金属に対する張力と圧縮力の影響

金属の強度は、製品や構造の設計において重要な役割を果たします。引張強度、降伏強度、硬度、密度など、金属の強度にはさまざまな要素があります。引張力と圧縮力は、金属が破損する前に処理できる応力または圧力の量に影響を与える可能性があります。そのため、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。

張力対圧縮力:クイック ガイド

以下では、金属の引張力と圧縮力について簡単に説明し、それぞれがどのように機能し、さまざまな金属に与える影響を分析します。

金属の引張力

金属が伸びるときはいつでも、張力がかかっています。数学的には、引張応力は力/面積に等しくなります。金属が処理できる最大応力は、その引張強度を表します。

引張強度はさらに 2 つの部分に分けることができます:

• 耐力: 金属が外部から引っ張り荷重を受けると、弾性変形と塑性変形が起こります。降伏強度は、力が取り除かれると金属が元の形状に戻ることができる引張力を表します。
• 究極の引張強度: 降伏点を超えると、金属はネッキングが発生する前の時点まで塑性変形を示し続けます。この限界は極限引張強度として知られています。つまり、金属が 2 つに割れることなく処理できる最大応力を表します。

金属の圧縮力

圧縮力は、金属が壊れることなく処理できる最大の圧縮または圧力を表します。元の寸法と比較して、長さが減少しています。

圧縮破壊モードには 6 つの異なるタイプがあります:

<オール>

座屈: アキシアル荷重下での急激な横方向の形状変化

せん断: 加えられた力の方向に沿ったスライドの失敗

ダブルバレル: 外部ゾーンのない高角柱体の圧縮中の 2 つのバレルの形成

バレル: 円柱の外側の凸面の生成

均一圧縮: 接触面に摩擦がない

圧縮不安定: 金属の加工軟化による故障

圧縮強度を決定するために広く受け入れられている試験は、モース硬度試験です。

張力対圧縮力下のさまざまな金属

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、張力下で並外れた引張強度を示しますが、一部の金属は最大圧縮力の処理に優れています.したがって、張力と圧縮力の下で 2 つの金属を比較するには、最初に金属の用途を認識する必要があります。そうして初めて、他の金属との比較が容易になります。

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も高い引張強度と降伏強度を持っています。ただし、アルミニウムは軽量で、スチールよりも耐腐食性に優れています。したがって、アプリケーションの要件を検討する際には、パラメーターを検討することが重要です。

また、金属は引張強度が高くても圧縮強度が低く、その逆もあります。たとえば、鋳鉄の圧縮強度は引張強度よりも高いですが、軟鋼の場合は逆です。

鋳鉄などの脆い材料には、多くのボイドが含まれています。引張強度下では、これらのボイドはノッチとして機能し、その結果、材料全体に亀裂が大きく伝播します。しかし、圧縮力がかかると、これらの空隙が閉じて、亀裂が広がる可能性がなくなります。

一方、延性材料では、荷重によって形成された亀裂は、材料を伝搬することなく容易に閉じます。その結果、これらは引張りと圧縮に等しく強くなります。ただし、せん断応力がかかると破損する傾向があります。

素材の強みを理解することの重要性

エンジニアリング設計に関しては、圧縮強度と引張強度は金属の非常に重要な特性です。どの工学的設計においても、主な目的は塑性変形をできるだけ小さく保つことです。この点で、ヤング率 (E として示される) は、選択プロセスにおける重要なパラメーターと見なすことができます。

ヤング率は、縦方向の張力または圧縮下での材料の変形度を計算する別の方法です。これは、縦応力とひずみの比率として定義されます。ヤング率が高いほど、材料は硬くなり、与えられた荷重に対する弾性変形が小さくなります。

たとえば、ヤング率の低い金属で家を建てると、圧縮荷重がかかると大きくたわみます。より硬い金属は、より望ましい反応を与えます.

現代の跳び箱はその好例です。アスリートのパフォーマンスを最大化するために、跳び箱は軽い素材で作られている必要がありますが、棒が曲がったときに弾性ひずみを蓄える必要があります.したがって、これらのポールはグラスファイバー (E =15 GPa)、またはグラスファイバーとカーボンファイバーの混合物 (E =500 GPa) で構成されています。

最も一般的に使用されるいくつかの金属のヤング率を以下に示します:

素材	ヤング率 (E)
	106psi	109N/m2、GPa
アルミニウム	10.0	69
真鍮		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-A 36)		200
炭素鋼		215
チタン (純)	16
チタン合金		105-120
錬鉄		190-210

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