製品設計者のための金属合金選定：強度特性の重要ポイント

「私のプロジェクトに最適な金属（または金属合金）は何ですか？」

製品設計者は製品開発フェーズでこの質問をよくします。プロジェクトにおける金属合金の成功には多くの要因が寄与しますが、合金の機械的特性（金属強度など）がリストのトップに来ます。

金属強度とは、異なる力（荷重条件）の作用下で金属が変形（および破壊）に抵抗する能力を表します。しかし、金属強度にはさまざまなタイプがあり、それらを測定する指標も複数存在します。ここでは、金属の強度と金属強度チャートについて知っておくべきすべてを解説します。

さまざまな荷重条件の理解

金属強度が何を意味するかを理解するには、まず材料が印加力や運動による荷重にどう反応するかを議論する必要があります。図1は、さまざまな基本的な荷重タイプを経験する典型的なロッドのイラストです。

図1：基本的な荷重条件のタイプ

圧縮荷重では、等しい2つの力がロッドを反対方向から押し、圧縮させます。引張荷重も2つの力が反対方向に作用しますが、こちらはロッドを引っ張ります。

曲げ荷重は、同じ方向の2つの力が距離を置いてロッドに作用するときに発生します。対照的に、せん断荷重はロッドの断面と同一平面上に力が作用します（従来の荷重軸に接線方向）。

ロッドに作用する荷重のタイプに関わらず、これらの外力の影響は2つの重要なパラメータ（応力とひずみ）で推定できます。

応力とひずみとは？

技術図面上のエンジン連結棒のフォン・ミーゼス工学応力プロット

応力は、物体の断面積あたりに作用する外力の大きさです。対照的に、ひずみはその力の方向における物体の変形量を表します。

イメージしやすくするために：アルミニウムロッドの円形断面に所定の大きさの引張力を加えるシナリオを考えます。この場合、ロッドに引張応力がかかり、ロッド粒子間に内力が生じます。その結果、この内力によりロッドの粒子が徐々に伸び、変形します。これがひずみです。

引張力（応力）を増やし続けると、変形量が増加し、最終的に材料が破壊・破断します。破壊前のロッドの挙動は、それが持つさまざまなタイプの金属強度に依存します。

強度の種類

図2は、金属部品が破壊する前の引張応力に対する反応をグラフィカルに表したものです。

図2：応力-ひずみグラフ表現

1. 降伏強度

降伏強度とは、金属が塑性変形（破断を伴わない永久的な形状変化）する前に耐えられる最大強度を指します。

2. 引張強度（極限引張強度）

極限引張強度（単に引張強度とも呼ばれる）は、金属が破壊（破断）する前に耐えられる最大引張応力です。引張試験機で金属の引張強度を評価できます。

引張試験機は、金属片を両端のウェッジグリップでしっかり保持します。試験中、機械が長手方向にゆっくり引っ張り、破断するまで続けます。試験全体を通じて印加された引張力（応力）と伸びが測定され、金属片の降伏強度と極限引張強度が決定されます。

図3：引張試験機

表1は、製品開発プロジェクトで検討される可能性のある一般的な金属の降伏強度と引張強度を示しています。これらの値は、さまざまな金属に対する一連の引張試験から決定されました。

表1：金属強度チャート

しかし、金属の強度は降伏強度と引張強度に限定されません。

その他の金属強度タイプ

圧縮強度：部品が破壊・破断する前に耐えられる最大圧縮応力を表します。圧縮試験機で評価可能（引張試験装置と似ているが、部品を圧縮する）。

衝撃強度：金属が突然の鋭い荷重に破壊（または故障）せずに耐えられる能力を表します。通常、破壊前に材料が吸収できるエネルギー量で表現され、衝撃試験機で決定されます。

図4：衝撃試験機

衝撃試験機は、所定の力で金属片を打撃する振り子を備え、破断するまで繰り返します。金属が破壊前に抵抗できるエネルギー量が衝撃強度として決定されます。

せん断強度：金属がせん断破壊する前に耐えられる最大せん断荷重を表します。

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