材料を力で変形させると、力を取り除いた後に元の形に戻る場合と、戻らずに変形が残る場合があります。
後者の「元に戻らない変形」を塑性変形と呼び、材料工学・機械設計・製造加工の分野で極めて重要な概念です。
「塑性変形」は「そせいへんけい」と読み、弾性変形とともに材料の変形挙動を理解する上で欠かせない基礎知識です。
本記事では、塑性変形の意味・定義・弾性変形との違い・発生するメカニズム・材料設計への影響についてわかりやすく解説していきます。
塑性変形とは？定義と読み方
それではまず、塑性変形の定義と基本的な意味から解説していきましょう。
塑性変形（Plastic Deformation）とは、材料に加えた力（応力）が一定の限界値（降伏応力）を超えたとき、力を取り除いても元の形状に戻らない永久的な変形が残る現象のことです。
「塑性（そせい）」という言葉は「形を自在に変えられる性質」を意味し、粘土・金属・プラスチックなど幅広い材料に見られる普遍的な現象です。
塑性変形の読み方
「塑性変形」は「そせいへんけい」と読みます。
「塑性」は「そせい」、「変形」は「へんけい」であり、材料力学・機械工学・建築構造など幅広い分野で使われる標準的な用語です。
「塑」という漢字は「形をつくる・ねりかためる」という意味を持ち、粘土細工・鋳型などのイメージと関連しています。
弾性変形との比較
| 比較項目 | 弾性変形 | 塑性変形 |
|---|---|---|
| 応力の大きさ | 降伏応力以下 | 降伏応力を超える |
| 力を除いた後 | 元の形状に完全回復 | 永久ひずみが残る |
| 可逆性 | 可逆（元に戻る） | 不可逆（永久変形） |
| エネルギー | 弾性エネルギーとして蓄積・回復 | 熱・変形エネルギーとして散逸 |
| 代表例 | バネ・ゴムの伸び | 金属の塑性加工・構造物の座屈 |
塑性変形が起こるメカニズム
続いては、金属材料において塑性変形が起こる微視的なメカニズムを確認していきましょう。
転位（ディスロケーション）の運動
金属の塑性変形は、結晶内の格子欠陥である「転位（ディスロケーション）」の運動によって引き起こされます。
転位とは結晶格子のずれ（不整合な部分）であり、応力が加わると転位が結晶内を移動し、結晶面が少しずつ「すべり」を起こします。
このすべりの積み重ねがマクロな塑性変形として現れ、転位の運動が困難なほど変形しにくい（高強度）材料となります。
応力ひずみ曲線と降伏点
材料の塑性変形挙動は、引張試験で得られる応力−ひずみ曲線（S-S曲線）に明確に現れます。
弾性域では応力とひずみが直線的に比例（フックの法則）しますが、降伏応力（耐力）を超えると応力が大きく増加しなくてもひずみが急増する「降伏」が起こります。
降伏点以降は塑性変形域であり、除荷（荷重をゼロに戻す）しても永久ひずみが残ります。
塑性変形と材料設計・加工への応用
続いては、塑性変形が材料設計・製造加工においてどのように活用されているかを確認していきましょう。
塑性加工（鍛造・プレス・引抜き）
金属の塑性変形特性を積極的に利用した製造法が塑性加工です。
鍛造（forging）・プレス加工（stamping/pressing）・圧延（rolling）・引抜き（drawing）などは、材料を意図的に塑性変形させて目的の形状・寸法・機械的性質を付与する代表的な加工法です。
塑性加工後は加工硬化により強度が向上する材料も多く、材料の高性能化に活用されています。
耐震設計と塑性変形能力
建築構造物の耐震設計では、地震力に対して構造物が一定の塑性変形（塑性化）をしながらエネルギーを吸収することを許容する「靭性設計」が採用されています。
適切な塑性変形能力（延性）を確保することで、大地震時にも倒壊を防ぐ高い耐震性能が実現します。
まとめ
本記事では、塑性変形の定義・読み方・弾性変形との違い・発生メカニズム・材料設計・加工への応用について解説しました。
塑性変形とは降伏応力を超えた後に永久ひずみが残る不可逆な変形（読み方：そせいへんけい）であり、転位の運動という微視的メカニズムに起因します。
塑性加工・耐震設計・材料強化など幅広い場面での正確な理解が、工学的な設計・製造の精度向上につながるでしょう。
