金属材料とは、金属元素、または金属元素を主成分として金属的性質を有する材料を指します。純金属、合金、金属材料の金属間化合物、特殊な金属材料等を含みます（注：金属酸化物（酸化アルミニウムなど）は金属材料ではありません）。
意義
人類の文明の発展と社会の進歩は金属材料と密接に関係しています。石器時代に続く青銅器時代と鉄器時代は、金属材料の応用によって特徴づけられました。現代において、多種多様な金属材料は人類社会の発展にとって重要な物質基盤となっています。
タイプ
金属材料は通常、鉄金属、非鉄金属、特殊金属材料に分類されます。
(1) 鋼材とも呼ばれる鉄金属には、鉄を 90% 以上含む工業用純鉄、炭素を 2%-4% 含む鋳鉄、炭素を 2% 未満含む炭素鋼、構造用鋼およびステンレスが含まれます。さまざまな用途に使用される鋼材。 、耐熱鋼、高温合金、ステンレス鋼、精密合金など。一般的な鉄金属には、クロム、マンガンおよびそれらの合金も含まれます。
(2) 非鉄金属とは、鉄、クロム、マンガンを除くすべての金属およびその合金を指し、通常、軽金属、重金属、貴金属、半金属、レアメタルおよびレアアースメタルに分類されます。非鉄合金の強度と硬度は一般に純金属よりも高く、抵抗が大きく、抵抗温度係数が小さくなります。
(3) 特殊金属材料。用途に応じた構造用金属材料や機能性金属材料など。その中には、急速な凝縮プロセスによって得られるアモルファス金属材料や、準結晶、微結晶、およびナノ結晶金属材料が含まれます。ステルス性、耐水素性、超電導性、形状記憶、耐摩耗性、振動の低減と減衰などの特殊な機能を備えた合金もあります。金属基複合材料など
パフォーマンス
一般に、プロセス パフォーマンスと使用パフォーマンスの 2 つのカテゴリに分類されます。いわゆるプロセス性能とは、機械部品の製造工程において、指定された冷間および熱間加工条件下での金属材料の性能を指します。金属材料の加工性能の良否は、製造工程における加工や成形への適応性を左右します。加工条件の違いにより、鋳造性、溶接性、鍛造性、熱処理性、切削加工性など、求められる加工特性も異なります。
いわゆる性能とは、機械部品の使用条件下における金属材料の機械的性質、物理的性質、化学的性質などの性能を指します。金属材料の性能は、その使用範囲や寿命を決定します。機械製造業では、一般的な機械部品は常温、常圧、腐食性の高い媒体中で使用されており、使用中に各機械部品には異なる負荷がかかります。金属材料が荷重を受けても損傷しにくい性質を機械的性質といいます（以前は機械的性質とも呼ばれていました）。金属材料の機械的特性は、部品の設計と材料選択の主な基礎となります。外部荷重の性質（引張、圧縮、ねじり、衝撃、繰返し荷重など）に応じて、金属材料に求められる機械的特性も異なります。一般的に使用される機械的特性には、強度、可塑性、硬度、衝撃靱性、多重衝撃耐性、および疲労限界が含まれます。
金属材料の特性
Vol.1
倦怠感
多くの機械部品やエンジニアリングコンポーネントは交流負荷にさらされます。交流荷重が作用すると、応力レベルは材料の降伏限界より低いにもかかわらず、長時間応力サイクルを繰り返すと突然脆性破壊が発生します。この現象を金属材料の疲労といいます。金属材料の疲労破壊の特徴は次のとおりです。
(1) 負荷応力が交互である。
（２）負荷が長時間作用する。
(3) 破壊は瞬間的に起こります。
(4) プラスチック材料であっても脆性材料であっても、疲労破面部では脆性が生じます。したがって、疲労破壊は工学分野で最も一般的で危険な形式の破壊です。
金属材料の疲労現象は条件により次のような種類に分類されます。
#1
高サイクル疲労
これは、低応力条件 (加工応力が材料の降伏限界よりも低い、または弾性限界よりも低い) での応力サイクル数が 100 を超える疲労を指します。000。これは最も一般的なタイプの疲労損傷です。高サイクル疲労は一般に疲労と呼ばれます。
#2
低サイクル疲労
これは、高応力 (加工応力が材料の降伏限界に近い) または高ひずみ条件下での疲労を指し、応力サイクル数が 10,000 ～ 100,000 未満です。この疲労損傷には交互塑性ひずみが大きな役割を果たしているため、塑性疲労またはひずみ疲労とも呼ばれます。
