エンジニアリング材料の特性：一般的、物理的および機械的

この記事では、以下について説明します。1。エンジニアリング材料の一般的な特性2.エンジニアリング材料の物理的特性3.機械的特性。

一般 エンジニアリングマテリアルのプロパティ：

主にエンジニアリング材料を製造する産業に関心のあるエコノミストは、エンジニアリング材料を最良の経済的方法で使用または適用できる方法を見つけることに関心を持っています。エコノミストは、さまざまなエンジニアリング材料の特性と製造プロセスに関する実用的な知識を持っている必要があります。

このようなエコノミストのサービスは、特定の条件下でエンジニアリング材料を選択したり、利用可能な地元の原材料からエンジニアリング材料の製造ラインを決定したりする際に非常に役立ちます。

特定のエンジニアリング材料の適用分野は、そのエンジニアリング材料の特性とさまざまな特性によって決まります。

このようなプロパティは、次のようにさまざまなカテゴリに分類できます。

（1）化学的性質：

材料の化学的性質は、材料が他の物質と結合する傾向、その反応性、溶解性、および腐食、化学組成、酸性度、アルカリ性などの影響を示唆しています。腐食は、金属の化学的性質に起因する、工学材料の選択においてエンジニアが直面する深刻な問題。

金属では、価電子は原子に緩く結合しており、化学反応中に簡単に除去できます。そのため、金属が大気中にさらされ、酸素や塩素などのガスと接触すると、化学反応が起こります。鉄が酸素と反応すると、赤色の酸化鉄が形成され、鉄の金属がコーティングされます。これは腐食と呼ばれます。

（2）電気的特性：

これらの特性は、電流の流れに抵抗する材料の能力を示し、導電率、絶縁耐力、抵抗率が含まれます。

（3）磁気特性：

透磁率、ヒステリシス、強制力などの材料の磁気特性の研究は、発電機、変圧器などに使用する場合に必要です。

（4）機械的特性：

外力が加えられたときの材料の挙動を支配する特性は、これらのプロパティに含まれています。重要な機械的特性には、弾性、硬度、可塑性、強度などがあります。

（5）光学特性：

この素材を光学作業に使用する場合は、色、光透過率、屈折率、反射率などの光学特性に関する知識が必要です。光が物質に当たると、その原子と相互作用し、さまざまな種類の効果を引き起こします。光は、反射、屈折、散乱、または吸収される可能性があります。材料中の光の研究と、この動作を使用してさまざまな光の効果を制御する方法は、光学と呼ばれます。

（6）物理的特性：

これらは、外力が作用しない状態で材料の状態を評価するために必要であり、かさ密度、耐久性、多孔性などが含まれます。

（7）熱特性：

比熱、熱膨張、伝導率などの材料の熱特性に関する知識は、熱変化に対する材料の応答を知るのに役立ちます。したがって、変動する高温に耐える適切な材料を選択することができます。

（8）技術的特性：

加工や用途に関係する金属や合金の特性は技術的特性と呼ばれます。鋳造性、機械加工性、溶接性、および加工性は、金属および合金の重要な技術的特性の一部です。

このようなすべての特性の中で、物理的特性と機械的特性は建設エンジニアにとって特に重要です。

物理的特性 エンジニアリングマテリアルの ：

エンジニアリング材料の物理的特性に関連する次の用語が定義および説明されています：

（1）かさ密度

（2）耐薬品性

（3）軟化係数

（4）密度

（5）密度インデックス

（6）耐久性

（7）耐火性

（8）耐霜性

（9）吸湿性

（10）気孔率

（11）不応性

（12）耐スポーリング性

（13）比熱

（14）熱容量

（15）熱伝導率

（16）吸水率

（17）透水性

（18）耐候性。

（1）かさ密度：

かさ密度という用語は、自然な状態、つまり細孔や空隙を含む、単位体積の材料の質量を意味するために使用されます。これは、自然状態の試料の体積に対する試料の質量の比率を調べることによって得られます。

