「弾性変形」と「塑性変形」の違いは？－加工に欠かせない金属の特徴をわかりやすく解説

本記事では、金属材料の基本特性である「弾性変形」と「塑性変形」の違いについて、優しく解説します。

弾性変形とは？

「弾性変形」とは、力を加えると形が変わるけれど、その力を取り除くと元の形に戻る性質のことを指します。

イメージとしては、ゴムやばねのようなものがわかりやすいでしょう。

「弾（はず）む性質」という漢字の通り、外力を加えられても、反発して戻ろうとする力を持っている状態です。

今ばねを例に挙げましたが、硬いと思われている「金属」も、全てこのゴムのような性質を持っています。

一方、「塑性（そせい）変形」とは、外力を加えられて変形した後、力を取り除いても元の形に戻らず、変形したままの形が残る性質のことを指します。

イメージとしては、粘土のようなものがわかりやすいでしょう。一度指で押すと、凹んだまま元には戻りません。

金属も、ある限界を超えて強い力を加えると、この粘土のようにグニャッと曲がったまま戻らなくなります。一見、金属が曲がったまま戻らないのは「壊れた」からのようにも見えますが、モノづくりでは、この「形が変わったまま固まる」という性質こそが、製品の形を作るためには非常に重要になっています。

では、なぜ金属は「戻ったり（弾性）」「戻らなかったり（塑性）」するのでしょうか？
その謎を解くために、少しだけミクロの世界で何が起きているかを解説します。

金属などの材料は、原子同士が結合力（バネのような力）で繋がって整列しています。

1. 力を加える：原子同士をつなぐ「バネ」が引き伸ばされます。原子の位置はズレますが、原子同士のつながりは切れません。

2. 力を抜く：伸びていた「バネ」が縮み、原子は元の位置に戻ります。

原子同士の結合は切れておらず、ただ距離が伸び縮みしているだけなので、元に戻ることができるのです。

塑性変形は、弾性変形の限界（”降伏点”といいます）を超えて、さらに強い力を加えたときに起こります。

1. 強い力を加える：原子同士をつなぐバネが耐えきれなくなり、原子の列ごと「ズルッ」と滑ります。

2. つなぎ変わる：滑った原子は、元々の隣の原子ではなく、新しい隣の原子と手をつなぎ直します。

3. 力を抜く：バネの伸びは戻りますが、原子は別の原子と結合してしまっているため、元の位置には戻れません。

原子の並びそのものがズレてしまったため、もう元の形には戻ることができないのです。

ここでもう一つ押さえておきたいポイントは、塑性変形は「壊れた」ときだけに起きるわけではないということです。

むしろ、金属加工では意図的に塑性変形を利用して形を作っています。

例としては、

これらはすべて、金属の塑性変形をうまく利用して、狙った形にしています。

つまり、塑性変形には、

の両方がある、ということです。