銅合金材料の強化方法の解析
銅および銅合金に一般的に使用される強化方法には、変形強化、細粒強化、固溶体強化、時効析出（析出）強化、分散強化、複合材料強化、微量元素の添加などがあります。
1.変形強化
変形強化とは銅合金を塑性変形させて強度や硬度を向上させることです。 銅合金の最も一般的に使用される強化方法の1つです。 冷間加工によって生じる結晶欠陥は材料の導電性にほとんど影響を与えないため、この強化方法により合金の導電性を高めながら強度を向上させることができます。 変形強化の特徴は、材料の強度は増加しますが、塑性は急激に減少し、転位密度の増加により電気伝導率もわずかに減少します。 また、使用温度が上昇すると材料は回復・再結晶作用を起こして軟化するため、単一変形強化では合金の強度向上に限界があるため、他の強化方法と併用して使用されることが多いです。
2. 細粒強化
細粒強化とは、鋳造時に急冷凝固手段や熱処理方法を用いて細粒を得る方法です。 粒子を微細化するために、特定の微量合金元素を添加することもできます。 粒子サイズが小さくなり、合金の強度が増加し、合金の導電率にはほとんど影響を与えません。 したがって、細粒強化は銅合金の主要な強化方法の 1 つとなっています。 細粒強化の優れた利点は、材料の強度を向上させながら、材料の可塑性を向上できることです。 これは、結晶粒微細化により、材料の変形時に粒界での転位の蓄積による応力集中が効果的に緩和され、亀裂の発生が遅れ、材料が破壊する前により大きな変形量を得ることができるためです。 この利点のため、粒子の微細化は広く使用されています。
3. 固溶強化
金属に特定の溶質元素を取り込んで固溶させ、強度や硬度を高める現象を固溶強化といいます。 固溶強化は、溶質原子の溶解によって溶媒金属の結晶格子に歪みが生じ、それによって転位の移動に対する抵抗が増加するために発生します。 固溶体中の溶質含有量を適切に制御すると、良好な可塑性と靱性を維持しながら、材料の強度と硬度を大幅に向上できることが実際に証明されています。 たとえば、銅に 19% のニッケルを添加すると、合金のファイブは 220MPa から 380~400MPa に、硬度は HB44 から HB70 に増加しますが、可塑性は依然として ψ=50% を維持します。 銅が他の手段（冷間変形中の加工硬化など）によって同じ強化効果を達成した場合、その可塑性はほぼ完全に失われます。 固溶強化は、溶質原子と固溶体中の移動転位との相互作用を利用して流動応力を増加させる強化方法です。 適量の合金元素を基材に添加して固溶体を形成すると、一般に合金の強度が向上します。 モット・ナバロ理論によれば、薄い固溶体の場合、溶質元素の濃度に伴う降伏強度の変化は、б=бo+kCm として表すことができます。 式中の б は合金の降伏強度です。 бo は純粋な金属の降伏強度です。 C は溶質の原子質量濃度です。 k と m はマトリックスと合金元素の特性によって決定される定数で、m の値は 0.5 ～ 1 です。
4.時効析出（析出）強化
時効析出強化の基本原理は、室温では固溶度が非常に小さく、高温では固溶度が大きい合金元素を銅に添加することです。 高温固溶体処理により、合金元素がベース中に過飽和固溶体を形成します。 純銅に比べて強度が向上します。 そして、時効により過飽和固溶体が分解し、合金元素が所定の形で析出し、素地中に分散分布して析出相を形成する。 析出相は粒界や転位の移動を効果的に防止し、合金の強度を大幅に向上させます。 析出強化を生成する合金元素は、次の 2 つの条件を満たす必要があります。第 1 に、高温と低温での銅への固溶度が大きく異なるため、時効中に十分な強化相が生成されます。 第二に、室温での銅の固溶度は大きく異なります。 マトリックスの高い導電性を確保するために、溶解度は極めて小さい。 析出強化は、高強度、高導電性の銅合金で最も広く使用されている強化方法です。 銅合金では、時効析出強化効果を発現させるために、Ti、Co、P、Ni、Si、Mg、Cr、Zr、Be、Feなどの元素が添加されます。時効析出強化の最大の利点は、時効析出強化の最大の利点です。導電性への損傷を最小限に抑えながら、材料の強度を向上させます。
5. 拡散強化
分散強化材とは、銅粉末に一定の形状・大きさの分散強化相粉末を十分に混合し、粉末冶金法などにより作製した材料です。 第二相粒子（Al2O3、ThO2、Zro2など）が銅マトリックス中に分散・分布し、分散強化効果により銅合金の強度が向上します。 この方法は、強度を向上させながら、銅の電気伝導性と熱伝導性にほとんど影響を与えません。 銅母相中に分散分散した第二相粒子を得るには、銅母相に第二相粒子を添加するか、あるいは何らかのプロセスを経て銅母相中に分散分散した第二相粒子をその場で生成させることが考えられる。 具体的な方法としては、機械混合法、共沈法、内部酸化法、逆ゲル沈殿法、電解沈殿法などが挙げられます。分散強化の主な機構としては、オロワン機構とアンセル・レニエ機構が挙げられます。
(1)オロワンの仕組み。 塑性変形中、転位線は第 2 相粒子を直接切断することはできませんが、外力の作用により転位線は第 2 相粒子の周囲で曲がり、最終的に転位リングが第 2 相粒子の周囲に残されて消滅します。 。 間違ったパス。 転位が曲がることにより、転位の影響を受けた領域の格子歪みエネルギーが増加し、転位線の移動に対する抵抗が増加し、滑り抵抗が増加します。
(2) (2) アンセル・レニエ機構。 GS アンセルら。 分散強化合金の降伏に関する別の転位モデルを提案しました。 彼らは、転位の蓄積による分散した第 2 相粒子の破壊を収率の基準として使用しました。 粒子にかかるせん断応力が分散粒子の破壊応力と等しい場合、分散強化合金は降伏します。
6. 繊維原位置複合補強
この方法は主に銅に過剰な合金元素（Cr、Fe、V、Nbなど）を添加して二相複合体を得る方法を指します。 過剰元素は凝固した合金中に単相および樹枝状組織の形で存在する。 その後、合金を大きく変形させながら引き伸ばすと、合金元素の樹枝状構造が繊維構造に変化する。 繊維の存在により、転位の動きに対する抵抗が増加し、それによって材料が強化されます。
7. 微量元素の添加
ベースに特定の微量元素を添加して合金化することは、合金を強化するだけでなく、耐食材料の開発にも有効な手段です。 これらの微量元素の一部は分散相を形成することによって合金を強化し、また一部はマトリックス構造を浄化することによって合金を強化しますが、いずれも耐食性を大幅に低下させるものではないため、合金の全体的な性能が向上します。
