金属の融点

私たちの日常生活における金属に関して言えば、ステンレス鋼とチタンは 2 つの強力な組み合わせです (または、1 つは重く、1 つは軽いと言うべきでしょう!)。キッチン家電やスマートフォンからジュエリーや時計に至るまで、両方の素材があらゆる場所で使用されています。耐衝撃性、耐久性、耐食性が高いため、用途が重複することがよくあります。しかし、あなたのプロジェクトにとってどちらがより良い選択なのでしょうか? この記事では、各素材の長所と限界を詳しく説明します。コストから製造の容易さまで、ステンレス鋼とチタンのどちらを選択する際に最も重要なのかを説明します。 ステンレス鋼の特徴 ステンレス鋼は鉄と炭素から始まりますが、多量のクロムが含まれているため、「通常の」鋼とは大きく異なる挙動をします。クロムは表面に薄い保護酸化物層を形成し、これがステンレス鋼の特徴的な耐食性を与えます。 (ステンレスが他の鋼ファミリーとどのように比較されるかについて簡単に復習したい場合は、当社の記事を参照してください。合金鋼とステンレス鋼のガイド.) 異なるグレードには、特定の環境での強度、成形性、性能を微調整するために、ニッケル、モリブデン、マンガン、シリコン、窒素などの元素が含まれる場合もあります。 ステンレス鋼の種類 ステンレス鋼はさまざまな方法で合金化および加工できるため、主に微細構造によってグループ化されたいくつかの主要な「ファミリー」に分類されます。 オーステナイト系ステンレス鋼最も広く使用されているステンレス鋼ファミリーです。優れた耐食性、良好な延性、強力な溶接性で知られています。多くのグレードでは、クロムは通常約 16 ～ 26% の範囲にあり、ニッケルは約 6 ～ 22% の範囲にあります (グレードによって大きく異なります)。クロムは耐食性を提供し、ニッケルおよび/または窒素はオーステナイト構造の安定化に役立ちます。 304 (「18/8」ステンレス) は最も一般的なグレードの 1 つで、食品機器、タンク、配管、建築金物に広く使用されています。 塩化物または塩への曝露が懸念される場合は、316 がよく選択されます。モリブデンが含まれており、孔食に対する耐性が向上します (消費者の文脈では「マリングレード」と呼ばれることが多いのはこのためです)。 フェライト系ステンレス鋼一般に磁性があり、主にクロム (通常約 10 ～ 30%) に依存しており、炭素は少なく、ニッケルはほとんどまたはまったくありません。 通常、中程度から良好な耐食性と強力な耐酸化性を備えているため、高温環境に適しています。また、フェライト系グレードはオーステナイト系ステンレス鋼よりも熱膨張が低いため、繰り返しの加熱と冷却のサイクル下でも優れた性能を発揮します。 その代償として、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系グレードよりも延性と靱性が低い傾向があり、高い成形性や強い衝撃に対する耐性が必要な用途での使用が制限される可能性があります。 409 は、手頃なコストで固体酸化耐性を備えているため、自動車の排気部品によく選ばれています。 430 は、適度な耐食性と外観が優先されるキッチン用品、電化製品、トリムに広く使用されています。 444 は、配管や給湯機器など、水との接触や軽度の塩化物関連の用途で腐食性能を向上させるために使用される高合金フェライトグレード (多くの場合モリブデン合金) です。 446 は、高温耐酸化性が必要なホットサービス環境で使用される高クロムフェライトグレードです。 マルテンサイト系ステンレス硬さが必要な場合に頼りになるファミリーです。オーステナイト系ステンレスやフェライト系ステンレスとは異なり、焼き入れと焼き戻しが可能なため、ブレードや摩耗部品によく使われています。一般的なマルテンサイトグレードには、約 11 ～ 18% のクロムと高炭素 (グレードによっては最大約 […]

延性は、物質科学の基本的な概念であり、一部の材料（金属など）がストレスの下で大幅に曲がったり伸ばすことができるのかを説明しますが、他の材料（ガラスなど）が突然スナップします。この記事では、延性とは何か、それがどのように測定され、なぜ重要なのか、どの要因がそれに影響するかを説明します。 延性の定義 延性とは、骨折前に張力で塑性変形を受ける材料の能力です。簡単に言えば、延性材料は、スナップせずに長い道のりを伸ばすことができます。対照的に、ガラスのような脆い材料は、ほとんど変形がほとんどない後、割れたり粉砕する傾向があります。材料科学では、塑性変形は形状の永続的な変化です。これは弾性変形とは異なり、荷重が除去されると回復可能です。