引張力と圧縮力が金属強度に与える影響

金属の強度は、製品や構造アーキテクチャの設計において重要な役割を果たします。金属の強度には、引張強度、降伏強度、硬度、密度などのさまざまな要素があります。引張力と圧縮力は、金属が破壊前に耐えられる応力や圧力の量に影響を与えるため、必要な用途に応じてどの材料の強度が最適かを判断することが重要です。

引張力 vs 圧縮力：クイックガイド

以下では、金属における引張力と圧縮力を簡潔に説明し、それぞれの働きとさまざまな金属に及ぼす影響を分解します。

金属における引張力

金属が伸びるとき、それは引張力を受けています。数学的に、引張応力は力/面積に等しいです。金属が耐えられる最大応力がその引張強度を表します。

引張強度はさらに2つの部分に分けられます：

• 降伏強度： 金属が外部引張荷重を受けると、弾性的および塑性的変形を起こします。降伏強度は、力が除去された後も金属が元の形状を取り戻せる引張力の限界を示します。
• 極限引張強度： 降伏点を超えると、金属はネッキングが起こる直前まで塑性変形を続けます。この限界を極限引張強度と呼びます。簡単に言えば、金属が2つに割れずに耐えられる最大応力を表します。

金属における圧縮力

圧縮力は、金属が破壊せずに耐えられる最大圧縮または圧力を表します。元の寸法と比較して長さが減少します。

圧縮破壊モードには6種類あります：

1. 座屈： 軸方向荷重下での突然の横方向形状変化
2. せん断： 印加力方向に沿った滑り破壊
3. ダブルバレリング： 外部拘束のない高い柱状体の圧縮時に2つのバレルが形成される
4. バレリング： シリンダー外部に凸面が生成される
5. 均質圧縮： 接触面に摩擦が存在しない
6. 圧縮不安定性： 金属の加工軟化による破壊

圧縮強度を決定する広く受け入れられた試験は、モース硬度試験です。

引張力 vs 圧縮力下でのさまざまな金属

圧縮強度と引張強度の最大値は金属によって異なります。一部の金属は引張力下で例外的な引張強度を示し、一部は最大圧縮力を扱うのが得意です。したがって、2つの金属を引張力 vs 圧縮力で比較するには、まず金属の用途を認識する必要があります。それから初めて、他の金属と比較しやすくなります。

以下のチャートは、さまざまな金属の強度、硬度、密度を比較しています：

鋼はアルミニウムより高い引張強度と降伏強度を持ちますが、アルミニウムは軽量で鋼より優れた耐食性を提供します。したがって、用途要件を検討する際はパラメータを研究することが重要です。

また、金属は高い引張強度を持ちながら低い圧縮強度である場合も、その逆もあり得ます。例えば、鋳鉄の圧縮強度は引張強度より高いですが、軟鋼ではその逆です。

鋳鉄のような脆性材料は多くの空隙を含みます。引張強度下では、これらの空隙がノッチとして働き、材料を通じた亀裂の高い伝播を引き起こします。しかし、圧縮力下では、これらの空隙が閉じられ、亀裂伝播の可能性が無効化されます。

一方、延性材料では、荷重下で形成される亀裂は材料を伝播せずに容易に閉じられます。その結果、これらは引張と圧縮で等しく強いですが、せん断応力で破壊しやすい傾向があります。

材料強度を理解する重要性

圧縮強度と引張強度は、エンジニアリング設計において金属の非常に重要な特性です。あらゆるエンジニアリング設計において、主目的は塑性変形を可能な限り小さく保つことです。この点で、ヤング率（Eで表記）は選択プロセスの重要なパラメータと見なせます。

ヤング率は、長手方向の引張または圧縮下での材料変形度を計算する別の方法です。縦応力とひずみの比として定義されます。ヤング率が高いほど材料は硬く、与えられた荷重に対する弾性変形は小さくなります。

例えば、低いヤング率の金属で家を建てると、圧縮荷重下で大きくたわみます。より硬い金属の方が望ましい応答を示します。

モダンな棒高跳びのポールは良い例です。選手のパフォーマンスを最大化するには、ポールは軽量材料でできているべきですが、ポールが曲がるときに弾性ひずみを蓄える必要もあります。したがって、これらのポールはガラス繊維（E=15 GPa）またはガラス繊維と炭素繊維の混合（E=500 GPa）で構築されます。

最も一般的に使用される金属のヤング率を以下に示します：

材料	ヤング率 (E)
	10⁶ psi	10⁹ N/m², GPa
アルミニウム	10.0	69
黄銅		102-125
銅	17	117
ニッケル	31	170
ステンレス鋼 (AISI 302)		180
構造用鋼 (ASTM-A36)		200
炭素鋼		215
チタン（純）	16
チタン合金		105-120
鍛鉄		190-210

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