強度、熱、伝導率などの材料の技術的特性は、かさ密度に大きく影響されるため、材料の性能効率はかさ密度に依存します。

かさ密度は、密度の高い材料、液体、および溶融塊から得られる材料を除いて、ほとんどの材料でその密度よりも低くなっています。

表1-1は、いくつかの重要な建築材料のかさ密度を示しています。

（2）耐薬品性：

酸、アルカリ、ガス、塩溶液の作用に耐える材料の能力は、その耐薬品性として知られています。

このプロパティは、下水道管、水力工学設備、衛生設備などの材料を選択する際に慎重に検討されます。

（3）軟化係数：

水で飽和した材料の圧縮強度と乾燥状態の圧縮強度の比は、軟化係数として知られています。ガラスや金属などの材料は水の存在による影響を受けず、軟化係数は1です。一方、粘土のような材料は、水に浸すと強度が低下しやすいため、軟化係数はゼロになります。

軟化係数が0.8以上の材料を耐水性材料と呼びます。湿気の作用に恒久的にさらされる可能性のある状況では、軟化係数が0.8未満の材料の使用を避けることをお勧めします。

（4）密度：

材料の密度という用語は、均質な材料の単位体積の質量として定義されます。これは、均質な状態の材料の体積に対する材料の質量の比率を計算することによって得られます。材料の物性は密度に大きく影響されます。

（5）密度指数：

密度に対する材料のかさ密度の比率は密度指数として知られており、したがって、その体積が固形物で満たされている程度を示します。

自然界には密度の高い物質がほとんどないため、ほとんどの建築材料の密度指数は1未満です。

（6）耐久性：

大気と他の要因の複合作用に抵抗する材料の特性は、その耐久性として知られています。

建物の運営または維持費は、当然、それを構成する材料の耐久性に依存します。

（7）耐火性：

耐火性という用語は、耐荷重能力を失うことなく、つまり強度や形状の変形を大幅に失うことなく、高温の作用に耐える材料の能力を意味するために使用されます。

火災の場合、材料のこの特性は非常に重要です。通常、消火活動には水が伴うため、材料のこの特性は、高い作用を組み合わせてテストされます。温度と水。材料は、火災の場合の安全性と安定性を提供するために十分に耐火性でなければなりません。

（8）耐霜性：

機械的強度の大幅な低下や目に見える故障の兆候なしに、凍結と解凍の繰り返しに耐える水飽和材料の能力は、耐霜性として知られています。材料の耐霜性は、材料の密度と水による飽和度に依存します。

一般的に、高密度の素材は耐霜性があります。細孔が閉じているか、体積の90％未満まで水で満たされている多孔質材料は、耐霜性があります。

（9）吸湿性：

空気から水蒸気を吸収する材料の特性は吸湿性として知られており、関係する物質の性質、細孔の数、気温、相対湿度などによって決まります。水-保持性または親水性の物質は水に容易に溶解します。

（10）気孔率：

多孔性という用語は、材料の体積が細孔によって占められている程度を示すために使用されます。これは、試料の体積に対する細孔の体積の比率として表されます。材料の多孔性は、強度、かさ密度、吸水率、熱伝導率、耐久性などのさまざまな特性を示しているため、慎重に調査および分析する必要があります。

（11）不応性：

材料が溶融したり形状を失ったりすることなく高温の長時間の作用に耐える能力は、その不応性として知られています。

（12）耐スポーリング性：

材料が一定の数サイクルの急激な温度変化に失敗することなく耐える能力は、その耐剥離性として知られており、主にその構成要素の線膨張係数に依存します。

（13）比熱：

比熱という用語は、1Nの材料を1°Cで加熱するのに必要な熱量として定義されます。キロカロリーで表されます。熱の蓄積を考慮する場合は、材料の比熱を考慮する必要があります。

鋼、石、木の比熱は次のとおりです。

鋼– 0.046 x 10 ³ J / N°C

石– 0.075〜0.09 x 10 ³ J / N°C

木– 0.239〜0.27 x 10 ³ J / N°C。

（14）熱容量：

熱を吸収する材料の特性は熱容量として知られており、次の方程式で計算されます–

T =H / M（T ₂ – t ₁ ）

ここで、T =J / N°Cでの熱容量

H =材料の温度をT ₁ から上げるために必要な熱量 T ₂ へ JでM =Nでの材料の質量

T ₁ =加熱前の材料の温度（°C）

T ₂ =加熱後の材料の温度（°C）。

（15）熱伝導率：

材料の熱伝導率は、表面の温度差も1である場合に、単位時間に単位厚さで材料の単位面積を流れるキロカロリー単位の熱量です。熱伝導率の単位はJ / m hr°Cで、通常はKで表されます。材料の熱伝導率は、その密度、気孔率、含水率、および温度に依存します。