#3
熱疲労
温度変化による熱応力が繰り返し作用することにより生じる疲労損傷を指します。
#4
腐食疲労
これは、交互負荷と腐食性媒体 (酸、アルカリ、海水、反応性ガスなど) の複合作用下で機械コンポーネントによって引き起こされる疲労損傷を指します。
#5
接触疲労
機械部品の接触面を指します。接触応力が繰り返し作用すると、孔食や剥離、あるいは表面の潰れや剥離が発生し、機械部品の故障や損傷につながります。
Vol.2
可塑性
可塑性とは、外部負荷力の作用下で破壊されることなく永久変形 (塑性変形) を引き起こす金属材料の能力を指します。金属材料を伸ばすと、長さと断面積が変化します。したがって、金属の塑性は長さの伸び（伸び）と断面の縮み（面積収縮）の2つの指標で測ることができます。
金属材料の伸びと面積収縮が大きいほど、材料の可塑性は優れています。つまり、材料は損傷することなく大きな塑性変形に耐えることができます。一般に、伸びが5％を超える金属材料をプラスチック材料（低炭素鋼など）と呼び、伸びが5％未満の金属材料を脆性材料（ねずみ鋳鉄など）と呼びます。 。塑性特性に優れた材料は、マクロな広い範囲で塑性変形を起こすことができると同時に、塑性変形により金属材料を強化することができるため、材料の強度が向上し、部品を安全に使用することができます。さらに、可塑性が良好な材料は、プレス、冷間曲げ、冷間引抜、矯正などの特定の成形プロセスをスムーズに行うことができます。そのため、機械部品用の金属材料を選択する際には、特定の塑性指標を満たす必要があります。
Vol.3
耐久性
建物の金属腐食の主な形態は次のとおりです。
(1) 均一な腐食。金属表面が腐食すると、断面が均一に薄くなります。そのため、腐食性能（腐食速度）の指標として年平均減肉値がよく用いられます。鋼は一般に大気中で均一に腐食します。
(2) 洞窟腐食。金属は部分的に腐食し、深い穴が形成されます。孔食の発生は、金属とそれが存在する媒体の性質に関連しています。孔食は塩素塩を含む媒体で発生しやすくなります。孔食の評価指標として最大穴深さがよく用いられます。パイプラインの腐食は主に孔食によって引き起こされます。
(3) ガルバニック腐食。異なる金属の接触点における異なる電位によって引き起こされる腐食。
(4) すきま腐食。局部腐食は、さまざまな部品間の媒体の組成や濃度の違いにより、隙間やその他の隠れた領域の金属表面で発生することがよくあります。
(5) 応力腐食。腐食性媒体と高い引張応力が組み合わさった作用により、金属表面が腐食して内部に拡大して微小亀裂が生じ、多くの場合、突然の破損につながります。この破損は、コンクリート内の高張力鋼棒 (ワイヤー) で発生する可能性があります。
Vol.4
硬度
硬度は、表面に押し込まれる硬い物体に抵抗する材料の能力を示します。金属材料の重要な性能指標の一つです。一般に硬度が高いほど耐摩耗性は良くなります。一般的に使用される硬度指標には、ブリネル硬度、ロックウェル硬度、ビッカース硬度などがあります。
ブリネル硬さ（HB）：一定の大きさ（通常直径10mm）の硬化した鋼球を一定の荷重（通常3000kg）で材料の表面に押し込み、一定時間保持します。荷重を取り除いた後、そのくぼみ面積に対する荷重の比率、つまりブリネル硬さ値 (HB) です。単位はキログラム力/mm2 (N/mm2) です。
Rockwell hardness (HR): When HB>450 またはサンプルが小さすぎる場合、ブリネル硬度試験は使用できず、代わりにロックウェル硬度測定が使用されます。頂角120度のダイヤモンドコーンまたは直径1.59または3.18mmの鋼球を用いて、一定の荷重で被試験材料の表面に押し込み、その硬度から材料の硬さを計算します。くぼみの深さ。試験材料の異なる硬度に応じて、異なる圧子と合計試験圧力を使用して、いくつかの異なるロックウェル硬度スケールを形成できます。各スケールには、ロックウェル硬度記号 HR の後の文字がマークされています。一般的に使用されるロックウェル硬度スケールは、A、B、および C (HRA、HRB、HRC) です。その中でもCスケールが最も広く使われています。