延性は可塑性と密接に関連していますが、より具体的です。可塑性は、任意のモード（張力、圧縮、またはせん断）で永続的な変形の一般的な能力ですが、延性は張力の能力を指します。 原子の観点から見ると、多くの金属の高い延性は、非方向性金属結合と、転位を移動できるスリップシステムの利用可能性に由来しています。ストレスが加えられると、転位グライドは金属製の結晶がプラスチックのひずみに対応できるため、金属は骨折ではなく曲がったり伸びたりすることがよくあります。対照的に、セラミックとガラスには方向性のあるイオンまたは共有結合があり、非常に限られたスリップがあるため、緊張の下でかなりのプラスチックの流れの前に割れる傾向があります。ただし、すべての金属が室温で延性しているわけではありません（たとえば、一部のBCC金属、高炭素鋼、金属グラスは比較的脆くなる可能性があります）、およびメタリックスタイルの延性ではないガラス遷移温度を上回る粘性流量によって主に加熱されたガラス曲げが加熱されます。 延性の測定 引張試験は延性を定量化する最も一般的な方法です。標本は骨折に一軸の張力で負荷をかけ、延性は破損時の伸長と面積の減少率として報告されます。 休憩時の伸び率（A％） 破壊時のゲージ長の増加率：A％=（LF -L0）/L0×100％、L0は元のゲージ長、LFは破壊時の最終長さです。 A％が高いほど、引張延性が大きくなることを示します。 面積の減少率（RA％） 破壊位置での断面の割合の減少：RA％=（A0 - AF）/A0×100％。ここで、A0は元の面積であり、AFはブレークの最小面積です。大規模なRA％は、顕著なネッキングと強力なセブキング後延性を反映しています。 （ゲージの長さに敏感ではありません。非常に薄いシートには理想的ではありません。） 両方の測定値は、通常、引張試験の一部として報告されます。たとえば、鋼のサンプルは、たとえば20％の伸びと破損時の面積の60％の減少を持っていると説明される場合があります。これは、延性挙動を示しています。対照的に、脆性セラミックは、伸びが1％しかなく、本質的に0％の面積の減少を示す場合があります（ほぼ薄くなることなく壊れます）。伸びと面積の減少が大きいほど、材料の延性が高くなります。 延性を視覚化する別の方法は、引張試験から得られたグラフであるストレス - ひずみ曲線です。ストレス（単位面積あたりの力）は、ひずみ（相対変形）に対してプロットされます。この曲線のキーポイントには次のものがあります。 ヤングモジュラス（E）：線形弾性領域の勾配。剛性の尺度。 降伏強度（σᵧ）：塑性変形の開始（多くの場合、シャープな降伏点が存在しない場合、0.2％のオフセット法で定義されます）。 究極の引張強度（UTS）：最大のエンジニアリング応力。標本の首を超えて。骨折は、通常、エンジニアリングストレスが低い場合に発生します。 骨折ポイント：標本が最終的に壊れる場所。 延性材料（青）の代表的な応力 - ひずみ曲線（赤） 延性材料の曲線は、生成後に長いプラスチック領域を示し、骨折前に大きなひずみを維持できることを示しています。対照的に、脆性材料の曲線は降伏点の近くで終わり、プラスチック領域はほとんどまたはまったくありません。要約すると、エンジニアリング応力 - 伸縮グラフ（指定されたゲージの長さの場合）では、延性が骨折する総ひずみによって延性が反映されます。これは、乳酸材料の長いもので、脆性材料の略です。ただし、見かけの骨折ひずみは選択したゲージの長さに依存し、ネッキングが開始すると変形が局所化されるため、エンジニアリング曲線は延性後延性の直接的な尺度ではありません。そのため、仕様は通常、面積の割合（RA％）の割合とともに、破損時の伸び（A％）を報告します。 延性と柔軟性の違いは何ですか？ 延性は、壊れずに緊張を伸ばす材料の能力です。引張試験からの面積の伸長率または縮小で定量化します。金属をワイヤーに引き込むことができる場合、延性があります。閉鎖性とは、亀裂なしで圧縮で変形する材料である材料の能力です。曲げ/平坦化/カッピングテスト、またはどれだけの厚さの減少が許容できるかで判断します。 実際には、金、銅、アルミニウムは両方とも非常に延性があり、順応性があります（ワイヤーとシートに最適です）。鉛は非常に順応性がありますが、適度に延性しかありません（シートに転がるのは簡単で、細いワイヤーのように貧弱です）。マグネシウムは室温で順応性が制限されていますが、亜鉛は温めたときに順応性が高くなります。製造用に、描画、深いストレッチ、プル支配的な機能のための延性合金を選択します。圧縮が支配する場所でローリング、スタンピング、および鍛造のために、順応性合金を選択します。