材料の熱抵抗率という用語は、その熱伝導率の逆数を意味するために使用されます。材料の熱抵抗は、熱抵抗にその厚さを掛けたものに等しくなります。

（16）吸水率：

水を吸収して保持する材料の能力は、その吸水として知られています。乾燥した材料を完全に水に浸し、次に吸水率を重量のパーセンテージまたは乾燥した材料の体積のパーセンテージのいずれかとして計算します。それは主に、材料に存在する細孔の体積、サイズ、および形状に依存します。

（17）透水性：

圧力下で水を通過させる材料の能力は、その透水性として知られており、一定の圧力で1時間に材料を通過する水の量として表されます。 、試験片の断面積は1cmです。ガラス、鋼などの高密度材料は、防水性または水を通さないです。

（18）耐候性：

耐候性という用語は、材料の形状や機械的強度に深刻な影響を与えることなく、湿った状態と乾いた状態の交互に耐える材料の能力を表すために使用されます。したがって、湿度の変化する条件にさらされたときの材料の挙動を示します。

エンジニアリング材料の機械的特性：

剛性、延性、強度などの材料の機械的特性は、製造や可能な実用的な用途を決定する上で非常に重要です。

建築材料は、ダイヤモンドの硬度から純銅の延性、ゴムの驚くべき弾性挙動に至るまで、幅広い機械的特性を示します。同様に、多くの材料は、さまざまな方法で応力が加えられた場合、まったく異なる動作をします。たとえば、鋳鉄、セメント、レンガは圧縮がはるかに強力ですが、木や鋼は引張が強力です。

建築材料の一般的な機械的特性に関連する次の用語が定義および説明されています：

（1）摩耗

（2）クリープ

（3）弾力性

（4）倦怠感

（5）硬度

（6）衝撃強度

（7）可塑性と脆性

（8）強さ

（9）着用してください。

（5）硬度

（1）摩耗：

摩耗に対する材料の耐性は、摩耗前後の試験片の重量の差を摩耗面積で割ることによって求められます。

（2）クリープ：

多くの用途では、建築材料は長期間安定した荷重に耐える必要があります。このような条件下では、材料の有用性が大幅に低下するまで、材料は変形し続ける可能性があります。構造のこのような時間依存の変形は大きくなる可能性があり、荷重を増加させることなく最終的な破壊を引き起こす可能性さえあります。荷重が一定でも変形が続く場合、そのような追加の変形はクリープと呼ばれます。

ほとんどの建築材料はすべての温度である程度クリープします。ただし、鋼、アルミニウム、銅などのエンジニアリング金属は、室温ではほとんどクリープしません。高温は急速なクリープを引き起こし、それはしばしば微細構造の変化を伴います。クリープの現象は、室温のポリマー、100°Cのアルミニウム合金、および300°Cを超える鋼で重要です。

（3）弾力性：

材料に荷重がかかると、その形状と寸法が変化します。弾性という用語は、荷重が除去された後、材料が初期の形状と寸法を復元する能力を示すために使用されます。

次の2つの用語の違いに注意してください。

（i）弾性変形：

ソリッドは、ロード時に変形すると弾性であると言われますが、アンロードすると元の位置に戻ります。圧力の変化または荷重の適用により、弾性変形が発生します。理想的な変形という用語は、力を加えると瞬時に発生し、力を取り除くと完全に消える変形を意味するために使用されます。

このような変形はフックの法則に従い、金属の弾性ひずみは加えられた力に正比例します。理想的な変形は、比較的小さな変形力で発生し、使用応力を弾性限界内に保つことができます。

