スチールとアルミニウムの延性比較
鋼とアルミニウムを比較すると、鋼はアルミニウムの 2.5 倍の密度があり、引張強度が高いため、2 つの金属の中でより強いと見なされます。また、鋼はアルミニウムよりも耐食性に優れています。ただし、アルミニウムは鋼よりも延性が高く、優れた可鍛性を備えており、航空宇宙、電気、建設などの産業に特にメリットがあります。
以下では、スチールとアルミニウムの延性を詳しく見て、延性が重要な理由について説明します。特に、構造用途に関してはそうです。
延性とは?
延性とは、金属が応力や歪みを受けても壊れずに塑性変形に耐える能力を指します。
通常、2 つの異なる値が材料の強度を定義します:
- 究極の強さ: 材料が壊れる前に処理できる最大強度
- 耐力: 材料が弾性限界内で変形したときに耐えられる最大応力
材料の延性は、降伏強度と極限引張強度の間のゾーンを指します。 2 点間の距離が長いほど、材料の延性が高くなります。
延性の重要性
延性により、構造は破裂することなくある程度曲げることができます。この機能は、耐震構造の設計に非常に役立ちます。
従来の建築基準法の目的は、地震などの極端な環境災害が発生した場合の倒壊を防ぐことです。突然の倒壊を防ぐためには、地震波に対する建物の構造応答が高くなければならず、同時に振動振幅を低減できなければなりません。構造要素に延性を追加すると、地震時に生成される地震エネルギーのシンクとして機能します。
構造用途に延性材料を使用すると、次の利点があります。
- 構造に堅牢性を追加
- 構造全体に応力と力を均一に分散
- メンバー、つながり、構造の強さを向上させる
- 崩壊前に失敗の警告を表示
- 構造物が激しい地震荷重に耐えられるようにする
鋼とアルミニウムの延性
スチールとアルミニウムの延性をよりよく理解するために、まずそれぞれの構造を調べてみましょう。
アルミニウムは繰り返し結晶構造を形成します。これは、面心立方 (FCC) 構造としても知られています。この構造の利点の 1 つは、力が加えられると簡単に変形するスリップ システムが含まれていることです。これが、アルミニウムが体心立方 (BCC) 構造を持つ鋼よりも延性が高い理由です。 BCC 構造は密集した原子構造を持たず、FCC のような優勢なすべり系も欠いています。ただし、BCC 材料は熱エネルギーで滑りを活性化できます。
鋼の延性を考えると、鋼は鉄と炭素の合金です。鉄では、原子の配列は温度に依存します。つまり、鋼の強度は、さまざまな熱処理や急冷プロセスによって増加させることができます。ただし、強度が増すと、鋼は延性を失い始めます。たとえば、マルテンサイト鋼は入手可能な鋼種の中で最も強くて硬いですが、最も脆い鋼でもあります。追加の合金元素の追加は、加熱と急冷とともに、鋼の延性を大幅に高めることができます。たとえば、鋼にごく少量の炭素を添加すると、延性がアルミニウム合金の最大 50% まで向上します。
それに比べて、アルミニウムは融点が低く比較的柔らかい素材です。したがって、純粋なアルミニウムは本質的に非常に延性があります。アルミニウム合金は延性が高いため、鋼や銅よりも欠けやすく、製品設計の最終段階で成形することができます。その結果、試作品と生産工程の両方で、アルミニウムは非常に人気があります。
鋼とアルミニウムを機械加工する利点と課題
スチールとアルミニウムの延性により、損傷することなく成形性を向上させることができます。鋼は、あらゆる構造の特定の要件を満たすために、ワイヤ、ビーム、バー、およびフレームに引き込むことができます。同様に、アルミニウムの延性を利用して、ツーリング プレート、ロッド、チューブ、フォイル、ワイヤーなどを作成できます。アルミニウムは熱の伝導と放散が速いため、鋼や銅に比べてアーク溶接時の歪みが少なく安定しています。
ただし、これらすべての利点には、コストのかかる機械加工の課題が伴います。延性金属の加工中、切削工具は加工物に圧縮応力を発生させます。応力は徐々にさまざまな大きさのせん断応力に変換され、切断角度に対して複数の方向に伝播します。このせん断応力が材料のひずみを超えると、連続した切りくずが形成されます。蓄積された材料が工具の先端と工作物に付着するため、表面仕上げが悪くなり、各パスでより大きな力で工具を切削する必要があります。
この課題を克服するには、高い送り速度に裏打ちされた高い摩擦力で、低速で高性能工具を使用することが重要です。適切なツールと専門知識がないと、無駄が増え、原材料が過剰に消費され、ROI が低下する可能性があります。
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