に保磁力である。 軟磁性材料の場合、保磁力は低ければ低いほど良い； 硬い磁性材料の場合、保磁力が高ければ高いほど良い。

2.化学的性質

の化学的特性 金属材料 は、室温および高温の両方で、さまざまな腐食性物質による化学的攻撃に対する金属材料の耐性と定義される。

金属材料の化学的特性における第一の特徴は、耐腐食性である。

耐食性とは、金属材料がその環境中の腐食性要素の有害な影響に耐える能力を指す。

化学エッチング

化学腐食は、金属とその周囲の環境との間に直接的な化学的相互作用がある場合に発生する。

ガス腐食と非電解質媒体中の金属腐食の両方を含む。

このタイプの腐食の特徴は、腐食プロセス中に電流が流れないことと、金属表面に腐食生成物が形成されることである。

化学的腐食の例としては、純鉄の錆が挙げられる。これは水中や高温下での水蒸気とガスの反応によって引き起こされる。

ガルバニック腐食

電気化学的腐食とは、金属が酸、アルカリ、塩などの電解質溶液と接触することで発生する腐食の一種である。

このタイプの腐食は、腐食過程で電流（「マイクロセル効果」として知られる）が発生し、腐食生成物（さび）が金属表面に直接沈着するのではなく、金属陽極から離れた場所に形成されることが特徴である。

電気化学的腐食の原因は、通常、金属の電極電位と関連している。

化学腐食に比べ、電気化学腐食のプロセスはより複雑で、その結果もより深刻である。

金属材料が経験する腐食損傷の大部分は、このタイプの腐食によるものである。

表2 一般的な金属腐食の種類

腐食速度

腐食速度とは、ある材料が均一な腐食を経験する速度のことで、一定期間にわたって試験媒体中の試料の重量変化を測定することによって決定される。

単位時間、単位面積当たりの質量損失として表すことができ、以下の式で計算できる：

どこでだ：

• K - 腐食速度、g /（m² - h);
• S - 試験前の試料の表面積、m²;
• T - 試験時間、h；
• m_o - 試験前の試料の質量、g；
• m - 試験後の試料の質量、g；

腐食速度は、年間腐食深さ(R)で表すこともできる。RとK（定数）の関係は以下の通りである：

どこでだ：

• R - 年間腐食深さ、mm / a；.
• ρ- 金属の密度、g / cm³.

表3 金属材料の耐食性の分類と等級

3.機械的性質

材料の機械的特性とは、引張、圧縮、曲げ、ねじり、衝撃、交番応力などの様々な外部負荷や、温度、媒体、湿度などの異なる環境下での特性を指す。

このような条件下での金属の挙動は、様々な負荷のかけ方、環境や媒体の複雑な変化により、大きく変化する可能性がある。 金属の機械的性質 材料

この分野は、冶金学と材料力学の間の学際領域へと発展してきた。

金属部品は通常、応力、ひずみ、衝撃エネルギーなどのさまざまな機械的パラメータによって特徴付けられ、これらのパラメータの臨界値または規定値は、強度指数、塑性指数、靭性指数など、金属材料の機械的性能指数と呼ばれる。

金属の機械的特性については表4を参照のこと。

表4 金属の機械的性質

4.溶接性能

メタル 溶接性 は、溶接加工に対する金属材料の適合性を指す。主に、以下のような特定の溶接条件下で、高品質の溶接継手を容易に実現できることを指す。 溶接材料方法、プロセス・パラメーター、構造形式。

それは2つの側面を含んでいる：

1つ目は、その品質である。 溶接継手具体的には、特定の溶接条件下で、高品質で欠陥のない接合部を得る能力である。

2つ目は、溶接継手または溶接後の部品全体が、指定された使用条件の技術的要件を満たすことができるかどうかを評価する使用性能である。

溶接性に影響を与える要因はいくつかある。鋼材の場合、これらの要因には、材 料の選択、構造および継手の設計、加工方法と 仕様、継手使用中の環境条件などが含まれる。

溶接継手の熱影響部の基本構造

溶接継手は通常、溶接金属部、融合線、熱影響部で構成される。

熱影響部とは、溶接中に発生する熱によって、溶接部に隣接する金属の構造と特性が変化する領域を指す。

熱影響部の組織と特性の変化は、図2に示すように、熱サイクルだけでなく、母材の組成や初期状態にも影響される。

図2. 溶接熱 被災地

• フュージョン・ゾーン;
• 過熱ゾーン；
• 正常化ゾーン；
• 不完全再結晶ゾーン；
• ベースメタル；
• クエンチングゾーン；
• クエンチングゾーンの一部；
• 焼き戻しゾーン。

