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'''析出硬化'''（せきしゅつこうか）とは、[[合金]]中に[[過飽和]]に[[固溶]]した化学成分が[[析出]]して、組織中に微小な粒子を分散・形成させることで、材料の[[強度]]・[[硬さ]]が向上する現象である。'''析出強化'''、'''分散強化'''、'''時効硬化'''などともいう{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=124}}{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=53}}。[[アルミニウム合金]]、[[チタン合金]]、[[鉄合金]]などにおける高強度な材種は、析出硬化を利用して高強度を実現していることが多い{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=53}}。

==析出粒子==
[[File:Al-Cu-phase-diagram-partial-greek.svg|thumb|アルミニウム・銅の二元状態図。500 &deg;C 前後ではAlの&alpha;単相だが、温度が下がると&theta;相（析出相 CuAl<sub>2</sub>)も現れる。]]
ある原子から成る固体が別の原子を含んでいるとする。この合金が、高温では溶質原子を固溶して[[wikt:母相|母相]]単一となるが、室温近辺では溶質原子が[[析出]]して母相と析出相の2相となるタイプの状態図を持つとする。このとき、高温状態での固溶体を昇温状態から急冷して室温に戻すと、溶質原子を析出させることなく、過飽和に母相に固溶させた組織を得ることができる{{Sfn|平川・大谷・遠藤・坂本|2004|p=67}}。このような温度操作を[[溶体化処理]]という{{Sfn|平川・大谷・遠藤・坂本|2004|p=67}}。

しかし、このような過飽和固溶体は熱力学的に安定な状態ではないので、溶解度曲線を下回るような温度であっても、溶質原子が微細に析出して、安定になろうとする{{Sfn|平川・大谷・遠藤・坂本|2004|p=68}}。このようにして形成される、析出物から成る微小な相の粒子を「析出粒子」や「析出物粒子」と呼ぶ{{Sfn|牧|2015|p=115}}{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=128}}。母相と対比して「第2相粒子」などともいう{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=124}}。これらの微細な析出粒子の存在によって析出硬化が起こされる{{Sfn|平川・大谷・遠藤・坂本|2004|pp=67&ndash;68}}。過飽和固溶体の温度を少し上げて溶質原子を析出させる過程を[[時効処理]]などという{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=54}}。

==強化メカニズム==
金属材料の[[塑性変形]]は結晶中の[[転位]]の運動で起きるので、何らかの方法で転位の運動を妨げることが、金属材料の現実的な高強度化の方法となる{{Sfn|牧|2015|pp=109&ndash;110}}。析出硬化による高強度化のメカニズムもその点で同じである{{Sfn|牧|2015|p=110}}。

[[File:Particle strengthening.svg|thumb|270px|析出粒子と転位の運動の概略図。上が粒子切断機構、下がオロワン機構。]]
析出硬化の基本的なメカニズムは、転位線が析出粒子内部を通過する（できる）場合と通過しない（できない）場合の2つに分けれられる{{Sfn|牧|2015|p=115}}。析出粒子の強度が低い場合、転位線は析出粒子内部を通過することができる。しかし、通過の際に、析出粒子自体および析出粒子が周りに生み出している応力場から抵抗を受ける{{Sfn|牧|2015|p=115}}。この抵抗が強度の向上を生み出す。このメカニズムを「粒子切断機構」や単に「切断」という{{Sfn|牧|2015|p=115}}{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=129}}。転位線が析出粒子を粒子切断機構で通過できるのは、[[GPゾーン]]のように析出粒子が母相と整合的である場合に限られる{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=56}}。

粒子切断機構で転位線が析出粒子を通過するときの抵抗せん断応力を見積もると、通過に必要なせん断応力 ''&tau;'' は、
:<math> \tau = \mu \epsilon^{3/2} \sqrt{\frac{fr}{b}} </math>
となる{{Sfn|加藤|2007|p=147}}。ここで、''&mu;'' は[[剛性率]]、''&epsilon;'' はミスフィットひずみの絶対値、''f'' は単位体積当たりの析出粒子体積（体積率）、''r'' は析出粒子の半径、''b'' は[[バーガースベクトル]]の絶対値である。この式から、体積率または析出粒子径の平方根に比例して強度が大きくなると推定できる{{Sfn|加藤|2007|p=147}}。