温度と結晶構造は両方の特性をシフトします。クイックルール：ダクタリティ=張力/ワイヤー;閉鎖性=圧縮/シート。 なぜ延性が重要なのか 延性は、製造可能性とサービス内の安全性の両方の背後にある静かな主力です。工場では、金属をシートに丸め、ワイヤーに引き込んで、割れずに鍛造できます。フィールドでは、コンポーネントがエネルギーを吸収し、ストレスを再分配し、故障前に警告を提供できるようにします。 製造用の延性材料 一般に、延性が高いということは、材料が実行可能であることを意味します。亀裂なしに、鍛造、巻き、巻き、描画、またはさまざまな形に押し出ることができます。低延性（brittleness）は、材料を変形させるのが難しく、鋳造や機械加工などのプロセスに適していることを意味します（材料が形状を幅広く変化させない場合）。 鍛造とローリング：これらのプロセスは、固体金属を形状に変形させます - ハンマー（鍛造）またはロール間の通過（ローリング）。延性金属は、関与する大きなプラスチック株に耐えます。実際には、鋼のスラブ/ブルームはシート、プレート、およびIビームなどの構造形状にホットロールされ、アルミニウムはコンポーネントに容易に鍛造されます。対照的に、鋳鉄のような脆い合金は、重い変形の下で割れる傾向があるため、通常、ネットの形に鋳造することで形作られます。 押し出しとワイヤー/バーの描画：押し出しは、ダイを通して金属を押して、長く一定の交差セクション製品を作る。ワイヤー/バーの描画は、直径を減らすためにダイを通して固体ストックを引っ張ります。どちらもプラスチックの流れに依存しています。アルミニウム、銅、低炭素鋼などの延性合金は、チューブとプロファイル（窓枠、ヒートシンクセクションなど）に押し出され、細かい電気線に引き込まれます。加工温度で十分な延性のない材料は、ダイをチェックまたは亀裂する傾向があるため、ガラスまたはセラミックが固体状態に押し出されたり描かれたりしないのです。代わりに繊維が溶けて描かれています。 ディープドローイング：深い描画は、パンチでシートをダイに強制することにより、軸対称カップと缶を形成します。フランジは内側に餌を与え、壁はわずかに薄くなります。適切な延性は、分割やしわを防ぎます。アルミニウムの飲料canボディは古典的な例です。 板金の曲げとスタンピング：ボディパネルとエンクロージャーの一般的な曲げとスタンピングは、シートがダイで伸びているときにエッジのひび割れやオレンジピールを避けるために延性を必要とします。鋼鉄とアルミニウムのグレードは、形成性に合わせて調整されているため、複雑な形状（車のフードなど）は故障せずにスタンプすることができます。 メタル3D印刷（AM）：延性は依然として重要です。特にレーザーパウダーベッドフュージョン（LPBF）からのプリント部品は、細かく、テクスチャーの微細構造、残留応力、および多孔性により延性が低下することを示すことができます。ストレス緩和と高温等吸着プレス（股関節）（しばしば軽い熱処理が続き、延性が回復し、亀裂リスクを減らします。 Ti-6AL-4VやAlSi10Mgなどの合金は、有用なインサービス延性をもたらすことができます。 実世界のアプリケーション用の延性材料 延性は単なるラボメトリックではなく、現実世界の構造、車両、および機器のパフォーマンスに直接影響します。エンジニアリングと設計で重要な理由は次のとおりです。 突然の故障を防ぎ、安全性の向上：延性材料は徐々に失敗します。骨折前にエネルギーを生成および吸収し、目に見える警告を提供し、荷重を再分配できるようにします。建物では、これが構造鋼が好まれる理由です。過負荷のビームは、スナップではなく曲がります。鉄筋コンクリートは同じロジックに従います。埋め込まれた鋼鉄鉄筋は延性を加えて、メンバーが割れずに地震需要の下で曲げることができます。 衝撃のエネルギー吸収（地震およびクラッシュアプ​​リケーション）：動的荷重の下で、延性は衝撃エネルギーをプラスチック作業に変えます。鉄骨フレームは、収穫量を介して地震の力を消散させ、自動車は鋼鉄またはアルミニウムの折り畳み帯のゾーンを制御された方法で、キャビンの減速を低下させます。現代の体構造は、強度と延性（DP/トリップ鋼など）とのバランスをとり、航空宇宙AL/TI合金は、鳥のストライキ、加圧、および冷たい耐性のために十分な延性を保持します。 構造の回復力と冗長性：延性システムは、隣接するメンバーにストレスを広めることにより、局所降伏後に負荷を運び続けることができ、進行性崩壊の可能性を減らします。