材料強度学

質問

教科書によると塑性変形は特定の結晶面に生じるせん断応力に起因するものだそうです。そこで単純な疑問があります。ある結晶面に対して純粋に引張応力のみが働く状況下ではその結晶面では塑性変形は起こり得ないという事になるのでしょうか。もしそうならば単結晶を結晶面に対して正確に垂直に引っ張れば塑性変形は全く起こらないという結論になると思うのですが、そうとは考えにくいです。可か否か、また理由も教えてください。

回答No.5

triones · ベストアンサー

No.3の回答者です。

No.3の回答の一部に間違いがありました。
面心立方格子の最も一般的な変形は、{111}面上で1/2<-110>方向です。
<11-2>方向にずれるのは1/6<11-2>（係数注意）で、これはちょっと特殊な変形（双晶変形）です。
（しばらくこればっかり考えてた時期があるもので、つい混乱）

混乱させて申し訳ございません。

お礼

ありがとうございました。双晶変形、勉強しました。マルテンサイト変態においてすべり変形に対するアコモデーションがおこる際や、ｂｃｃが低温で脆化して衝撃力をうけたときに発生する変形でしたよね？

回答No.4

triones

No.3の回答者です。

多分、考える順序がマクロスケールからミクロスケール、すなわち；

バルクとしての棒の引張り
→最大剪断応力面
→でも、結晶は特定の面でしか剪断変形しない・・・

と考えるとややこしいのだと思います。

逆にミクロスケールからマクロスケール、すなわち；
結晶は剪断変形できる面が限られている。
→こいつを引張るとどうなるか？
と考えれば、比較的、理解しやすいかと思います。

また、細かいことですが、教科書の記述が文字通り
「最も最大せん断応力に近くなる結晶面から塑性変形が開始する」
というのでしたら、これは若干不正確です。
No.3の解答にも若干記述しましたが、外部応力が剪断変形を駆動する「効率」（というか、分力というか）は、シュミット因子という数値で表されますが、これは分解剪断応力に、さらに面内での剪断応力方向と、滑り方向のコサインを掛けたものです。

どの滑り系がシュミット因子最大になるか、すなわち塑性変形が始まるかは、剪断応力だけでは決まりません。

回答No.3

triones

結晶にもいろいろあって、特に塑性変形が生じやすい金属材料の場合は対称性の高い結晶構造を有しています。具体的には面心立方格子、体心立方格子、稠密六方格子などなどです。

例えば塑性変形の能力が高い面心立方格子は、剪断変形が可能な面が４つあり、この面１つにつき120゜ずつ異なった３つの方向にずれることができます。専門的には{111}面上で1/2<11-2>方向に滑るなどと書きます。

特に、等価な剪断面が４つあることから、例えば１つの特定の面に対して垂直に引張ったとすると、確かにその面に対しては剪断変形は生じませんが、他の３つの面に対しては剪断力が働きますので、（さらには分解剪断応力の方向と結晶学的に許された滑り方向とのコサインがゼロでなければ）それらの面が剪断変形を起こします。

なお、No.1のご解答はちょっと？ですが、さらにそれに対する補足で、「特定の結晶面とは格子欠陥などが原因でせん断応力が働いた時、最も最大せん断応力に近くなる結晶面のことです。」というのも？。教科書の記述の特定の結晶面とは、上述のように、結晶構造に固有のすべり面のことです。

補足

ありがとうございます。最も最大せん断応力に近くなる結晶面から塑性変形が開始すると教科書の記述にありましたので・・・。うーん、難しい。

回答No.2

shota_TK

塑性変形は起こると思います。
均一材料に引張荷重をかけたとき、せん断応力が最大になるのが「引張に対して45度の面」であるのはよろしいですか？
すべり面が、この45度の面と同一であったとき、最も塑性変形が起きやすい、といえますね。
仮にすべり面が引張荷重に対して90度であった場合ですが、金属の結晶構造の対称性から言って、別のすべり面が30度、45度、60度などに存在すると思います。このため、引張によって生じるせん断力により、それらのすべり面で転位が起こり、塑性変形すると思います。

ぼくはポリマーが専門なので、金属はイマイチ自信がありませんが・・・

お礼

ありがとうございます。なんとなくわかったような・・わからないような・・・己の無学を痛感します。

回答No.1

heichan

材料力学はずいぶんひさしぶりなんですが、そんなに考えにくい状況でしょうかね？

そもそも物体に全く純粋に引張り応力のみが働くという状況が起こりうるかどうか分かりませんが（例えば金属の棒を真直ぐ引張ると、確か内部には引張りに対して斜め方向のせん断応力が働くはずです）、塑性変形が全然起きないという状況は結構ありそうに思えます。

ご質問にあるように例えばグラファイトやシリコンの単結晶を均一な力で引っ張ると、ほんの僅か弾性変形して、さらに引っ張ると結晶面で破断してしまう‥のではないでしょうか。
「特定の結晶面」というのがどういう意味かよく分かりませんが。

うーんあまり回答になってないかも知れませんねぇ。

補足

回答ありがとうございます。特定の結晶面とは格子欠陥などが原因でせん断応力が働いた時、最も最大せん断応力に近くなる結晶面のことです。