延性 vs 展性： 何が違うの？
延性とは、材料が破壊されるまでにどれだけの永久変形に耐えられるかを示すもので、一般的には材料を引っ張ることで測定されます。展性とは、ハンマーで叩いたり圧延したりといった圧縮によって成形できる能力を示すものです。金属をワイヤーに引き伸ばすのと、板状に平らにするのを考えてみてください。どちらも形状の永続的な変化を伴いますが、実際の成形加工では、多くの場合、引張と圧縮が組み合わされます。
2つの特性を比較する
おなじみの「引っ張り」と「圧縮」の区別は、理解の出発点として役立ちます。ペンシルベニア州立大学の材料科学の授業では、これらの用語を説明するために、線引きやハンマー加工、圧延といった加工方法を用います。ただし、これは各製造工程において、応力の種類が1種類しかないという意味ではありません。
| 比較 | 延性 | 順応性 |
|---|---|---|
| 本旨 | 材料が破壊する前に耐えられる塑性変形。 | 圧縮荷重下でひび割れを起こさずに形状変化できる能力。 |
| 身近な例 | 金属を線状に引き伸ばす。 | 金を叩いて箔状にしたり、金属を圧延して板状にしたりする。 |
| 一般的な証拠 | 引張伸びと断面積減少率、および試験方法と試験片条件。 | 関連する成形加工または試験の結果。単一の普遍的な「展延性率」は存在しない。 |
| それが教えてくれないこと | 金属を変形させるのに必要な荷重、あるいはすべての曲げ加工や成形加工が成功するかどうか。 | あらゆる工具および材料条件において、保証された曲げ半径、絞り深さ、または許容減径値。 |
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工業用語はより広範な意味を持つ場合があります。アルミニウム業界のGAG用語と定義のセクション4.3では、「加工性」「展性」「成形性」を成形の容易さという項目にまとめています。仕様書を読む際には、「展性」が常に圧縮のみを意味すると決めつけるのではなく、定義されている試験方法と意味に従ってください。
金属が延性と展性の両方を持つことができる理由
どちらの特性も塑性変形を伴います。つまり、荷重が取り除かれた後も金属は新しい形状を維持します。弾性変形は回復可能な部分です。元の形状に戻るバネは弾性を示し、曲がったままのワイヤーも塑性変形を起こしています。塑性変形がほとんどない破壊は脆性破壊と呼ばれます。
金属結晶では、転位と呼ばれる微細な線状欠陥が移動することで構造が変形します。この転位の動きは、多くの金属がすぐに破壊されるのではなく、伸びたり平らになったりする理由を説明するのに役立ちます。NIST （米国国立標準技術研究所）による金属変形の説明では、このメカニズムと、転位間の相互作用がさらなる変形を困難にする仕組みについて解説しています。
金は延性と展性の重複を示す明確な例です。金は箔状に加工でき、細い線状に引き伸ばすことができます。世界金評議会は、金の線引き加工能力について説明しています。金属を延性があると呼ぶことは、展性がないことを意味するものではなく、どちらの言葉も、すべての合金や熱処理に対して固定された性能レベルを割り当てるものではありません。
延性は強度や硬度とは異なります。強度は応力に対する抵抗力、硬度は局所的な圧痕に対する抵抗力を指します。延性は破壊前の変形量を指します。金属は変形に相当な力を必要とする場合でも、破壊前に有効な塑性ひずみを受けることがあります。弾性変形については、鋼とアルミニウムの剛性と強度の関係を参照してください。
延性はどのように測定されるのですか？
引張試験では、試験片を一軸方向に引っ張ります。この試験では、破断するまでにどれだけ伸び、断面積がどれだけ狭くなるかを記録できます。ASTM E8/E8Mは、伸びや断面積減少などの引張測定を規定しています。これらの結果は試験対象サンプルの特性を示すものであり、完成品のすべての箇所を自動的に記述するものではありません。
骨折後の伸長、A
これは、目盛りの付いたゲージ長の永久的な増加分を、元の長さに対する割合で表したものです。手動測定の場合、破損した部品を慎重に組み合わせて最終的なゲージ長を測定します。50 mmから62.5 mmへの変化は、25%の伸びに相当します。これはあくまで計算例であり、写真からの測定値ではありません。
レポートに記載されている伸び率を確認してください。均一伸びは、局所的なくびれが生じる前の伸びを表します。破断後の伸びは、くびれ部分の変形も反映します。荷重下で測定される破断時の全伸びには、弾性伸びと塑性伸びが含まれます。記号、終点、測定方法が重要です。ZwickRoellでは、伸びの測定方法と計算式について説明しています。
面積の縮小、Z
これは、元の断面積と破断面における最小断面積を比較したものです。これは局所的な狭窄を表し、一方、伸長はゲージ長にわたって測定されます。断面積が80 mm²から44 mm²に変化すると、断面積が45%減少します。この2つのパーセンテージは異なる形状を表しており、互換性はありません。断面積減少の定義と式を参照してください。
伸びと断面積減少を計算する
各ペアの寸法を入力してください。最初のペアでは長さの単位を、2番目のペアでは面積の単位をそれぞれ同じにしてください。以下のフィールドではmmとmm²を使用します。
例：（62.5 − 50）÷ 50 × 100 = 25% A、（80 − 44）÷ 80 × 100 = 45% Z。S₀ と Sᵤ には直径ではなく面積を入力してください。結果は算術的なチェックであり、可鍛性評価や成形許容限界ではありません。
同等の試験報告書を比較してください。合金の種類と熱処理状態、試験片の形状と厚さ、元のゲージ長、サンプリング方向、温度、および試験方法を確認してください。ゲージ長が短いからといって、必ずしも材料の結果が優れているとは限りません。これらの詳細を確認することで、公表されている2つの伸び値が異なる理由を理解できます。
