永久強度に基づくHall–Petch 関係の再定義 ―結晶粒微細化強化の原義を問い直す―

本研究では、従来「結晶粒微細化による強化則」と理解されてきたHall–Petch関係の妥当性を、永久強度（非熱的成分）に基づき再評価した。SPD加工および焼鈍を施したAl，Cu，Feを対象に、0.2%耐力 σ_0.2 を熱活性的成分 σ^* と非熱的成分である永久強度 σ_i に分離し、さらに σ_i を転位強化 σ_ρ と粒径強化 σ_gs に独立分解した。応力緩和試験に基づく高精度な σ_i の抽出と各強化成分の対応整理により、微細粒領域では粒径強化が発現せず、Hall–Petch関係を「結晶粒微細化強化」とみなす一般的理解が普遍的には成立しないことが明らかとなった。一方、焼鈍により結晶粒が粗大化すると、いずれの材料においても強度低下がHall–Petch型の粒径依存性へ回帰する傾向が認められた。本結果は、Hall–Petch関係が本来整理していた現象は「微細化による強化」ではなく「粗大化に伴う強度低下」であることを示唆するものである。さらに、永久強度に基づく分離評価により、材料間で強化支配因子が本質的に異なることが明確となり、見かけの強度のみでは捉えられなかった強度発現機構の理解が可能となった。本研究は、永久強度に基づく結晶粒径制御指針の再構築に資する重要な知見である。

This study demonstrates that the conventional understanding of the Hall–Petch relationship as a“ grain refinement strengthening law” does not universally hold when evaluated on the basis of permanent strength, i.e., the athermal component of material strength. Severe plastic deformation（SPD）and subsequent annealing were applied to Al, Cu, and Fe, and the 0.2％ proof stress σ0.2 was separated into a thermal component σ＊ and an athermal permanent strength component σi. Furthermore, σi was independently decomposed into dislocation strengthening σt and grain-size strengthening σgs. High-precision identification of σi through stress relaxation analysis revealed that a grain-size strengthening contribution does not necessarily emerge in the ultrafine-grained regime, indicating that the commonly accepted interpretation of the Hall–Petch relationship as “strengthening by grain refinement” is not universally valid. In contrast, under annealing-induced grain coarsening, all materials exhibited strength degradation following a Hall–Petch-type grain-size dependence. These results indicate that the original Hall–Petch relationship fundamentally reflects strength degradation associated with grain coarsening, rather than a universal strengthening effect induced by grain refinement. The permanent-strength-based separation further clarified that the dominant strengthening mechanism differs fundamentally among materials and cannot be captured solely from apparent strength measurements. This study provides an important basis for reconstructing grain-size-related strengthening mechanisms using permanent strength as a physically meaningful design parameter.

Permanent strength, Hall–Petch relationship, Grain-size strengthening, Dislocation strengthening, Stress relaxation, Severe plastic deformation（SPD）