材料の14の主要機械的特性：実例付き総合ガイド

材料の機械的特性とは？

材料の機械的特性は、外力（荷重と呼ばれる）が作用したときの材料の挙動を定義します。これらは、材料が使用中に示す強度と持続性の特性の尺度であり、工具、機械、構造物の設計において極めて重要です。

機械的特性は、結晶構造とその結合プロセス、特に結晶自体または結晶粒界に存在する不完全性の性質と挙動に依存するため、構造敏感です。

最も重要で有用な材料の機械的特性を以下に簡潔に説明し、読者が与えられた設計に適した材料を迅速かつ賢く選択できるようにします。

1. 強度

材料の強度は、外部荷重の作用下で試験され破壊に至るまでの耐力です。材料が強いほど、耐えられる荷重は大きくなります。したがって、材料が応力に耐えて破壊しない能力を決定します。強度は荷重の種類によって異なるため、引張強度、圧縮強度、せん断強度、ねじり強度を区別できます。

材料が破壊前に耐えられる最大応力を極限強度と呼びます。材料の傾向として、引張における極限強度を指すことが多いです。

2. 弾性

弾性とは、印加荷重によって生じた変形が、荷重を取り除くと消失する材料の機械的特性です。つまり、材料の弾性とは、応力または荷重が除かれたときに変形後に元の状態に戻る力です。弾性は材料の引張特性です。

• 比例限度：材料がひずみと応力の完全に均一な関係を維持できる最大応力。この値の測定は困難ですが、精密機器、ばねなどの重要な用途で使用されます。
• 弾性限度：ほとんどの材料は比例限度をわずかに超える応力でも永久セットを生じません。材料が永久セットを生じずに耐えられる最大応力を弾性限度と呼びます。弾性限度を超えると、材料は元の形に戻らず永久変化が生じます。
• 降伏点：ある応力で、延性材料は特に引張力に対する抵抗をやめ、すなわち流動し、荷重の顕著な増加なしに比較的大きな永久変化が生じます。この点を降伏点と呼びます。一部の材料は明確な降伏点を示し、この場合降伏応力または降伏強度は単純にこの点での応力です。軟鋼がその例です。
• 耐力（プルーフストレス）：ほとんどの延性材料は漸進的な降伏を示し、降伏応力の別の尺度として通常耐力が知られています。耐力は、材料がわずかな永久ひずみ（一般的に元のゲージ長の0.1%または0.2%）以上を生じずに耐えられる応力量として定義されます。

3. 剛性

材料の弾性変形またはたわみに対する抵抗を剛性または剛度と呼びます。荷重下でわずかな変形しかしない材料は、高い剛性または剛度を持ちます。例えば、鋼とアルミニウムの吊り梁はどちらも必要な荷重を支えるのに十分強いかもしれませんが、アルミニウムの方がさらに「たわみ」またはたわみ量が大きくなります。つまり、鋼梁はアルミニウム梁より剛性が高いまたはより剛直です。

材料がフックの法則に従う場合、すなわち線形応力-ひずみ関係を持つ場合、その剛性はヤング率 Eで測定されます。ヤング率の値が高いほど、材料は剛直です。

引張および圧縮応力では縦弾性係数または「弾性係数」と呼ばれ、せん断では横弾性係数（剛性率）、これは一般的な材料ではヤング率の約40%です。体積歪みでは体積弾性係数です。

柔軟性という用語が剛性の反対として使用されることがあります。しかし、柔軟性は通常たわみや曲げに関係します。また、塑性範囲での曲げの使用を意味することもあります。

4. 塑性

材料の塑性は、破断や破壊なしにある程度の永久変形を受ける能力です。塑性変形は弾性範囲を超えた後にのみ起こります。

塑性は、成形、整形、押出、その他多くの熱間・冷間加工プロセスで重要です。粘土、鉛などは室温で塑性を持ち、鋼は明るい赤熱時に塑性を持ちます。一般的に、塑性は温度上昇とともに増加します。

5. 延性

延性は、材料を細い線に引き延ばすことを可能にする材料の機械的特性の一つです。軟鋼は延性材料です。引張における伸び率と断面収縮率が、延性の経験的尺度としてよく使用されます。

6. 延展性（機械的特性）

材料の延展性は、熱間または冷間加工により割れることなく薄い板状に平らにできる能力です。アルミニウム、銅、スズ、鉛、鋼などは延展性のある金属です。

一部の材料は延展性と延性の両方を持つ可能性があることに注意が必要です。鉛は例えば、容易に圧延・鍛造して薄板にできますが、線材に引き延ばすことはできません。延性と延展性は頻繁に互換的に使用されますが、延性は引張特性と考えられ、延展性は圧縮特性と見なされます。

