Rheology of Solids

流動状態の複雑液体については数多くの理論・実験があ るが,この小論ではめったに解説されない 2成分固体の塑 性変形 (plastic deformation) を取り上げる.これらも非常に多 岐にわたる複雑な現象である. 金属以外にも,コロイド粒子 によって構成される固体の研究 も近年盛んである.コロ イドを用いた結晶・ガラスのレオロジー研究は豊かな可能 性がある.また固体中に相分離や構造相転移が起こること もよくある.その結果出現する析出物は,格子欠陥の生成・ ピン止めに重要な役割をはたす.構造相転移により引き起 こされる形状記憶効果も有名である. 固体状態は大まかに結晶 (crystal),多結晶 (polycrystal),ガ ラス (glass) に分類できる.以下に,我々の立場から,これ らの 3 状態におけるレオロジーの概観を与える. (i) 結晶では,面状の滑り (slip) が起こり易い. 面心立方 (fcc) 結晶では (111) 最密面が slip 面である.slip の周縁は線状欠陥 (dislocation) で構成されておりその進展 (gliding) の伝播速度は 音速に近く,様々な欠陥・不純物によって阻止されうる.従 い塑性変形は小さいものから大きいものまで広範囲にわたっ て引き起こされる. 塑性変形時の結晶表面の圧力変動は,結 晶内部での塑性変化に応じた雪崩現象の様相を呈している. (ii) 多結晶は粒界 (grain boundary) で区分された結晶粒 (grain) で構成されている.結晶粒のサイズがナノスケールを遙か に超えて大きければ,slip は粒界で発生し進展は粒界で食い 止められる. 結晶粒のサイズが非常に小さくなると , 粒界 が滑り (grain boundary sliding) ,結晶粒の集団運動が起こり易 くなる.一成分金属では粒界は不安定であり粗視化が止ま らないが,合金では構造乱れのため粒界のピン止めが働き 定常多結晶状態が実現される. (iii) ガラスのレオロジーも大変興味深い. ガラスのよう に乱れた構造体では非常に小さな応力で壊れる脆い部分が いたるところ内在し,通常のストレスーストインの線形弾 性関係が成立しない.金属ガラスの変形機構の深い理解は 応用上も重要である. 個人的体験ではあるが著者(小貫) は 1990 年頃 Simmonsらの非ニュートン効果の実験論文を 基礎研地下図書室で偶然見つけ驚愕した.特に定常ストレ イン率 ε4でガラスを引っ張るとストレスσ は ,