一方、析出相粒子の強度が高い場合、転位線はもはや析出粒子の内部を進むことができなくなる{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=131}}。このとき、転位線は析出粒子の周りに転位線のループを残し、析出粒子自体を横切ることなく通過する。このメカニズムを「オロワン機構」「バイパス機構」あるいは「オロワンのバイパス機構」という{{Sfn|牧|2015|p=115}}{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=131}}。オロワン機構で転位線が通過するときにも転位線は抵抗を受けるため、強度が向上する。特に'''分散強化'''とは、こちらのオロワン機構にもとづく強化のみを指す場合もある{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=57}}{{Sfn|加藤|2007|p=143}}。

析出粒子を強く固定されたピンとみなして、オロワン機構で転位線が通過させるのに必要なせん断応力 ''&tau;'' は、
:<math> \tau = \frac{\mu b}{L} </math>
と導出できる{{Sfn|加藤|2007|p=143}}。上記に同じく、''&mu;'' は剛性率、''b'' はバーガースベクトルの絶対値である。''L'' は隣り合う析出粒子の間隔距離で平均の粒子間隔と置ける{{Sfn|加藤|2007|p=143}}。この ''&tau;'' をオロワン応力などともいう。この式から予測できるように、''L'' が小さいほど、すなわち析出粒子が互いに密な形で存在しているほど、強化の程度が大きくなる{{Sfn|谷野・鈴木|2013|p=132}}。

[[File:Particle Hardening 2.svg|thumb|270px|縦軸を強度、横軸を析出粒子径として描いた、切断によるせん断応力（黄色）とオロワン応力（青色）の関係]]
体積率 ''f'' を一定として析出粒子を平均粒子径 ''r'' が大きくなっていけば、平均粒子間隔 ''L'' は比例して大きくなる{{Sfn|牧|2015|pp=115&ndash;116}}。すなわち、オロワン応力は平均粒子径に反比例する{{Sfn|牧|2015|pp=115&ndash;116}}。一方で、切断によるせん断応力は、上記のとおり ''r'' の平方根に比例する。したがって、切断によるせん断応力とオロワン応力が交わるとき、すなわち粒子切断機構からオロワン機構へ切り替わるときに理屈上は最大の強度となる{{Sfn|牧|2015|p=116}}。

温度は一定として、合金をその温度で保持する時間と得られる強度の関係を示した曲線を「時効曲線」や「時効硬化曲線」と呼ぶ{{Sfn|平川・大谷・遠藤・坂本|2004|p=68}}{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=54}}。一般的に、時効時間が長いほど、析出物のサイズは集積して大きくなる{{Sfn|牧|2015|p=116}}。したがって、析出硬化処理によって得られる強度は、時効時間が短い内は時間が経つほど大きくなり、時効時間が長くなると時間が経つほど小さくなる{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=54}}。このように、強度が増加していくときを「亜時効」、強度が最大になっているときを「ピーク時効」、強度が減少していくときを「過時効」という<ref>{{Cite web|和書|date= 2015-01-18 |url= https://jfs.or.jp/question/%E6%99%82%E5%8A%B9%E7%A1%AC%E5%8C%96%E6%9B%B2%E7%B7%9A%E3%81%AE%E4%BA%9C%E6%99%82%E5%8A%B9%E6%AE%B5%E9%9A%8E%E3%81%AB%EF%BC%8C%E7%A1%AC%E3%81%95%E5%A4%89%E5%8C%96%E3%81%8C%E3%81%8A%E3%81%93%E3%82%89/ |title= 
時効硬化曲線の亜時効段階に，硬さ変化がおこらない停滞域が現れる理由は何ですか？ |website= |publisher= 日本鋳造工学会 |accessdate=2020-09-26}}</ref>。

したがって、析出硬化による高強度化を最大限にするには、
*合金元素の添加量を増やし、析出粒子の体積率を増やす
*析出粒子を微細化させて、析出粒子のサイズを小さくする
のいずれかまたは両方が効果的である{{Sfn|牧|2015|p=116}}。