延性と延展性という言葉は、加工性または成形性とほぼ同義であり、これは明らかに塑性変形に関連しています。

7. 靭性（レジリエンス）

靭性（レジリエンス）は材料の機械的特性であり、荷重除去時に材料がエネルギーを吸収・蓄積する能力を持ちます。蓄積されたエネルギーは、荷重が除去されるとばねとまったく同じように正確に放出されます。

弾性限度まで材料に蓄積できる最大エネルギーを耐力靭性（プルーフレジリエンス）と呼び、単位体積あたりの耐力靭性を靭性率（レジリエンス係数）と呼びます。つまり、靭性率は材料の単位体積を比例限度まで応力させるために必要なエネルギー量として定義されます。この量は、材料の衝撃と振動に対する耐性を示します。

8. タフネス（靱性）

タフネスは、材料が実際の破断または破壊前に吸収できるエネルギー量の尺度です。例えば、軟鋼とガラスに突然荷重をかけた場合、軟鋼は破壊前にずっと多くのエネルギーを吸収します。したがって、軟鋼はガラスよりはるかにタフ（靱性が高い）と言えます。

材料のタフネスは、塑性変形と弾性変形の両方に耐える能力です。したがって、衝撃と振動に耐えなければならない構造部品と機械部品にとって、極めて望ましい品質です。マンガン鋼、錬鉄、軟鋼などはタフな材料です。

材料が吸収する仕事またはエネルギーは、ときにタフネス係数と呼ばれます。タフネスは衝撃強度、すなわち衝撃荷重に対する抵抗に関連しています。

9. 硬度（機械的特性）

硬度は強度と密接に関連する基本特性です。硬度は通常、材料が引っかき、摩耗、切削、押し込み、貫通に抵抗する能力の観点から定義されます。金属の硬度が金属の焼入れ性と直接関係しないことに注意が必要です。

材料の硬度を決定するための多くの方法が現在使用されています。主なものはブリネル、ロックウェル、ビッカースです。

10. 焼入れ性

焼入れ性は、特に鋼において、焼入れプロセスによって付与できる硬度の程度を示します。焼入れによって誘導される硬度の深さと分布を決定します。金属の焼入れ性は、金属の中心から界面までの硬さの変化を調べるジョミニ試験によって決定されます。ジョミニ試験（ISO 642:1999）では、鋼の試験片（直径25 mm、長さ100 mm）をオーステナイト化温度まで加熱し、一方の端から制御された標準化された水流で焼入れします。構造全体で焼入れ可能な金属は、より高い焼入れ性を持つと言われます。

11. 脆性（機械的特性）

材料の脆性は、大きな永久変形なしに破壊する性質です。多くの材料は、ほとんど変形する前に破壊・破断します。

このような材料は脆性材料で、例：ガラス、鋳鉄。したがって、非延性材料は脆性材料と言われます。

通常、脆性材料の引張強度は圧縮強度のわずかな部分に過ぎません。

12. 被削性

被削性は材料の固有の機械的特性ではなく、工作物とさまざまな切削工具が異なる速度で、異なる潤滑条件下で複雑に相互作用した結果です。したがって、被削性は経験的に測定され、結果は類似条件下でのみ適用可能です。

しかし、簡単に言えば、さまざまな機械加工において金属がどれだけ容易に除去できるかの容易さです。良好な被削性は機械加工で満足のいく結果を意味します。

金属の被削性はパーセンテージで示される被削性指数で表されます。すべての被削金属は基本基準と比較されます。100%被削性評価の基準金属は快削鋼です。被削性指数は、炭素鋼で一般的に40～60%、鋳鉄で50～80%の範囲です。

13. クリープ

クリープは材料の機械的特性です。一定応力下での材料の遅い進行性の変形をクリープと呼びます。最も単純なクリープ変形タイプは粘性流動です。

温度によっては、弾性限度以下の応力でも永久変形を引き起こすことがあります。一般的に、応力下での時間依存ひずみとして定義されます。金属は一般的に高温でクリープを示しますが、プラスチック、ゴム、類似の非晶質材料はクリープに対して非常に温度敏感です。

クリープには3段階があります。第1段階では材料が急速に伸長しますが、その速度は減少します。第2段階では伸長速度が一定です。第3段階では伸長速度が急速に増加し、材料が破壊します。一定温度で規定ひずみ速度での応力をクリープ強度と呼びます。

14. 疲労（機械的特性）

材料の疲労特性は、各サイクルで発生する最大応力が材料の弾性範囲内にある、数千から数百万回の繰り返し荷重が作用したときの挙動を決定します。これらの条件下では、一定回数の荷重繰り返し後に破壊が起こるか、または材料が無期限に使用し続けることができるかのいずれかです。多くの場合、部品は特定の荷重サイクル下で一定の寿命を持つように設計されます。高速航空エンジンやタービンエンジンの多くの部品がこのタイプです。

以上が材料の機械的特性のすべてであり、要件に応じてどのタイプの材料を選択すべきかの洞察を得るのに役立ちます。