工学材料完全ガイド：一般的・物理的・機械的特性

この記事では以下について説明します：1. 工学材料の一般特性 2. 工学材料の物理的特性 3. 機械的特性。

工学材料の一般特性

工学材料を製造する産業に関わる経済学者は、工学材料を最も経済的な方法で使用・応用する方法を見つけることに関心があります。経済学者は様々な工学材料の特性と製造プロセスに関する実務知識を持つべきです。

このような経済学者の役割は、特定条件下での工学材料選択や、入手可能な地元原料からの工学材料製造ライン決定において極めて有用です。

特定工学材料の適用分野は、その材料の特性と様々な特性によって決まります。

このような特性は以下の様々なカテゴリーに分類できます：

(1) 化学的特性

材料の化学的特性は、他物質との結合傾向、反応性、溶解性、腐食、化学組成、酸性、アルカリ性などの影響を示唆します。腐食は金属の化学的特性によって引き起こされる、技術者が材料選択で直面する深刻な問題の一つです。

金属では価電子が原子に緩く結合しており、化学反応で容易に離脱します。したがって金属が大気中に露出し、酸素、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酸化鉄が生成され、これは赤色で鉄金属を被覆します。これを腐食と呼びます。

(2) 電気的特性

これらの特性は、材料の電流抵抗能力を示し、導電率、誘電強度、抵抗率を含みます。

(3) 磁気的特性

透磁率、ヒステリシス、保磁力などの材料磁気特性の研究は、発電機、変圧器などに使用する際に必要です。

(4) 機械的特性

外力が作用したときの材料挙動を支配する特性が含まれます。重要な機械的特性には弾性、硬度、塑性、強度などがあります。

(5) 光学的特性

材料を光学作業に使用する場合、色、透光率、屈折率、反射率などの光学的特性の知識が必要です。光が何らかの材料に当たると、その原子と相互作用し様々な効果を生じます。光は反射、屈折、散乱、吸収される可能性があります。材料中の光と、この挙動を利用して様々な光効果を制御する方法の研究を光学と呼びます。

(6) 物理的特性

外力が作用していない状態で材料の状態を評価するために必要で、容積密度、耐久性、多孔性などが含まれます。

(7) 熱的特性

比熱、熱膨張、熱伝導率などの材料熱的特性の知識は、材料の熱変化に対する応答を知るのに役立ちます。これにより変動温度や高温に耐えられる適切な材料を選定できます。

(8) 技術的特性

金属と合金の加工や応用に影響を与える特性を技術的特性と呼びます。鋳造性、切削性、溶接性、加工性は金属と合金の重要な技術的特性です。

これらすべての特性の中でも、物理的特性と機械的特性は建設技術者にとって特に重要です。

工学材料の物理的特性

工学材料の物理的特性に関連する以下の用語を定義・説明します：

(1) 容積密度 (2) 耐化学性 (3) 軟化係数 (4) 密度 (5) 密度指数 (6) 耐久性 (7) 耐火性 (8) 耐凍害性 (9) 吸湿性 (10) 多孔性 (11) 耐火度 (12) 剥離抵抗 (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) 容積密度

容積密度とは、材料の自然状態（すなわち気孔とボイドを含む）での単位体積あたりの質量を意味します。試料質量と自然状態での試料体積の比から求められます。材料の強度、熱伝導性などの技術的特性は容積密度の影響を大きく受けるため、材料の性能効率はその容積密度に依存します。ほとんどの材料では容積密度は密度より小さいですが、緻密な材料、液体、溶融物から得られる材料では例外です。表1-1に主要建築材料の容積密度を示します。

(2) 耐化学性

材料が酸、アルカリ、ガス、塩溶液の作用に耐える能力を耐化学性と呼びます。この特性は下水管、水工構造物、衛生設備などの材料選定時に慎重に検討されます。

(3) 軟化係数

水飽和状態の材料圧縮強度と乾燥状態の圧縮強度の比を軟化係数と呼びます。ガラスや金属のような材料は水の影響を受けず、軟化係数は1です。一方、粘土のような材料は水に浸すと容易に強度を失うため、軟化係数は0です。軟化係数が0.8以上の材料を耐水性材料と呼びます。永続的に湿気の作用を受ける可能性のある状況では、軟化係数0.8未満の材料使用は避けるべきです。

(4) 密度

材料の密度とは、均質材料の単位体積あたりの質量と定義されます。材料質量と均質状態での材料体積の比から求められます。材料の物理的特性はその密度の影響を大きく受けます。

(5) 密度指数

材料の容積密度と密度の比を密度指数と呼び、これによりその体積が固体物質でどの程度充填されているかを示します。自然界には実質的に緻密な物質は存在しないため、ほとんどの建築材料の密度指数は1未満です。