HRA：非常に硬い材料（超硬合金等）に使用される60kg荷重のダイヤモンドコーン貫入器を使用して得られる硬さです。
HRB：直径1.58mmの焼入鋼球に100kgの荷重を加えたときの硬さです。硬度の低い材料（焼きなまし鋼、鋳鉄など）に使用されます。
HRC：150kgの荷重とダイヤモンドコーン貫入による硬度で、非常に硬度の高い材料（焼き入れ鋼など）に使用されます。
ビッカース硬さ（HV）：荷重120kg以内、頂角136度のダイヤモンド角錐貫入器を使用し、材料表面に圧入します。材料のくぼみの表面積を荷重値で割った値がビッカース硬さ値 (HV) です。硬さ試験は、機械的特性試験の中で最も単純かつ容易な試験方法です。特定の機械的特性試験の代わりに硬度試験を使用するには、製造時に硬度と強度の間のより正確な変換関係が必要です。金属材料のさまざまな硬度値の間、および硬度値と強度値の間にはおおよその対応関係があることが実践により証明されています。硬度の値は初期の塑性変形抵抗と継続的な塑性変形抵抗によって決まるため、材料の強度が高いほど塑性変形抵抗が大きくなり、硬度の値も高くなります。
金属材料の性質
金属材料の性能は、材料の適用範囲とその適用の合理性を決定します。金属材料の性質は主に、機械的性質、化学的性質、物理的性質、プロセス的性質の4つの側面に分けられます。
Vol.1
機械的性質
応力: 物体の内部の単位断面積あたりに耐える力を応力といいます。外力によって生じる応力を加工応力、外力を受けずに物体の内部で平衡している応力を内部応力（組織応力、熱応力、加工後に残る残留応力など）といいます。
機械的性質：金属に一定の温度条件下で外力（荷重）が加わったときに、変形や破壊に耐える性質を金属材料の機械的性質（機械的性質ともいいます）といいます。金属材料が耐える荷重にはさまざまな形式があり、引張応力、圧縮応力、曲げ応力、せん断応力、ねじり応力、摩擦、振動、衝撃などを含む静的荷重または動的荷重が含まれます。金属材料の機械的性質を測定する主な指標には以下のようなものがあります。
1.1
強さ
これは、外力の作用下で材料が変形や損傷に耐える最大の能力を表し、引張強度の限界（σb）、曲げ強度の限界（σbb）、圧縮強度の限界（σbc）などに分けられます。材料は外力の作用下で変形から破壊まで一定の規則に従います。通常、測定には引張試験が使用されます。つまり、金属材料を特定の仕様の試験片にし、引張試験機で試験が終了するまで引張試験が行われ、サンプルが破断します。 、測定された強度指標には主に次のものが含まれます。
(1) 強度限界：外力の作用下で材料が破壊に耐えることができる最大応力。一般に、引張力の作用下での引張強さの限界を指し、σb で表されます。たとえば、最高点 b に対応する強度限界などです。引張試験曲線では、一般的に使用される単位はメガパスカル (MPa) であり、換算関係は次のとおりです: 1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2 または1kgf/mm2=9.8MPa。
(2) 降伏強度限界：金属材料サンプルに加わる外力が材料の弾性限界を超えると、応力は増加しなくなりますが、サンプルは明らかな塑性変形を起こします。この現象を降伏といいます。つまり、材料が外力にある程度耐えるのですが、ある程度の強度に達すると、変形が外力に比例しなくなり、明らかな塑性変形が生じます。降伏が発生する応力は降伏強度限界と呼ばれ、σs で表され、引張試験曲線に対応する S 点は降伏点と呼ばれます。塑性が高い材料の場合、引張曲線上に明らかな降伏点が存在しますが、塑性が低い材料の場合は明らかな降伏点がないため、降伏点での外力に基づいて降伏限界を計算することが困難になります。したがって、引張試験方法では、通常、試験片の標点距離が 0.2% の塑性変形を生じたときの応力が条件降伏限界として指定され、σ0.2 で表されます。降伏限界指数は、部品が動作中に重大な塑性変形を生じないことを要求する設計の基礎として使用できます。ただし、一部の重要な部品については、安全性と信頼性を向上させるために降伏強度比 (すなわち σs/σb) を小さくする必要があるとも考えられます。しかし、現時点では材料の利用率も低い。