そのため、橋は延性鋼を使用し、パイプラインとケーブルが破裂ではなく地面の動きや過負荷の下で曲がったり、へこみを止めたりするように設計されている理由です。 延性に影響する要因 延性はすべての条件下で固定されていません。これに影響を与える主な要因は次のとおりです。 温度：延性は温度依存性が高くなります。より高い温度が原子の可動性と転位の動きを増加させ、プラスチックの流れを可能にします。低温が動きを制限し、切断型亀裂を促進します。多くのBCC金属（特定の鋼など）は、延性から脆性の遷移温度（DBTT）を持っています。その下では、突然骨折することができます。古典的な例は構造鋼です。周囲温度では曲がる可能性がありますが、非常に低い温度では骨折する可能性があります。したがって、エンジニアはサービス温度をDBTTより上に保持するか、低温グレードを指定します。対照的に、ほとんどのFCC金属（アルミニウム、銅など）は鋭いDBTTを欠いており、寒い場合でも延性があります。 構成と合金：存在する要素とそれらが形成するフェーズは、延性に強く影響します。金、銅、アルミニウムなどの純粋な金属は、通常非常に延性があります。溶質を追加したり、硬い第2フェーズを作成したりすると強度が向上しますが、しばしば転位運動を妨げることで延性を低下させます。炭素鋼では、低炭素グレードは形成可能なままですが、高炭素と工具鋼は和らげない限りはるかに延性が少なくなります。微量不純物も抑制鋼です。硫黄は高温の短さを引き起こす可能性があり、リンは冷たい脆弱性を引き起こす可能性があります。熱処理はバランスを調整します。消光されたマルテンサイトは強いですが、和らげるまで延性が低く、アニーリングは延性を回復します。メタリックメガネは限界を示しています。クリスタルスリップが存在しないため、それらは非常に強いが、通常は脆い。 クリスタル構造とスリップシステム：延性は、脱臼が容易に移動する方法を反映しています。アルミニウム、銅、ニッケル、金などのFCC金属には、多くのアクティブスリップシステムがあり、低温でも延性があり、鋭利な延性から脆性の移行はありません。フェライト鋼、クロム、タングステンなどのBCC金属は、スリップのために熱活性化を必要とし、しばしば延性から脆性への移行を示すため、延性は寒さに低下します。室温でのマグネシウム、亜鉛、チタンなどのHCP金属のスリップシステムは少なくなっています。双子または上昇した温度がなければ、それらは不十分に変形し、亀裂が生じる可能性があります。一般に、利用可能なスリップシステムが多く、固有の延性が高く、低温性能が向上します。 構造の回復力と冗長性：延性システムは、隣接するメンバーにストレスを広めることにより、局所降伏後に負荷を運び続けることができ、進行性崩壊の可能性を減らします。そのため、橋は延性鋼を使用し、パイプラインとケーブルが破裂ではなく地面の動きや過負荷の下で曲がったり、へこみを止めたりするように設計されている理由です。 […]

産業用途では、金属の選択は、強度、硬度、密度などの機械的特性だけでなく、熱特性にも影響されます。考慮すべき最も重要な熱特性の1つは、金属の融点です。 たとえば、炉のコンポーネント、ジェットエンジン燃料ノズル、排気システムは、金属が溶けた場合に壊滅的に失敗する可能性があります。結果として、オリフィスの詰まりやエンジンの故障が発生する可能性があります。融点は、製錬、溶接、鋳造などの製造プロセスでも重要です。ここでは、金属が液体の形である必要があります。これには、溶融金属の極端な熱に耐えるように設計されたツールが必要です。金属は、融点以下の温度でクリープ誘発性の骨折に苦しむ可能性がありますが、デザイナーはしばしば合金を選択するときにベンチマークとして融点を使用します。 金属の融点は何ですか？ 融点は、固体が大気圧下で液体に移行し始める最も低い温度です。この温度では、固形相と液相の両方が平衡状態で共存します。融点に達すると、金属が完全に溶けるまで追加の熱は温度を上げません。これは、相変化中に供給される熱が融合の潜熱を克服するために使用されるためです。 異なる金属には、融点が異なり、原子構造と結合強度によって決定されます。しっかりと詰め込まれた原子配置を備えた金属は、一般に融点が高くなります。たとえば、タングステンは、3422°Cで最高の1つです。金属結合の強度は、原子間の引力を克服し、金属を溶かすために必要なエネルギーの量に影響します。たとえば、プラチナや金などの金属は、結合力が弱いため、鉄やタングステンなどの遷移金属と比較して融点が比較的低いです。 金属の融点を変更する方法は？ 金属の融点は、通常の条件では一般に安定しています。ただし、特定の要因は特定の状況下でそれを変更できます。 