ポルトヴァン・ル・シャトリエ効果（PLC効果）とは、応力–ひずみ曲線に鋸歯状の変化（不連続変形）が現れる現象である。これは、一部の材料が塑性変形、特に不均一な変形を示す際に観察される。
この現象は、動的ひずみ時効（DSA）や、拡散する溶質原子による転位の固着と、転位がその固着を脱して運動する過程との競合に起因すると考えられている。
PLC効果の発現は、ひずみ速度に対する感受性が負の値となり、不均一な変形が始まる際に生じる。
この現象は、試験片の表面や塑性変形帯にも現れることがある。このプロセスは、臨界ひずみと呼称される応力－ひずみ曲線上に鋸歯状の変化が現れるのに必要な最小のひずみから始まる。臨界ひずみは、温度とひずみ速度の両方に依存する。
臨界ひずみの存在は、変形によって生じた原子空孔や可動転位密度の増加による溶質拡散性の向上に起因すると考えられている。これらはいずれも置換型合金の不安定性に寄与するが、格子間合金の場合は可動転位密度の増加のみが影響を及ぼす。
歴史 PLC効果は、フェリックス・サヴァールによって銅帯の引張試験中に不均一な変形を観察した際に発見されたが、その名称はアルベルト・ポルトヴァンとフランソワ・ル・シャトリエに由来する。
彼は、ポルトヴァン・ル・シャトリエ帯(PLCバンド)として知られる、試験片に見られる物理的な鋸歯状模様を記録した。サヴァールの弟子であるアントワーヌ・マソンは、荷重速度を制御しながらこの実験を再現した。マソンは、荷重速度を一定に保った場合、試験片の伸びに数mmにも及ぶ急激な変化が生じることを観察した。
メカニズム ポルテヴァン・ル・シャトリエ効果の根底にある物理現象の多くは、溶質ドラッグクリープ(SDC)の特定の形態に起因している。純粋な結晶に溶質原子を加えると、系内に格子の不整合が生じる。これにより、転位運動が制限される。 低温では、これらの溶質原子は格子内で不動であるが、高温になると溶質原子は可動となり、転位とより複雑な相互作用を示すようになる。溶質原子が可動であり、かつ転位速度がそれほど高くない場合、溶質原子と転位は共に移動することがあり、その際、溶質原子が転位の運動を抑制する。
PLCバンドの形成と伝播 ハステロイXに関する最近の熱機械分析により、ポルテヴァン・ル・シャトリエ（PLC）帯がどのように発生し、発展していくかについて詳細な知見が得られた。PLC帯の形成は、転位が一時的に固定されている微細な局所的な部位において、ひずみが徐々に蓄積することから始まる。ひずみが集中し続けると、荷重方向に対して約50～60°の角度で傾いたせん断面に沿った隣接領域も変形し始め、連続的な局所バンドが形成される。蓄積された局所応力が障害物強度を超えると、急速なすべり活動が発生し、局所および全体的なスケールで急激な応力低下が生じる。すべりに続いて直ちに、弾性的な応力再配分と転位の再ピン止めにより、応力はしばしば以前の水準まで回復するか、あるいはそれを上回ることもある。連続するすべり事象の間、局所応力は、温度やひずみ速度に応じて、ひずみとともに増加（局所硬化）するか、あるいは徐々に減少（局所軟化）する。こうした軟化、硬化、回復の事象が交互に繰り返される複合的な作用により、PLC効果に見られる特徴的な巨視的応力振動や、全体的な硬化・軟化が生じる。
転位溶質原子相互作用 ポルテヴァン・ル・シャトリエ効果は、溶質ドラッグクリープが発生しており、かつ試験片に材料固有の範囲の応力が加えられているという特定の状況下で生じる。加えられた応力により転位速度が増加し、転位が溶質から離脱する（breakaway）。これにより、転位に作用する応力が減少し、その結果、転位の速度が低下し、溶質原子が転位に追いつくことができる。溶質原子が追いつくとすぐに、転位に作用する応力が大幅に増加し、このプロセスが繰り返される。
上述のような周期的な変化により、ポルテヴァン・ル・シャトリエ効果が生じている引張試験の応力-ひずみ曲線の塑性領域に鋸歯状の変化が現れる。また、応力の変動により、試験片全体に不均一な変形が生じ、その表面が粗くなることで、肉眼でも確認できるようになる。
脚注
出典