(3) 弾性限界：外力が加わると材料は変形しますが、外力がなくなると元の形状に戻ろうとする性質を弾性といいます。金属材料が弾性変形を維持できる最大応力は弾性限界であり、引張試験曲線の点 e に対応し、メガパスカル (MPa) 単位の σe で表されます: σe=Pe/Fo、ここで Peは弾性限界です。最大外力（または材料の最大弾性変形時の荷重）。
(4) 弾性率: 弾性限界範囲内の材料の応力 σ とひずみ δ (応力に対応する単位変形量) の比で、メガパスカル (MPa) 単位で E で表されます: E{{1 }}σ/δ =tg .式中の は、引張試験曲線上の oe ラインと横軸 ox の間の角度です。弾性率は、金属材料の剛性（応力が加わったときに金属材料が弾性変形しにくい性質を剛性といいます）を反映する指標です。
1.2
可塑性
外力の作用下で破壊することなく永久変形を引き起こす金属材料の最大の能力は、塑性と呼ばれます。通常、引張試験時のサンプル標点間伸びδ（％）およびサンプル断面収縮率ψ（％）伸びδとして測定される。 {{0}[(L1-L0)/L0]x100%、これが差です(引張試験中に試験片が破壊され、試験片の破断が結合した後の標点間長さ L1 と、試験片の元の標点間長さ L0 と L0 との比較。実際の試験では、同じ材料で仕様（直径、正方形、円形、長方形、ゲージ長などの断面形状）が異なる引張試験片の伸びの測定値は異なるため、通常は次のような特別な追加が必要です。最も一般的に使用される円形断面試験片の場合、初期標点距離が試験片直径の 5 倍のときに測定される伸びは δ5 で表されます。試験片直径の10倍はδ10で表されます。断面収縮 ψ=[(F0-F1)/F0]x100%。これは、引張試験中にサンプルが破断した後の元の断面積 F0 と最小断面積との差です。骨折の狭い頸部の断面積 F1 (断面縮小) と F0 比。実際には、最も一般的に使用される円形断面の試験片は、通常、直径測定によって計算できます: ψ=[1-(D1/D0)2]x100%、ここで: D0-試験片の元の直径。試験片が破壊された後の破壊 首部の最小直径。 δとψの値が大きいほど、材料の可塑性は優れています。
1.3
靭性
衝撃荷重下での損傷に耐える金属材料の能力は靭性と呼ばれます。通常、衝撃試験が使用されます。つまり、特定のサイズおよび形状の金属サンプルが、指定されたタイプの衝撃試験機で衝撃荷重下で破壊されるとき、破断面の単位断面積あたりに消費される衝撃エネルギーは次のようになります。材料の靭性を特徴付けるために使用されます: k=Ak/F。単位は J/cm2 または Kg·m/cm2、1Kg·m/cm2=9.8J/cm2。 kは金属材料の衝撃靭性と呼ばれ、Akは衝撃エネルギー、Fは破壊の元の断面積です。
1.4
疲労性能
疲労強度限界 金属材料が長期にわたる繰返し応力や交番応力（一般に降伏限界強度σs未満）を受けても、大きな変形を伴わずに破壊する現象を疲労損傷または疲労破壊といいます。これは、部品表面の局所的な部分に σs を超える、あるいは σb を超える応力 (応力集中) が発生し、この部分に塑性変形や微小亀裂が発生することが原因です。繰り返しの交互応力の回数が増加すると、亀裂は徐々に拡大し、亀裂の先端で深くなります。応力集中）により、局所応力が σb より大きくなり破壊が発生するまで、応力に耐える局所領域の実際の断面積が減少します。実際の用途では、サンプルは通常、指定されたサイクル数 (通常、鋼の場合は 106 ～ 107 回、鋼の場合は 106 ～ 107 回) 内で繰り返しまたは交互の応力 (引張応力、圧縮応力、曲げ応力、ねじり応力など) にさらされます。非鉄金属）。破壊せずに耐えられる最大応力を108倍)を疲労強度限界とし、σ-1で表します(MPa単位)。
上記の最も一般的に使用される機械的特性指標に加えて、航空宇宙、原子力産業、発電所などで使用される金属材料など、特に要件が厳しい一部の材料では、次の機械的特性指標も必要です。
