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さまざまな種類の材料の機械的特性

材料の機械的特性は、一部の材料の集中的な属性です。つまり、材料の量に依存しない物理的特性です。これらの定量的特性は、さまざまな材料の利点を比較するための尺度として使用でき、材料の選択に役立ちます。

温度などの特性は、1 つ以上の独立変数の関数である場合もあれば、定数である場合もあります。異方性とは、測定される材料の方向に応じて、材料の品質がある程度変動する傾向を表す用語です。特定の動作範囲内で使用される場合、さまざまな物理プロセスに関連する材料の品質は、多くの場合直線的に (またはほぼ直線的に) 動作します。プロパティを記述するために使用される微分構成方程式は、それらを線形関数としてモデル化することによって大幅に簡素化できます。

システムの品質の予測では、重要な材料特性を定義する方程式を頻繁に使用します。確立されたテスト手順を利用して、属性が測定されます。これらの手法の多くは、それぞれのユーザー コミュニティによって作成され、オンラインで公開されています。 ASTM インターナショナルを参照してください。

この記事では、さまざまな種類の材料の機械的特性について説明します

最も一般的な材料の機械的特性は?

製品設計者は、いくつかの典型的な機械的および物理的特性の説明からの情報を使用して、特定の用途に適した材料を選択するのに役立てることができます。以下は、材料の機械的特性のタイプです:

導電率

物質を通過する熱の量は、その熱伝導率によって決定できます。長さ、断面積、時間の単位ごとに 1 度として表されます。熱伝導率の高い材料はヒートシンクとして利用でき、熱伝導率の低い材料は絶縁体として使用できます。

熱伝導率の高い金属は、熱交換器や冷凍などのシステムでの使用に適しています。熱伝導率の低い材料は高温用途に使用できますが、高温コンポーネントには熱伝導率の高い材料が必要になることが多いため、環境を理解することが重要です。

熱伝導率と同様に、電気伝導率は、既知の断面積と長さを持つ材料を通過する電気の量を測定します。

耐食性

空気、湿気、またはその他の要素による自然の化学的または電気化学的攻撃に抵抗する材料の能力は、耐食性と呼ばれます。腐食には、粒子間、分離、ガルバニック反応、孔食など、さまざまな種類があります (その多くについては、ニュースレターの他の版で取り上げます)。

所定の試験またはサービスの過程で発生する浸透の線形外挿に基づいて、耐腐食性は、腐食が 1 年間に浸透するミル単位の最大深さとして定義できます。特定の材料はメッキまたはコーティングを追加することでメリットが得られますが、他の材料は本来耐食性があります。腐食に抵抗するファミリーのメンバーである多くの金属は、それらが機能する環境に存在する特定の環境要因に対して依然として脆弱です.

密度

単位体積あたりの合金の質量は密度と呼ばれ、立方インチあたりのポンド、立方センチメートルあたりのグラムなどで表されることがよくあります。特定のサイズのコンポーネントの重量は、合金の密度に依存します。

航空宇宙や自動車産業など、重量が重要な産業では、このコンポーネントは非常に重要です。より軽量なコンポーネントを必要とするエンジニアは、密度の低い合金を求めるかもしれませんが、強度と重量の比率も考慮する必要があります。鋼のような密度の高い物質が、密度の低い物質よりも高い強度を提供する場合は、その物質が選択される可能性があります。薄い部分を使用して、より少ない材料を使用して高密度を補うことができます.

延性/可鍛性

材料の延性とは、破壊することなく塑性的に伸びたり曲がったりする能力であり、負荷が取り除かれると新しい形状を保持する能力です。ある金属をワイヤーに引き伸ばすことができると想像してみてください。

引張試験では、延性は伸びのパーセンテージ、または破損前のサンプルの断面積の減少として計算されることがよくあります。弾性率としてよく知られるヤング率は、多くの設計計算で利用される重要な応力/ひずみ比であり、引張試験によって取得できます。延性材料は、応力下で亀裂や破損に抵抗する傾向があるため、圧延や絞りなどの他の金属加工プロセスに適しています。冷間加工などの処理を追加すると、金属の延性が低下する傾向があります。

壊れずに成形できる金属の能力は、物理的性質である可鍛性と呼ばれます。材料は、圧縮応力とも呼ばれる圧力を使用して薄いシートに圧延またはプレスされます。可鍛性の高い材料は、ひび割れすることなく、より高い圧力に耐えることができます。