(6) 耐久性

大気およびその他の要因の複合作用に抵抗する材料の特性を耐久性と呼びます。建物の維持管理コストは、それを構成する材料の耐久性に自然と依存します。

(7) 耐火性

耐火性とは、材料が高温作用に抵抗し、負荷支持能力を失わない（すなわち強度の実質的低下や形状変形なし）能力を意味します。この特性は火災時に極めて重要であり、消火活動は通常水を伴うため、この特性は高温と水の複合作用で試験されます。材料は火災時に安全性と安定性を確保するために十分な耐火性を持つべきです。

(8) 耐凍害性

水飽和材料が繰り返し凍結・融解しても機械的強度の著しい低下や破壊の目に見える兆候なしに耐える能力を耐凍害性と呼びます。材料の耐凍害性は材料密度とその水飽和度に依存します。一般に緻密な材料は耐凍害性があります。気孔が閉じているか、体積の90%未満まで水で満たされている多孔質材料は耐凍害性があります。

(9) 吸湿性

材料が空気から水蒸気を吸収する特性を吸湿性と呼び、関与物質の性質、気孔数、気温、相対湿度などによって決まります。保水性または親水性物質は水に容易に溶解します。

(10) 多孔性

多孔性とは、材料体積が気孔によって占められる程度を示す用語です。試料に対する気孔体積の比で表されます。材料の多孔性は強度、容積密度、吸水率、熱伝導率、耐久性など様々な特性を示唆するため、慎重に研究・分析する必要があります。

(11) 耐火度

材料が長時間の高温作用に耐え、溶融や形状喪失なしに持続する能力を耐火度と呼びます。

(12) 剥離抵抗

材料が鋭い温度変化サイクルを一定回数耐え、破壊しない能力を剥離抵抗と呼び、主に構成成分の線膨張係数に依存します。

(13) 比熱

比熱とは、材料1Nを1℃上昇させるのに必要な熱量（キロカロリーで表現）と定義されます。熱蓄積を考慮する際に材料の比熱を考慮する必要があります。鋼、石、木材の比熱は以下の通りです：鋼：0.046×10³ J/N℃、石：0.075～0.09×10³ J/N℃、木材：0.239～0.27×10³ J/N℃

(14) 熱容量

材料が熱を吸収する特性を熱容量と呼び、以下の式で求められます：T = H / M (T₂ – T₁) ここで、T = 熱容量（J/N℃）、H = 材料温度をT₁からT₂まで上昇させるのに必要な熱量（J）、M = 材料質量（N）、T₁ = 加熱前材料温度（℃）、T₂ = 加熱後材料温度（℃）

(15) 熱伝導率

材料の熱伝導率とは、両面温度差も1である条件下で、単位厚さの材料単位面積を単位時間で通過する熱量（キロカロリー）です。熱伝導率の単位はJ/m·hr·℃で、通常Kで表されます。材料の熱伝導率はその密度、多孔性、含水率、温度に依存します。材料の熱抵抗率とは熱伝導率の逆数を意味し、材料の熱抵抗は熱抵抗率に厚さを乗じたものに等しいです。

(16) 吸水率

材料が水を吸収・保持する能力を吸水率と呼びます。乾燥材料を完全に水中に浸し、乾燥材料の重量パーセントまたは体積パーセントで求めます。主に材料に存在する気孔の体積、大きさ、形状に依存します。

(17) 透水性

材料が圧力下で水を通過させる能力を透水性と呼び、試料断面積1cm²の条件下で、一定圧力で1時間に材料を通過する水量で表されます。ガラス、鋼などの緻密な材料は防水性または不透水性です。

(18) 耐候性

耐候性とは、材料が交互の湿潤と乾燥条件に抵抗し、形状と機械的強度を深刻に損なわない能力を表す用語です。これにより、材料が変動する湿度条件に曝露された際の挙動を示します。

工学材料の機械的特性

剛性、延性、強度などの材料機械的特性は、それらの加工と実用的応用の可能性を決定する上で極めて重要です。

建築材料は、ダイヤモンドの硬度から純銅の延性、ゴムの驚異的な弾性挙動まで、幅広い機械的特性を示します。同様に、多くの材料は異なる応力様式で大きく異なる挙動を示します。例えば、鋳鉄、セメント、レンガは圧縮ではるかに強い一方、木材と鋼は引張りでより強いです。

建築材料の一般的な機械的特性に関連する以下の用語を定義・説明します：

(1) 耐摩耗性 (2) クリープ (3) 弾性 (4) 疲労 (5) 硬度 (6) 衝撃強度 (7) 塑性と脆性 (8) 強度 (9) 摩耗

(1) 耐摩耗性

材料の耐摩耗性は、摩耗前後の試料重量差を摩耗面積で割ることで求められます。

(2) クリープ

多くの用途では、建築材料が長期間定常荷重を支える必要があります。このような条件下では、材料は有用性が深刻に損なわれるまで変形し続ける可能性があります。このような構造物の時間依存性変形は大きくなり、荷重増加なしで最終破壊に至ることさえあります。荷重が一定でも変形が継続する場合、この追加変形をクリープと呼びます。ほとんどの建築材料はあらゆる温度で一定程度クリープします。しかし、鋼、アルミニウム、銅などの工業用金属は室温ではごくわずかしかクリープしません。高温は微細構造変化を伴う急速なクリープを引き起こします。クリープ現象は室温でのポリマー、100℃でのアルミニウム合金、300℃以上の鋼で重要です。

