伸線加工における転位メカニズムの分子動力学解析－伸線方位による転位と応力の関係

摘要

塑性加工法の一種である伸線（引抜き）加工は，線材をダイスに繰返し通し，高強度で細径な線材を作製することが可能な加工法である.伸線加工は紀元前15～17世紀に貴金属の加工として用いられていた形跡があり，4000～5000年の歴史がある[1].一般的な製品である橋梁用部材やタイヤのスチールコードに加え，近年では半導体の精密切断加工用高炭素鋼ソーワイヤ，生体適合金属材料を用いた医療機器用ワイヤなど使用範囲は拡大しつつある[2,3].また，急速な技術の進歩による部品の小型化，軽量化は，製品の形状を左右させる重要な課題である.現在では，数μm程度の極細線が伸線により実現しており[4]，それよりさらに高強度で細径化した極細線の実現が求められている.近年では，ナノスケールに向けた細径化の試みとして，単結晶ナノワイヤの研究が進められている[5,6].しかし，引張や圧縮などの基礎的な力学的特性の研究が多く，ナノワイヤの作製原理の研究は少ないのが現状である.金属材料に応力を負荷すると初期段階で弾性変形が起きる.しかし，ある臨界応力に達すると転位が集団で運動するようになり，降伏強度以上で材料が塑性変形する.この転位をコントロールすることは，今後の線材の細径化の鍵を握る技術であり，転位の動的挙動を観察しその転位メカニズムを理解することが重要となってくる.一般的に転位の観察は，X線回折や透過型電子顕微鏡を用いた方法で実験的に行われている[7,8].しかし，両者は局所的な範囲のみでの転位発生後の観察に限定され，動的な挙動を観察することができない.そこで，本研究では数値シミュレーションを採用する.本研究では，結晶構造を忠実にモデル化でき，動的な転位挙動の観察が可能な分子動力学法（MD法）を用いる[9].そして，応力が転位の形状や発生場所を決める重要な因子となるため，伸線時の線材に生じる応力場を考察する.一般的には，伸線材として多結晶金属材料が用いられており，伸線加工により金属結晶の優先方位を持った繊維状の組織を生じることが知られている[10].一方，ナノスケールでの伸線では単結晶に近い材料が用いられると想定され，その伸線加工の強化メカニズムは未解明な点が多いのが現状である.そこで，伸線方位を立方晶の主要方位である<100><110><111> と設定し，印加される応力方向と結晶方位の関係を変化させることで，各々に発生する転位と局所的応力の関係から強化メカニズムについて検討する.