==適用例==
[[アルミニウム合金]]、[[チタン合金]]、[[鉄合金]]、[[ニッケル合金]]などで、高強度化に析出硬化が利用されている{{Sfn|金子・須藤・菅又|2004|p=53}}。特にアルミニウム合金は析出硬化現象が最初に発見された合金で、[[ジュラルミン]]は最初に析出硬化を実用した合金である<ref>吉田 英雄, 超ジュラルミン24S(2024)はなぜ米国で開発できたか？, まてりあ, 2018, 57 巻, 6 号, pp. 263-264, 公開日 2018/06/01, Online ISSN 1884-5843, Print ISSN 1340-2625, https://doi.org/10.2320/materia.57.263</ref>。現在の規格の規定では、Al-Cu系の2000系、Al-Mg-Si系の6000系、Al-Zn-Mg系の7000系が、アルミニウム合金の析出硬化利用可能な材種にあたる<ref name="里1997">里 達雄, アルミニウムの高強度化への挑戦, まてりあ, 1997, 36 巻, 7 号, pp. 685, 687, 公開日 2011/08/11, Online ISSN 1884-5843, Print ISSN 1340-2625, https://doi.org/10.2320/materia.36.685</ref>。最も高強度な7000系では時効処理によって[[引張り強さ]]を最大で約 2.6 倍まで向上でき、600 [[パスカル (単位)|MPa]] 前後の引張り強さを得られる<ref name="里1997"/>。

析出硬化を利用する鉄合金としては、[[析出硬化系ステンレス鋼]]や[[マルエージング鋼]]がある。析出硬化系ステンレス鋼は[[ステンレス鋼]]の一種で、代表的鋼種の 17-4PH は約 4% の[[銅]]を含み、時効処理で銅を豊潤に含有する第二相（Cu-rich相）を析出させる<ref>横田 孝三, 江波戸 和男, 析出硬化型ステンレス鋼, 日本金属学会会報, 1971, 10 巻, 4 号, pp. 235-236, 公開日 2011/08/10, Online ISSN 1884-5835, Print ISSN 0021-4426, https://doi.org/10.2320/materia1962.10.226</ref>。マルエージング鋼は引張り強さが 1500 MPa を超える超強力鋼の一種で、[[ニッケル]]による[[焼入れ]]・[[マルテンサイト変態]]とニッケル・モリブデン系およびニッケル・チタン系の化合物による時効処理・析出硬化を高強度化に利用している<ref name="安野ら1992">安野 拓也, 栗林 一彦, 長谷川 正, 金属材料の現状と今後の動向超強力鋼, 繊維学会誌, 1992, 48 巻, 9 号, pp. P-489. P-491, 公開日 2008/11/28, Online ISSN 1884-2259, Print ISSN 0037-9875, https://doi.org/10.2115/fiber.48.9_P489</ref>。実用されているマルエージング鋼の引張り強さの最大レベルは、約 2500 MPa に達する<ref name="安野ら1992"/>。

==出典==
<references />

==参照文献==
* {{Cite book ja-jp
|author= 谷野 満・鈴木 茂
|title= 鉄鋼材料の科学 : 鉄に凝縮されたテクノロジー
|series=材料学シリーズ
|publisher= 内田老鶴圃
|year= 2013
|edition= 第3版
|isbn= 978-4-7536-5615-8
|ref= {{Sfnref|谷野・鈴木|2013}}
}}
*{{Cite book ja-jp 
|title = 新版 基礎機械材料学 
|author =金子 純一・須藤 正俊・菅又 信 
|publisher = 朝倉書店 
|year = 2004 
|edition= 初版 
|isbn= 4-254-23103-2 
|ref= {{Sfnref|金子・須藤・菅又|2004}}
}}
*{{Cite book ja-jp  
|author = 牧 正志 
|title = 鉄鋼の組織制御 : その原理と方法 
| publisher  = 内田老鶴圃 
|year = 2015 
|edition = 第1版 
|isbn = 978-4-7536-5136-8
|ref = {{Sfnref|牧|2015}}
}}
* {{Cite book ja-jp
|author= 加藤 雅治
|title= 入門 転位論
|series= 新教科書シリーズ
|publisher= 裳華房
|year= 2007
|edition= 第6版
|isbn= 978-4-7853-6106-8
|ref= {{Sfnref|加藤|2007}}
}}
* {{Cite book ja-jp
|author = 平川 賢爾・大谷 泰夫・遠藤 正浩・坂本 東男
|title = 機械材料学
|series = 基礎機械工学シリーズ
|publisher = 朝倉書店
|year=2004
|edition = 第1版
|isbn = 978-4-254-23702-3
|ref = {{Sfnref|平川・大谷・遠藤・坂本|2004}}
}}

==外部リンク==
*{{Kotobank}}

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[[Category:材料工学]]
[[Category:合金]]