(3) 弾性

材料に荷重を加えると形状と寸法に変化が生じます。弾性とは、荷重除去後に材料が初期形状と寸法を回復する能力を示す用語です。以下の2用語の違いに注意してください：

(i) 弾性変形

固体が荷重で変形し、荷重除去で元の位置に戻る変形を弾性変形と呼びます。圧力変化または荷重適用により弾性変形が生じます。理想変形とは、力適用時に瞬時に生じ、力除去時に完全に消失する変形を意味します。このような変形はフックの法則に従い、金属の弾性歪みは適用力に直接比例します。理想変形は、弾性限界内で作業応力を維持できる比較的小さな変形力で生じます。

(ii) 塑性変形

固体が荷重除去後も形状変化を全面的または部分的に保持する変形を塑性変形と呼びます。塑性変形は応力が弾性限界を超えたときに観察され、その速度は歪み速度、適用応力、温度によって制御されます。引張、圧縮、ねじり応力下で発生可能です。圧延、鍛造などのプロセスで有用製品を作るために意図的に実施されます。

(4) 疲労

材料が繰り返しまたは変動応力を受けると、定常荷重下での破壊に必要な応力よりはるかに低い応力で破壊します。この挙動を疲労と呼び、以下の3つの特徴で区別されます：

(i) 強度と寿命の不確実性増大
(ii) 延性の喪失
(iii) 強度の喪失

疲労破壊の理由：

(i) 腐食環境による疲労強度低下
(ii) 応力集中点
(iii) 加工痕や表面不規則性などの表面欠陥
(iv) 温度、疲労強度は低温で高く、温度上昇とともに徐々に低下

(5) 硬度

材料がより硬い物体による貫入に抵抗する能力を硬度と呼びます。床材や路面材料としての材料加工性と用途決定の主要因子です。硬度は基本特性ではありません。しかし、貫入モード、貫入子形状などに相対的な圧縮的、弾性的、塑性的特性の複合効果です。硬度は与えられた材料の引張強度とかなり一定の関係を持ちます。したがって、材料引張強度と表面近傍の金属状態を大まかに知る実用的な非破壊試験として使用できます。石材の硬度はモース硬度計で判定可能です。これは硬度増加順に並べられた10材料のリストです。材料の硬度は、それを引っ掻く材料とそれに引っ掻かれる材料の2材料の硬度の間に位置します。表1-2にモース硬度計を示します。

(6) 衝撃強度

材料の衝撃強度とは、単位体積あたりの破壊に必要な仕事量です。これにより材料の靭性が示され、材料は衝撃試験機で試験されて衝撃強度を決定します。衝撃強度は材料の靭性と強度の両方を考慮した複雑な特性です。以下の要因で変化します：(i) 試料寸法が大きいと衝撃強度も増大、(ii) ノッチ鋭度が増すと破壊に必要な衝撃強度は減少、(iii) ノッチ角度も特定値以降で衝撃強度を改善、(iv) 衝撃速度も一定程度影響、(v) 試料温度は延性、脆性、延性-脆性遷移のどの破壊タイプが起こりやすいかを示唆

(7) 塑性と脆性

材料の塑性とは、割れることなく荷重下で形状を変化させ、荷重除去後にその形状を保持する能力と定義されます。材料は大きく塑性材料と脆性材料の2グループに分けられます。鋼、銅、熱アスファルト等は塑性材料です。脆性材料は、破壊前に顕著な変形なしで圧力下で突発的に破壊します。岩石材料、セラミック材料、ガラス、鋳鉄、コンクリート等は脆性で、曲げ、衝撃、引張りに対する抵抗が劣ります。

(8) 強度

材料が荷重による応力作用下で破壊に抵抗する能力を強度と呼びます。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、破壊荷重を試料断面積で割ることで求められます。建築材料の応力は、その極限強度の一定割合を超えないようにします。これにより安全マージンが確保され、極限応力と許容応力の比を安全率と呼びます。例えば安全率が2なら、設計用応力は極限応力の半分となります。安全率の値は設計基準で指定され、作業性質、材料品質、使用条件、経済的考慮などを考慮して策定されます。

(9) 摩耗

摩耗と衝撃の複合作用による材料破壊を摩耗と呼びます。摩耗抵抗は通常重量減少パーセントで表され、路面材料、鉄道バラスト等への材料適合性決定に極めて重要です。