什麼是變形機構圖

以規格化的應力與同系溫度為軸，表示使材料變形最快的機制（差排滑移、冪律潛變、擴散潛變等）所占區域的圖。

日文名稱: 変形機構図

「變形機構圖」出現在1領域的1道練習題中（高溫材料與潛變等）。

圖的製作方式

變形機構圖由Ashby於1972年提出，在他與Frost於1982年出版的著作中整理了許多金屬與陶瓷的圖。把擴散係數、剛性模數、原子體積、晶粒尺寸等值代入差排滑移、冪律潛變、擴散潛變等各機制的速率式，對每個應力與溫度的組合計算速率。互相獨立作用的機制把速率相加，屬於擇一作用關係的機制則選較快者，再把貢獻最大的機制的區域分區塗色。邊界線是相鄰2個機制速率相等的條件。

以同系溫度來看可得知的事

橫軸取絕對溫度除以熔點Tm的同系溫度 T/Tm，就能以相同刻度比較熔點不同的材料的高溫行為。潛變開始變得明顯，大約是在 T/Tm 超過0.4左右時。室溫20℃對鎢（Tm ≈ 3695 K）只是 T/Tm ≈ 0.08，對鉛（Tm ≈ 601 K）卻高達約0.49。老舊的鉛管或屋頂材料會因自重緩慢下垂，是因為即使在室溫也處於潛變的區域。反過來，純Ni的 T/Tm = 0.6 約為1040 K，也就是760℃左右。

讀圖時的注意事項

變形機構圖是針對固定的晶粒尺寸與純度，由模型的速率式與文獻的常數計算出的圖。就像晶粒細化會使擴散潛變的區域擴大，組織改變時邊界會大幅移動，純金屬的圖不能直接用於含析出物的合金。速率式的常數含有誤差，因此邊界的位置必須以實驗確認。此外，圖表示的是穩態變形的快慢，並不顯示何時破壞。關於破壞，另外製作了以同樣方式畫出劈裂、沿晶破壞、延性破壞等區域的破壞機構圖。

在設計與材料選擇上的用法

把使用的應力與溫度的點放到圖上，就知道哪個機制占主導，也能由圖中的等應變速率線大致估計變形的快慢。若該點在擴散潛變的區域，就使晶粒粗大；若在冪律潛變的區域，就以析出物或固溶元素妨礙差排運動，有效的對策因而不同。點靠近邊界時，條件的些微差異就會使機制交替，由短時間試驗的外插容易失準。在地球科學中，也使用岩石與冰的圖，來思考地函與冰河流動的機制。

練習變形機構圖的題目

關於Ashby等人的變形機構圖（縱軸為以剛性模數規格化的應力 σ/G，橫軸為同系溫度 T/Tm 的圖），下列敘述何者正確？Tm為熔點（絕對溫度）。

A決定晶粒尺寸等條件，表示各應力與溫度下變形最快的機制區域的圖，低應力、高溫側為擴散潛變，較高應力側為冪律潛變
B各機制的區域只由材料的種類決定，因此同一材料無論把晶粒細化或是粗化，擴散潛變與冪律潛變之間的邊界都完全不會移動
C越往低應力、高溫側，差排滑移的區域越寬，擴散潛變的區域只在接近理想強度的高應力、低溫側才會出現

查看答案與解析

正確答案：A. 決定晶粒尺寸等條件，表示各應力與溫度下變形最快的機制區域的圖，低應力、高溫側為擴散潛變，較高應力側為冪律潛變

變形機構圖是由各機制的速率式，求出在某應力與溫度下使材料變形最快的機制，並分區塗色。多個機制是平行作用的，因此以最快者為主導。接近理想強度的高應力下以差排滑移為主，中間應力的高溫下以伴隨差排攀移的冪律潛變為主，低應力的高溫下以擴散潛變為主。擴散潛變的速率與晶粒尺寸的2次方或3次方成反比，因此細化晶粒會使擴散潛變的區域擴大，邊界會移動。圖中也畫有一定應變速率的線，可讀出使用條件下的機制與變形快慢。把差排滑移放在低應力側的敘述，弄錯了配置。

常見問題

同系溫度是什麼？

是絕對溫度T除以熔點Tm（絕對溫度）的值 T/Tm。以熔點為基準時，原子擴散的難易與材料無關而變得相似，因此用作高溫變形的參考。直接用攝氏溫度相除會得到沒有意義的值，必須以絕對溫度計算。

縱軸的應力為什麼要除以剛性模數？

因為差排運動與潛變的快慢，不是由應力本身，而是由應力相對於原子間鍵結強度的大小決定。使用除以剛性模數G的 σ/G，就能以相同刻度比較強度不同的材料。圖上也常並列實際應力（MPa）的刻度。

變形機構圖的邊界線代表什麼？

是相鄰2個機制以相同速率造成變形的應力與溫度的組合。在線上兩者的貢獻相等，離線越遠，其中一方越占主導。邊界並不是機制突然切換的線，在其附近兩個機制都在作用。

解析中的「變形機構圖」

變形機構圖是由各機制的速率式，求出在某應力與溫度下使材料變形最快的機制，並分區塗色。
關於Ashby等人的變形機構圖（縱軸為以剛性模數規格化的應力 σ/G，橫軸為同系溫度 T/Tm 的圖），下列敘述何者正…

出現「變形機構圖」的題目（1題）

關於Ashby等人的變形機構圖（縱軸為以剛性模數規格化的應力 σ/G，橫軸為同系溫度 T/Tm 的圖），下列敘述何者正確？Tm為熔點（絕對溫度）。