滑り（材料科学）

スリップ機構の模式図

材料科学において、滑りとは、結晶学的な面および方向に沿った、結晶のある部分が別の部分に対して大きく変位することである。 [ 1 ]滑りは、最密面（面積あたりに最も多くの原子を最密方向に含む面）上の転位の通過によって生じる。最密面は滑り面またはすべり面として知られている。滑り系は、転位運動が容易に発生し塑性変形につながる、対称的に同一の滑り面のセットと、関連する滑り方向の族を説明する。滑りの大きさと方向は、バーガースベクトル、bによって表される。

外力によって結晶格子の一部が互いに滑り合い、材料の形状が変化します。滑りが発生するには、臨界分解せん断応力が必要です。 [ 2 ]

滑り系

面心立方結晶

fcc 材料の単位格子。
面心立方材料における最密すべり面の格子配置。矢印はこの転位すべり系におけるバーガースベクトルを表す。

面心立方（fcc）結晶におけるすべりは、最密充填面に沿って発生します。具体的には、すべり面は{111}型、すべり方向は< 1 10>型です。右の図では、特定の面と方向はそれぞれ(111)と[ 1 10]です。

すべり面の種類と方向の組み合わせを考慮すると、fcc結晶には12種類のすべり系が存在する。[ 3 ] fcc格子では、バーガースベクトルbのノルムは次の式で計算できる。[ 4 ]

[ 4 ]

ここで、a は単位格子の格子定数です。

体心立方結晶

bcc 材料の単位格子。
体心立方格子材料におけるすべり面の格子配置。矢印はこの転位すべり系におけるバーガースベクトルを表す。

体心立方（bcc）結晶におけるすべりは、バーガースベクトルの最短面に沿って発生します。しかし、fccとは異なり、bcc結晶構造には真に最密充填された面は存在しません。そのため、bccにおけるすべり系を活性化するには熱が必要です。

一部の体心立方材料（α-Feなど）は、最大48のすべり系を含むことができます。{110}型のすべり面は6つあり、それぞれ2つの<111>方向を持ちます（12のすべり系）。{123}面は24個、{112}面は12個あり、それぞれ1つの<111>方向を持ちます（36の系、合計48）。体心立方結晶の方が面心立方結晶よりも可能なすべり系の数ははるかに多いですが、格子摩擦応力が大きくなるため、延性は必ずしも高くなるわけではありません。[ 3 ] {123}面と{112}面の活性化エネルギーは{110}面と完全に同じではありませんが、エネルギー的に非常に近いため、事実上同一として扱うことができます。右の図では、特定のすべり面と方向はそれぞれ（110）と[ 111 ]です。[ 4 ]

[ 4 ]

六方最密結晶

ジルコニウム合金のすべり系。𝒃と𝒏はそれぞれすべり方向とすべり面であり、�は本研究で計算された回転軸であり、すべり面法線とすべり方向の両方に直交する。回転軸ベクトルの結晶方向はIPFカラーキーに示されている。[ 5 ]

六方最密充填（hcp）金属における滑りは、bccやfccの結晶構造における滑りよりもはるかに制限されています。通常、hcp結晶構造では、稠密に詰まった基底面{0001}面において、<11 2 0>方向に沿って滑りが生じます。他の滑り面の活性化は、c/a比などの様々なパラメータに依存します。基底面には独立した滑り系が2つしかないため、任意の塑性変形を行うには、追加の滑り系または双晶系を活性化させる必要があります。これには通常、はるかに高い分解せん断応力が必要となり、一部のhcp多結晶では脆性挙動を示す可能性があります。しかし、純チタンなどの他のhcp材料は、高い延性を示します。[ 6 ]

カドミウム、亜鉛、マグネシウム、チタン、ベリリウムは、{0001}にすべり面を持ち、すべり方向は<11 2 0>である。これにより、方位に応じて合計3つのすべり系が形成される。他の組み合わせも可能である。[ 7 ]