クリープ限界: 一定の温度と一定の引張荷重の下で、時間の経過とともにゆっくりと材料が塑性変形する現象をクリープといいます。通常、高温引張クリープ試験は、一定の温度と一定の引張荷重の下で、指定された時間内またはクリープ伸び速度が比較的一定である場合のサンプルのクリープ伸び（全伸びまたは残留伸び）を測定する試験です。段階では、クリープ速度が特定の指定値を超えないときの最大応力がクリープ限界とみなされ、MPa で表されます。ここで、τ は試験時間、t は温度、δ は伸び、σ は応力です。または で表され、V はクリープ速度です。
高温引張耐久強度限界: 一定の温度と一定の引張荷重の作用下で、サンプルが破損することなく指定された持続時間に達することができる最大応力。
金属ノッチ感度係数：Kτは、同じ持続時間（高温引張耐久試験）におけるノッチのない平滑試験片に対するノッチ付き試験片の応力比を表します。
熱抵抗: 高温での機械的負荷に対する材料の抵抗。
Vol.2
化学的性質
金属が他の物質と化学反応を起こす性質を金属の化学的性質といいます。実際の用途では、主に金属の耐食性と耐酸化性（耐酸化性とも呼ばれ、高温での酸化に対する金属の耐性や安定性を指します）、および異なる金属間の関係が主に考慮されます。金属と金属の関係。非金属間に形成される化合物が機械的性質などに及ぼす影響 金属の化学的性質、特に耐食性の中でも金属の腐食疲労損傷は非常に重要です。
Vol.3
物理的性質
金属の物理的特性では主に次のことが考慮されます。
(1) 密度 (比重): ρ=P/V、単位: g/立方センチメートルまたはトン/立方メートル、P は重量、V は体積です。実際のアプリケーションでは、密度に基づいて金属部品の重量を計算することに加えて、材料の選択に役立つ金属の比強度 (強度 σb と密度 ρ の比) や音響インピーダンスを考慮することが重要です。非破壊検査に関連する音響検査（密度 ρ と音速 C の積）や放射線検出では、密度が異なる材料は放射線エネルギーの吸収能力が異なります。
(2) 融点：金属が固体から液体に変化する温度。金属材料の製錬や熱加工に直接影響し、材料の高温特性と大きな関係があります。
(3) 熱膨張：温度が変化すると、材料の体積も変化します（膨張または収縮）。この現象を熱膨張といいます。線膨張係数で測定されることが多いです。つまり、温度が 1 度変化すると、材料の長さの増減は 0 度における長さの比率に等しくなります。熱膨張は材料の比熱に関係します。実際の用途では、比容積も考慮する必要があります (材料が温度などの外部影響を受けると、単位重量あたりの材料の体積、つまり体積と質量の比率が増減します)。高温環境、または低温または高温環境。交互環境で動作する金属部品の場合、その膨張特性の影響を考慮する必要があります。
(4) 磁性：強磁性体を引き寄せる性質は磁性であり、透磁率、ヒステリシス損失、残留磁気誘導強度、保磁力などのパラメータに反映され、金属材料は常磁性、反磁性に分類できます。 、軟磁性材料と硬磁性材料。
(5) 電気的特性: 電磁非破壊検査における比抵抗と渦電流損失に影響を与える電気伝導率を主に考慮します。
Vol.4
プロセスパフォーマンス
金属のさまざまな加工方法への適応性を加工性能と呼びますが、これには主に次の 4 つの側面が含まれます。
(1) 切削性能: 切削工具 (旋削、フライス、プレーニング、研削など) による金属材料の切削の難しさを反映します。
（2）鍛造性：金属材料を一定の温度に加熱したときの塑性（塑性変形抵抗の大きさで表す）や熱間圧力が可能な温度範囲など、金属材料の加圧加工における成形の難しさを反映します。加工サイズ、熱膨張および収縮特性、および微細構造および機械的特性に関連する臨界変形の限界、熱変形中の金属の流動性および熱伝導率など。
(3) 鋳造性: 金属材料を溶解して鋳物に鋳造することの困難さを反映します。これは、流動性、エアゲッター、酸化、溶融状態の融点、鋳物の微細構造の均一性と緻密さによって現れます。冷たさ 縮み等
(4) 溶接性：金属材料の急速な局所加熱が困難であることを反映して、接合部分が急速に溶融または半溶融し（圧力が必要）、接合部分がしっかりと結合して全体を形成することができます。融点、吸収性、酸化性、熱伝導率、熱膨張収縮特性、溶融時の塑性、接合部や周囲材料の微細構造との相関、機械的性質への影響などで表されます。