1つの一般的な方法はです合金 - 純粋な金属に他の要素を加えて、異なる融解範囲の新しい材料を形成します。たとえば、スズを銅と混合して青銅を生成すると、純粋な銅と比較して全体的な融点が低下します。 不純物また、顕著な効果を持つこともできます。微量の外部要素でさえ、物質に応じてより高くまたは低い融解温度を崩壊させ、融解温度をシフトする可能性があります。 物理的な形問題も同様です。ナノ粒子、薄膜、または粉末の形の金属は、表面積が高く原子挙動の変化により、バルクの対応物よりも低い温度で溶けます。 ついに、極度の圧力原子がどのように相互作用するかを変えることができ、通常、原子構造を圧縮することで融点を上げます。これは日常のアプリケーションではめったに懸念事項ではありませんが、航空宇宙、深海掘削、高圧物理学研究などの高ストレス環境の材料選択と安全性評価における重要な考慮事項になります。 金属および合金の融点チャート 一般的な金属と合金の融点 金属/合金融点（°C）融点（°F）アルミニウム6601220真鍮（Cu-Zn合金）〜930（構成依存）〜1710ブロンズ（Cu-SN合金）〜913〜1675炭素鋼1425–15402600–2800鋳鉄〜1204〜2200銅10841983年金10641947年鉄15382800鉛328622ニッケル14532647銀9611762ステンレス鋼1375–1530（グレード依存）2500–2785錫232450チタン16703038タングステン〜3400〜6150亜鉛420787 金属融点の完全なリスト（高さから低い） 金属/合金融点（°C）融点（°F）タングステン（w）34006150Rhenium（re）31865767オスミウム（OS）30255477タンタル（TA）29805400モリブデン（MO）26204750ニオビウム（NB）24704473イリジウム（IR）24464435ルテニウム（ru）23344233クロム（CR）1860年3380バナジウム（V）1910年3470ロジウム（RH）1965年3569チタン（TI）16703040コバルト（co）14952723ニッケル（NI）14532647パラジウム（PD）15552831プラチナ（PT）17703220トリウム（TH）17503180ハステロイ（合金）1320–13502410–2460インコルエル（合金）1390–14252540–2600インコロイ（合金）1390–14252540–2600炭素鋼1371–15402500–2800錬鉄1482–15932700–2900ステンレス鋼〜1510〜2750モネル（合金）1300–13502370–2460ベリリウム（be）12852345マンガン（MN）12442271ウラン（u）11322070カプロニッケル1170–12402138–2264延性鉄〜1149〜2100鋳鉄1127–12042060–2200ゴールド（au）10641945年銅（cu）10841983年シルバー（AG）9611761赤い真鍮990–10251810–1880ブロンズ〜913〜1675黄色の真鍮905–9321660–1710海軍本部の真鍮900–9401650–1720コインシルバー8791614スターリングシルバー8931640マンガンブロンズ865–8901590–1630ベリリウム銅865–9551587–1750アルミブロンズ600–6551190–1215アルミニウム（純粋）6601220マグネシウム（mg）6501200プルトニウム（PU）〜640〜1184アンチモン（SB）6301166マグネシウム合金349–649660–1200亜鉛（ZN）420787カドミウム（CD）321610ビスマス（bi）272521バビット（合金）〜249〜480スズ（sn）232450はんだ（PB-SN合金）〜215〜419セレン（SE）*217423インジウム（in）157315ナトリウム（NA）98208カリウム（K）63145ガリウム（GA）〜30〜86セシウム（CS）〜28〜83水銀（HG）-39-38 重要なテイクアウト： タングステン、レニウム、タンタルなどの高融点金属は、極端な熱アプリケーションに不可欠です。これらの金属は、過酷な炉と航空宇宙環境に構造的完全性を保持しています。モリブデンも融解に抵抗し、高温炉の建設に非常に価値があります。 鉄、銅、鋼などの中溶融点金属は、管理可能な融解温度と良好な機械的または電気的特性を組み合わせて、建設、工具、電気システムに汎用性があります。 ガリウム、セシウム、水銀、ブリキ、鉛などの低融点金属は、はんだ、温度計、低融合合金などの特殊な用途にとって価値があります。