結晶中には、すべりを誘発する転位が2種類あります。刃状転位とらせん転位です。刃状転位はバーガースベクトルの方向が転位線に垂直ですが、らせん転位はバーガースベクトルの方向が転位線に平行です。生成される転位の種類は、印加応力の方向、温度、その他の要因に大きく依存します。らせん転位は、一方のすべり面がバーガースベクトルの方向を含む場合、容易に一方の面から他方の面へすべりを移動します。 [ 2 ]

スリップバンド

時効硬化ステンレス鋼のフェライト粒上に形成されたすべり帯。画像中央のすべり帯は、ある荷重下で観察された。その後、荷重が増加すると、すべり帯の先端から荷重増加に対する反応として転位のバーストが生じた。この転位のバーストとすべり帯前方の地形変化は、異なるすべり帯にわたって観察された（論文の補足情報を参照）。画像の長さは10μmである。[ 8 ]

すべり帯の形成は、特定の面における一方向すべりの集中を示し、応力集中を引き起こします。典型的には、すべり帯は表面段差（疲労中に持続するすべり帯による粗さ）と応力集中を引き起こし、ひび割れの発生源となる可能性があります。すべり帯は境界に衝突するまで伸び、その境界に対する転位の堆積によって発生する応力は、作用すべりを停止させるか、または伝達させます。[ 9 ] [ 10 ]

周期的条件下でのすべり帯の形成は持続性すべり帯(PSB) として扱われ、単調条件下での形成は転位平面配列 (または単にすべり帯) として扱われます。[ 11 ]すべり帯は、舌状およびリボン状の押し出しによって現れる PSB の高い塑性変形の局所化 (の複雑さ) を欠く、転位すべりによる境界滑りとして単純に考えることができます。また、PSB は結晶粒を横切って延びており、疲労中に悪化するため、通常、PSB は押し出し面と揃った (有効な) バーガース ベクトルを使用して研究されますが、 [ 12 ]単調なすべり帯には伝播のバーガース ベクトルと平面押し出しのバーガース ベクトルがあり、どちらも先端の状態によって制御されます。

滑り活動の特定

活性滑り系を同定する主な方法には、中性子回折[16]や高角分解能電子後方散乱回折弾性ひずみ解析[ 17 ]などの回折技術を用いた単結晶[13] [14 ]または多結晶[ 15 ] [ 8 ]の滑り痕解析、あるいは転位の透過型電子顕微鏡回折イメージング[ 18 ]のいずれかが含まれる。

すべりトレース解析では、すべり面のみを測定し、すべり方向を推定します。例えばジルコニウムでは、この解析により、底面、柱状面、または1次/2次錐面におけるすべり活動を特定できます。1次錐面トレースの場合、すべりは⟨𝑎⟩方向または⟨𝑐 + 𝑎⟩方向のいずれかに発生する可能性があり、すべりトレース解析ではこれらを区別することはできません。[ 5 ]

回折に基づく研究では、滑り転位ではなく残留転位含有量を測定しますが、これは面心立方多結晶など、幾何学的に必要な転位のネットワークが蓄積する系に対してのみ良好な近似値となります。[ 19 ]六方晶ジルコニウムなどの低対称性結晶では、主に単一の滑りの領域があり、幾何学的に必要な転位が必ずしも蓄積されない可能性があります。[ 20 ]残留転位含有量は、滑り転位と固着転位を区別しません。滑り転位は滑りと硬化に寄与しますが、固着転位は潜在的硬化にのみ寄与します。[ 5 ]

回折法では、残留転位のすべり面を一般に解析することはできない。例えば、Zrでは、⟨𝑎⟩転位のらせん成分は、柱状面、基底面、または1次錐面上を滑りうる。同様に、⟨𝑐 + 𝑎⟩らせん転位は、1次錐面上または2次錐面上を滑りうる。[ 5 ]

参照

参考文献

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