要するに、温度は材料の機械的挙動を根本的に変化させます。一般的な法則として、温度が上昇すると、ほとんどの材料は柔らかく、弱くなり、より延性（破壊せずに伸びる能力）が増します。逆に、温度が低下すると、材料は硬く、強く、より脆く（警告なしに破断しやすくなる）なる傾向があります。
中心的な原理は、温度が原子および分子の移動性を制御することです。熱は原子やポリマー鎖が移動、滑り、再配置するためのエネルギーを提供しますが、低温はその動きを制限し、応力下で全く異なる反応を引き起こします。
温度効果の微視的起源
温度がこれほど大きな影響を与える理由を理解するには、原子レベルを見る必要があります。材料の特性は、その原子や分子がどのように相互作用するかの直接的な結果です。
原子振動と結合強度
固体材料中のすべての原子は絶えず振動しています。温度はこの運動エネルギーの尺度です。
材料を加熱すると、この原子振動が増加します。原子同士がより強く押し合い、剛性構造内に原子を保持している結合が実質的に弱まります。これにより、力が加えられたときに原子が互いに滑りやすくなります。
金属における転位の移動
金属などの結晶性材料では、荷重下での変形は**転位**と呼ばれる線欠陥の移動によって起こります。
高温は、これらの転位が結晶格子内の障害を乗り越えて移動するのを助ける熱エネルギーを提供します。この移動が促進されるため、金属は高温になると曲げたり成形したりしやすくなります。
主要な機械的特性の変化
原子レベルの変化は、私たちが測定し設計の基礎とする巨視的な特性に予測可能な変化として現れます。
強度と硬度
降伏強度（材料が永久に変形し始める応力）と**引張強さ**（材料が耐えられる最大応力）は、温度が上昇すると両方とも低下します。
原子結合が弱まり、転位がより容易に移動するため、塑性変形の開始と維持に必要な力が少なくなります。局所的な変形への抵抗の尺度である硬度も、同じ傾向に従います。
延性
延性は、材料が破壊するまでにどれだけ変形できるかの尺度であり、しばしば伸び率（パーセント）で測定されます。
ほとんどの金属では、温度とともに延性は大幅に増加します。原子の移動性が高まることで、材料は応力に対応するために内部構造を伸ばし再配置することができ、破壊を遅らせます。
靭性
靭性は、材料が破壊せずにエネルギーを吸収し変形する能力です。温度と靭性の関係はより複雑であり、工学における最も重要な破壊モードの1つにつながります。
材料は高温でより延性になりますが、最も大きなリスクをもたらすのは低温での靭性の喪失です。
低温の重大な危険性：脆性破壊
多くの材料、特に一般的な鋼材では、その挙動が壊滅的に変化する特定の温度が存在します。
延性・脆性遷移温度の理解
多くの材料は**延性・脆性遷移温度（DBTT）**を示します。この温度より上では、材料は大きなエネルギーを吸収しながら延性的に破壊します。
DBTTより下では、同じ材料は脆性的に破壊し、ほとんどエネルギーを吸収せずに突然破断します。この種の破壊は警告なしに発生するため危険です。
結晶構造の役割
この遷移は、炭素鋼や低合金鋼などの**体心立方（BCC）**結晶構造を持つ金属で最も顕著に現れます。
アルミニウム、銅、ニッケル合金のような**面心立方（FCC）**構造を持つ金属は、鋭いDBTTを示しません。このため、極低温および非常に低温の用途により本質的に適しています。
持続的な熱の課題：クリープ
スペクトルの反対側では、高温は時間依存性の異なる破壊メカニズムをもたらします。
クリープとは？
クリープとは、高温（通常は融点の40%以上）で一定の応力下にある材料が、ゆっくりと連続的に変形することです。
加えられた応力が材料の降伏強度をはるかに下回っていても、材料は時間とともにゆっくりと伸び続け、最終的に破壊に至ります。これは、ジェットエンジン、発電所のタービン、蒸気配管における主要な懸念事項です。
耐クリープ性の設計
ニッケル基超合金など、高温用途向けに設計された材料は、転位の移動と原子の拡散に抵抗するように特別に設計された微細構造を持ち、それによってクリープ速度を最小限に抑えます。
用途に合わせた適切な選択
これらの原理を理解することは学術的なものではなく、壊滅的な故障を防ぎ、信頼性を確保するために不可欠です。
- 高温用途（例：エンジン、炉）が主な焦点の場合： ニッケル超合金や耐火金属など、高いクリープ強度と耐酸化性を持つ材料を優先します。
- 低温または極低温用途（例：LNGタンク）が主な焦点の場合： 運転温度で靭性と延性を維持する材料、例えばアルミニウム合金やオーステナイト系ステンレス鋼のようなFCC金属を選択する必要があります。
- 広い温度範囲が関わる用途の場合： 両極端での材料特性を注意深く評価し、鋼製部品についてはDBTTに特に注意を払います。
結局のところ、適切な材料の選択は、その全使用温度範囲にわたる挙動を明確に理解することにかかっています。
要約表：
| 温度変化 | 強度・硬度への影響 | 延性への影響 | 主なリスク |
|---|---|---|---|
| 上昇 | 低下する | 増加する | クリープ（時間依存性の変形） |
| 低下 | 増加する | 低下する | 脆性破壊（延性・脆性遷移） |
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