温度は材料の機械的特性に大きく影響し、その強度、延性、硬度、靭性に影響を与える。温度が上昇すると、ほとんどの材料は強度と硬度が低下するが、延性と靭性は一般に上昇する。これは、高温では原子の振動と移動度が大きくなるため、転位の移動が促進され、変形に対する抵抗力が低下するためである。逆に低温では、原子の運動が制限され、転位の移動性が低下するため、材料はより脆く、延性が低下する傾向がある。このような温度依存性の変化を理解することは、さまざまな熱条件にさらされる用途で材料を選択する上で極めて重要である。
主なポイントの説明
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材料の強度に及ぼす温度の影響：
- 高温： 高温になると、材料は一般的に降伏強度と引張強度が低下する。これは、熱エネルギーが高くなると原子の振動が大きくなり、転位が材料中を移動しやすくなるためである。その結果、材料は柔らかくなり、変形しやすくなる。
- 低温： 低温になると、材料は一般的に強くなるが脆くなる。熱エネルギーが減少すると転位の動きが制限され、材料の変形に対する抵抗力が増す。しかし、この強度の増加は延性の低下という代償を伴い、材料は応力下で破壊しやすくなる。
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延性と靭性に対する温度の影響：
- 高温： 延性と靭性は通常、温度とともに増加する。原子の移動度が高まると、材料が破断する 前に塑性変形を起こしやすくなり、延性が高まる。破壊前にエネルギーを吸収する能力が高まることで、靭性も向上する。
- 低温： 温度が下がると延性と靭性が低下する。原子運動が制限されるため、材料の塑性変形能 力が制限され、より脆い挙動を示すようになる。このため、材料のエネルギー吸収能力が低下し、靭性が低下して脆性破壊の可能性が高くなる。
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硬度に対する温度の影響：
- 高温： 一般的に硬度は温度の上昇とともに低下する。原子の振動と転位の移動度が増加するため、圧痕や引っかきに対する材料の抵抗力が低下する。
- 低温： 原子移動度が低下し、転位運動に対する抵抗が増加するため、硬度は低温で上昇する傾向がある。これにより、材料はより硬くなるが、脆くもなる。
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熱膨張と熱収縮：
- 高温： 材料は加熱されると原子振動の増加により膨張します。この熱膨張は、材料の寸法変化や応力につながり、機械的特性や性能に影響を与える可能性があります。
- 低温： 材料は冷却されると収縮し、応力を誘発し、機械的特性に影響を与える。収縮は、特に拘束された部品において内部応力の増加につながり、亀裂や破損を引き起こす可能性があります。
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相変化と微細構造の影響：
- 高温： 材料の中には、融解や再結晶など、高温で相変化を起こすものがあります。これらの変化は、材料の微細構造を大きく変化させ、機械的特性の変化につながる。例えば、高温での焼きなましは、内部応力を減少させ、延性を増加させることができる。
- 低温： 低温では、鋼材のマルテンサイト形成のような相変態を起こし、硬度は上がるが延性は低下する材料もある。このような微細構造の変化は、材料の機械的挙動に大きな影響を与える可能性がある。
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クリープと応力緩和
- 高温： クリープ（一定の応力下でのゆっくりとした時間依存性の変形）は、高温でより顕著になる。原子の移動度が高くなるため、転位が動きやすくなり、時間の経過とともに徐々に変形が進む。応力緩和（一定のひずみの下で、時間の経過とともに応力が減少すること）も、高温でより顕著になる。
- 低温： 低温では、原子の移動度が低下するため、クリープと応力緩和の重要性は低くなる。しかし、特定の条件下で は、はるかに遅い速度ではあるが、材料に時間依存性 の変形が生じる可能性がある。
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疲労寿命に対する温度の影響：
- 高温： 疲労寿命（材料が破損するまでに耐えられる サイクル数）は、一般的に高温で低下する。転位の移動度が増加し、クリープ変形の可能性が高まるため、疲労き裂の発生と進展が加速される。
- 低温： 低温での疲労寿命は、材料によっ て増加することも減少することもある。材料によっては、強度の向上により耐 疲労性が向上するものもあれば、延性の低下や脆 性の増加により疲労破壊を起こしやすくなるものもあ る。
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材料固有の挙動：
- 金属： 金属は一般的に、高温では強度が低下し延性が増加し、低温では強度が増加し延性が低下するという、上述の傾向に従う。しかし、特定の金属は、その結晶構造や合金元素によって独特の挙動を示すことがある。
- ポリマー： ポリマーは温度変化に特に敏感である。高温では柔らかくなったり溶けたりして、機械的特性が著しく低下する。低温では脆くなり、柔軟性を失う。
- セラミック： セラミックスは一般的に高温には強いが、低温では脆くなることがある。セラミックの機械的特性は、金属やポリマーに比べれば温度による影響は少ないですが、それでも極端な条件下では大きく変化することがあります。
このような温度による機械的特性の変化を理解することは、特定の用途、特に様々な熱環境にさらされる用途に適した材料を選択するために不可欠です。エンジニアは、実際の用途で材料の信頼性と寿命を確保するために、これらの影響を考慮する必要があります。
総括表
| 特性 | 高温効果 | 低温効果 |
|---|---|---|
| 強度 | 原子振動と転位移動度の増加により低下。 | 原子移動度の減少により増加するが、材料はより脆くなる。 |
| 延性 | 原子の運動性が破壊前の塑性変形を可能にするにつれて増加する。 | 原子の運動が制限され、塑性変形が制限されると減少する。 |
| 硬度 | 圧痕や引っかきに対する抵抗力の低下により低下する。 | 転位の動きが制限されるため増加する。 |
| 靭性 | 材料が破壊する前に、より多くのエネルギーを吸収できるようになると増加する。 | 材料が脆くなり、エネルギーを吸収できなくなると減少する。 |
| 熱膨張 | 材料は膨張し、寸法変化や潜在的な応力を引き起こす。 | 材料が収縮し、応力と潜在的な亀裂を引き起こす。 |
| 相変化 | 相変態(融解、再結晶など)は、微細構造と特性を変化させる。 | 相変態（マルテンサイト形成など）は硬度を高めるが、延性を低下させる。 |
| クリープ | 原子移動度および転位移動度の増加により顕著。 | 原子移動度が低下するため、重要性は低下する。 |
| 疲労寿命 | 一般に、き裂の発生と進展が促進されるため低下する。 | 材料によって異なり、耐性が向上するものもあれば、破損しやすくなるものもある。 |
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