（ii）塑性変形：

荷重を取り除いた後、固体が完全にまたは部分的に形状の変化を保持している場合、変形は塑性であると言われます。塑性変形は、応力が弾性限界を超えたときに観察され、その速度はひずみ速度、加えられた応力、および温度によって制御されます。これは、引張、圧縮、およびねじり応力下で発生する可能性があります。圧延、鍛造などの工程で意図的に行われ、有用な製品を作ります。

（4）疲労感：

材料に繰り返しまたは変動する応力がかかると、定常荷重下で破壊を引き起こすのに必要な応力よりもはるかに低い応力で材料が破損します。

この動作は疲労感と呼ばれ、次の3つの機能によって区別されます。

（i）強度と耐用年数の不確実性の増加。

（ii）延性の喪失;および

（iii）強度の低下。

疲労破壊の理由は次のとおりです。

（i）腐食環境により、疲労強度が低下します。

（ii）応力集中点。

（iii）機械加工マークや表面の凹凸などの表面の欠陥。および

（iv）温度。疲労強度は低温で高く、温度の上昇とともに徐々に低下します。

（5）硬度：

より硬い物体の浸透に抵抗する材料の能力は、その硬度として知られています。これは、床や路面の作業性と材料の使用を決定する主な要因です。硬度は基本的な特性ではありません。ただし、これは、浸透モード、ペネトレーターの形状などに関連する圧縮、弾性、および塑性特性の複合効果です。

硬度は、特定の材料の引張強度とかなり一定の関係があります。したがって、材料の引張強度と表面近くの金属の状態を大まかに把握するための実用的な非破壊検査として使用できます。

石材の硬度は、モース硬度の尺度を使用して決定できます。硬度の高い順に並べた10種類の素材のリストです。材料の硬度は、2つの材料の硬度の間にあります。つまり、1つは引っかき傷があり、もう1つはテスト対象の材料によって引っかかれています。

表1-2に、モース硬度の尺度を示します。

（6）衝撃強度：

材料の衝撃強度は、単位体積あたりの破損を引き起こすために必要な作業量です。したがって、これは材料の靭性を示し、材料は衝撃試験機で試験されて衝撃強度が決定されます。

衝撃強度は、材料の靭性と強度の両方を考慮に入れた複雑な特性です。

次の要因によって異なります。

（i）試験片の寸法を大きくすると、衝撃強度も大きくなります。

（ii）切り欠きの鋭さが増すと、破損に必要な衝撃強度が低下します。

（iii）ノッチの角度によって、特定の値の後の衝撃強度も向上します。

（iv）衝撃強度も、衝撃速度の影響をある程度受けます。

（v）試験中の試験片の温度は、発生する可能性のある破壊のタイプ、つまり延性、脆性、または延性から脆性への遷移についての指標を示します。

（7）可塑性と脆性：

材料の可塑性という用語は、荷重がかかった状態でひび割れることなく形状を変化させ、荷重を取り除いた後も形状を維持できる能力として定義されています。

材料は大きく2つのグループに分けることができます。すなわち、プラスチック材料と脆性材料です。鋼、銅、ホットビチューメンなどはプラスチック材料です。脆性材料は、破損の前に感知できるほどの変形を起こすことなく、圧力下で突然破損します。岩石材料、セラミック材料、ガラス、鋳鉄、コンクリート、およびその他のいくつかの材料はもろく、曲げ、衝撃、および張力に対する耐性が低くなります。

（8）強度：

荷重によって引き起こされる応力の作用下での破損に耐える材料の能力は、その強度として知られています。材料が一般的に受ける荷重は、圧縮、引張、曲げです。対応する強度は、極限荷重を試験片の断面積で割ることによって得られます。

建築材料の応力が最大強度の一定の割合を超えることは許可されていません。したがって、安全マージンが提供され、安全率という用語は、安全応力に対する極限応力の比率を表すために使用されます。たとえば、安全率が2の場合、設計目的で採用される応力は、最終応力の半分になります。

安全率の値は設計基準によって指定されており、作業の性質、材料の品質、使用条件、経済的配慮などのさまざまな要素を考慮して構成されています。

（9）着用：

摩耗と衝撃の複合作用による材料の破損は、摩耗として知られています。耐摩耗性は通常、重量減少のパーセンテージとして表され、路面や鉄道バラストなどに使用する材料の適合性を判断する上で非常に重要です。