引張延性がすべての成形加工を予測できない理由
成形性とは、実際の加工条件下で必要な形状を作り出す能力を意味します。引張試験片は、急な曲げ加工、引き伸ばされたパネル、または絞り加工されたカップとは異なる荷重経路をたどります。
曲げ加工では、外面が伸び、内面が圧縮されます。カップ絞り加工では、周囲の平板（フランジ）が内側に移動します。フランジは半径方向の引張応力と円周方向の圧縮応力を受けます。この組み合わせについては、WorldAutoSteelの絞り加工ガイドで説明されています。
したがって、「非常に可鍛性が高い」といったラベルには、具体的な検証が必要です。どのような成形加工、材料の状態、工具を使用したのか？部品の主な変形モードを示す証拠を選択してください。
| 部品に関する質問 | 有用な証拠 | どのように解釈するか |
|---|---|---|
| 曲げたときに割れるだろうか？ | 指定された曲げ試験、例えば ASTM E290曲げ角度、内径、および試験片の状態によって決まります。 | この評価は、曲げ加工における亀裂に対する耐性を示すものです。ただし、すべての厚さ、方向、および工具に対して単一の最小半径を提供するものではありません。 |
| このシーツはどれくらい伸びますか？ | ボールパンチテストなど ASTM E643. | 主に二軸延伸挙動を比較する。潤滑状態や保持条件は結果に影響を与える。カップの高さは普遍的な生産限界ではない。 |
| 描画時に紙が薄くなるのを防ぐ仕組みは何か？ | 塑性ひずみ比、 r、から ASTM E517加えて、関連する抽選試験。 | rは塑性異方性、すなわち方向依存的な変形を表します。これは深絞り加工の挙動に影響を与えるため、方向と使用したひずみレベルを報告してください。 |
| 伸ばす過程でどのように硬化するのですか？ | ひずみ硬化指数、 n、から ASTM E646. | 類似材料における相対的な延伸成形性を評価するのに役立ちます。適合したひずみ範囲と試験条件をその値とともに保持してください。 |
| 成形シートにおいて、局所的なくびれはいつ頃から始まる可能性があるか？ | 成形限界曲線、または FLC測定方法には以下のようなものがあります。 ASTM E2218. | 試験対象シートの主ひずみと副ひずみの限界値を示します。材料の履歴が重要です。これは、端部のひび割れ、しわ、またはあらゆる破壊モードに対する一般的な合否判定基準ではありません。 |
部品の難易度を考慮したテストを選択してください。この表は、各測定項目から何がわかるかを示すガイドであり、5つのテストすべてを実行する必要はありません。
合金の種類、焼き戻し、加工履歴が重要な理由
材料名だけでは不十分です。同じ合金でも、焼きなまし処理を施した板材と、高度に冷間加工を施した板材では、強度や残留変形能力が異なる場合があります。圧延、引抜き、曲げといった前工程によって、次の工程に進む材料は変化するのです。
冷間加工は通常、強度と硬度を高める一方で、残留延性を低下させます。変形が進むにつれて、転位が増殖して相互作用し、それ以上の塑性変形が困難になります。適切な焼きなまし処理によって、加工硬化した金属の成形性を回復させることができますが、その処理は合金の種類と求められる最終状態に適合している必要があります。これらの関係については、GAGの加工硬化と焼きなましの定義に記載されています。
これは、引張試験における高いn値の有用性と矛盾するものではありません。n値は、金属が変形する際にどのように硬化するかを表すものであり、試験前に蓄積された冷間加工量ではありません。冷間加工状態と加工硬化指数は、異なる問いに答えるものです。
温度、変形速度、サンプリング方向も比較結果に影響を与えます。部品が実際に成形される条件のデータを使用してください。「加熱すると成形しやすくなる」という表現は、成形温度や熱処理サイクルを選択するには曖昧すぎます。
実際の部分で差分を使用する
以下の例は、材料の説明から実用的な検証方法へと移行する方法を示しています。これらは架空の状況であり、実際に工場で行われた試験結果ではありません。
シートは伸びの要件を満たしているが、曲げ部分でひび割れる
引張試験の結果は、異なる変形モードを測定したものであるため、依然として有効である可能性があります。まず、報告書が同じ合金、調質、厚さ、ロットに属していることを確認してください。次に、実際の曲げの内径と圧延方向に対する方向を比較し、亀裂が発生した端面を検査してください。
代表的な曲げ試験を行うことで、提案された曲げ半径と工具を直接テストできます。端面から発生する亀裂の場合は、材料だけでなく端面の品質も確認する必要があります。次のステップでは、板金曲げ半径ガイドを使用してください。伸び率をそのまま承認された曲げ半径に変換しないでください。
ワイヤーは最初はうまく引き伸ばされるが、何度か通すと切れてしまう。
「延性金属」とは、無限に引き伸ばせるという意味ではありません。表面欠陥、潤滑、金型の状態、パスごとの減面率などと並んで、累積的な冷間加工が原因の一つとして考えられます。原因を特定する前に、破損箇所と加工履歴を確認してください。
累積変形が原因と考えられる場合は、引抜き工程と、合金の承認済み工程に中間焼鈍が含まれているかどうかを確認してください。提案された工程を用いて試験を行い、その結果を確認する必要があります。ワイヤの初期伸びや一般的な焼鈍温度だけでは、その結果を判断することはできません。
有用な材料仕様書は具体的であるべきです。「高い延性と良好な展性」といった漠然とした表現ではなく、合金の種類と調質、製品の形状と厚さ、測定された特性とその試験方法、そして想定される成形加工工程を明記してください。部品に合否判定基準が必要な場合は、適切な基準を合意してください。
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