非焼入れ鋼の熱影響部の組織分布と特性

「非焼入れ性鋼」とは、通常の低炭素鋼のように、溶接後の自然冷却でマルテンサイトになりにくい鋼を指す。

図2に示すように、非焼入れ性鋼の熱影響部は、融合部、過熱部、焼ならし部、不完全再結晶部の4つの部分から構成される。

(1) フュージョンゾーン：

溶融帯は、ろう材溶融帯と半溶融帯（液相線と固相線の間の温度）で構成される。半溶融帯は、化学組成や構造特性が不均質であるため、強度や靭性に劣り、これを考慮する必要がある。

(2) オーバーヒートゾーン：

このゾーンの温度は通常1100℃前後で、結晶粒径は急速に成長し始める。冷却後、粗い過熱組織が得られ、粗粒領域とも呼ばれる。この領域は脆化や割れを起こしやすい。

(3) ノーマライジングゾーン（相変化再結晶ゾーン）：

温度がAC3以上で結晶粒が急速に成長し始めると、この部分の結晶粒はあまり成長しない。冷却後、均一で微細なパーライトとフェライトが得られ、これらは ノーマライズド熱処理 構造を持ち、総合的な特性も優れている。

(4) 不完全再結晶ゾーン：

この部分の温度はAC1とAC3の間である。この部分の組織は不均一で、粒径と機械的性質が異なる。

これら4つのゾーンは、低炭素鋼および低合金鋼の熱影響部の基本的な構造特性である。しかし、母材によっては、冷間圧延後または溶接前の冷間加工変形後に、500℃からAC1に近い温度範囲で再結晶が起こり、加工硬化が失われ、塑性と靭性が増加する場合がある。

時効に敏感な鋼の場合、AC1～300℃の温度域での時間が少し長くなると、ひずみ時効が発生しやすくなり、この部分で脆化が起こります。この部分を時効脆化領域ともいう。

その金属構造は大きく変化しないが、ノッチ感度があり、溶接時に考慮しなければならない。

易焼入れ鋼の熱影響部の組織分布と特性

「易焼入れ鋼 "とは、溶接後に空冷することで容易に焼入れされ、マルテンサイトなどの硬化組織を形成する鋼を指す。これには以下が含まれる。 焼き入れ・焼き戻し鋼 および中炭素鋼。

(1) 完全焼入れゾーン：

加熱温度が固相線とAの間になると、粒成長により粗大マルテンサイトが生成する。冷却速度が変化すると マルテンサイトの構造 やベイナイトが形成されることもある。しかし、急冷された組織は脆くなりやすく、クラックが発生しやすい。

(2) 不完全クエンチングゾーン：

加熱温度はAC1とAC3の間に位置し、これは不完全再結 晶ゾーンに相当する。母材の元素含有量や冷却速度が異なると、ベイナイト、ソルバイト、パーライトなどの混合組織が生じることがある。

(3) 焼き戻しゾーン：

母材が溶接前に焼戻しを受けた鋼の場合、焼戻し軟化領域が存在する。溶接前の母材の焼戻し温度がt1 であった場合、溶接中の加熱温度がt1 を超えると（ただしAC1 よりも低い）、焼戻し軟化ゾーンが形成される。 溶接工程加熱温度がt1より低いと、過焼入れ軟化が起こる。加熱温度がt1より低ければ、鋼の組織と特性は変化しない。

溶接クラック

溶接クラック は、目視検査や欠陥検出法によって検出することができる。

溶接亀裂の分類：溶接クラックにはいくつかの分類がある。 溶接の種類 溶接亀裂、融合帯亀裂、ルート亀裂、溶接トウ亀裂、アーククレーター亀裂を含み、これらは発生場所に基づいて分類することができる。

さらに、き裂の発生メカニズムを利用して、溶接き裂を次のように分類することもできる。 ホットクラックリヒートクラック、コールドクラック、応力腐食割れなど。

溶接クラックは、その中で最も深刻な欠陥であることに注意することが重要である。 溶接継手 構造部品や機器部品には使用できない。

表5 各種溶接き裂の分類