弾力性/剛性

歪んだ力が取り除かれると、元のサイズと形状に戻る材料の能力は、弾性特性と呼ばれます。弾性材料は、応力が解放されると元の形状に戻りますが、可塑性を示す材料 (形状変化が元に戻せない場合) とは対照的です。

応力 (加えられる力) とひずみの関係を対比するヤング率は、金属の剛性 (結果として生じる変形) を評価するためによく使用されます。弾性率が高いほど、応力が高くなるとそれに比例して変形が少なくなるため、材料は硬くなります。ゴムは剛性が低くモジュラスが低い材料ですが、ガラスは剛性が高くモジュラスが高い材料の例です。負荷がかかった状態で剛性が必要な用途では、これは重要な設計上の問題です。

骨折/靭性

衝撃に耐える材料の能力は、その耐衝撃性によって決まります。一般に、急速に発生する衝突の影響は、徐々に加えられる小さな力の影響よりも大きくなります。

したがって、衝撃の危険性が高い用途では、耐衝撃性を考慮する必要があります。一部の金属は静的応力下で十分に機能する場合がありますが、動的負荷または衝突により機能しなくなります。実験室では、機械加工された V ノッチの反対側に加重振り子をサンプルに当てることを含むシャルピー テストが、影響を測定するために頻繁に使用されます。

硬度

恒久的なへこみに耐える材料の能力は、その硬度 (塑性変形) と呼ばれます。通常、摩耗や変形に耐える材料の能力は、硬度が高いほど高くなります。したがって、「硬度」という用語は、材料の局所的な表面剛性、または切断、引っ掻き、または摩耗に対する耐性を指す場合もあります。

硬さを測定するためのブリネル、ロックウェル、およびビッカースの方法は、鋼球、ダイヤモンド、または別の圧子などのより硬い材料によって作られたくぼみの面積と深さを測定します。

可塑性

弾性の反対である可塑性は、成形力を受けたときに変更された形状を維持する材料の傾向を指します。これは、材料を操作して永久的な新しい形状にすることを可能にする特性です。降伏点では、材料の挙動が弾性から可塑性に変化します。

筋力、疲労

材料の引張強度よりも低い最大値の繰り返しまたは変動する荷重 (荷重または除荷など) の下では、疲労により破損する可能性があります。ストレスと故障までのサイクルの間には相関関係があり、ストレスが高いほど故障までの時間が短くなり、逆もまた同様です。したがって、「疲労限度」という用語は、金属 (変数) が指定されたサイクル数の間に耐えることができる最大応力を指します。

一方、疲労寿命測定では、荷重を固定し、材料が破損するまでに耐えることができる荷重サイクルの数をカウントします。反復的な負荷条件にさらされるコンポーネントを設計する場合、疲労強度は考慮すべき重要な要素です。

強度 – せん断

応力の方向と振幅の両方が重要なボルトや梁などの用途では、せん断強度が重要な要素になります。方向の力が金属の内部構造の粒状レベルをそれ自体に対して滑らせると、せん断が発生します。

強度 引張

引張強度、または極限強度は、金属特性の最も一般的な尺度の 1 つです。金属セグメントが壊れる前に耐えることができる負荷の量は、引張強度と呼ばれます。弾性変形の領域では、実験室でのテスト中に金属が伸びてから、元の形状に戻ります。

永久変形または塑性変形のポイントに達すると、荷重が取り除かれた後でも引き伸ばされた形状のままです (降伏として測定)。荷重により、最終的に金属は引張点で破断します。この測定は、脆い材料とより延性のある材料を区別するのに役立ちます。メガ パスカル (MPa) または 1 平方インチあたりのポンドは、引張強度または極限引張強度を表すために使用される単位です。

強度、収量

降伏強度は、負荷がかかった材料が元の位置または形状に戻らなくなるポイントを表します。これは、概念と測定が引張強度に似ています。塑性変形は弾性変形に続きます。

応力下での寸法整合性の制限を理解するために、設計計算には降伏点が含まれます。引張強度と同様に、降伏強度はポンド/平方インチまたはニュートン/平方ミリメートル (MPa) で表されます。

タフネス

シャルピー衝撃試験によって決定され、耐衝撃性に匹敵する靭性は、特定の温度で壊れることなく衝撃に耐える材料の能力を測定します。低温では耐衝撃性が低下することが多いため、材料は低温で脆くなる可能性があります。

アプリケーションに低温の可能性が存在する場合 (オフショア石油プラットフォーム、石油パイプラインなど)、または瞬間的な負荷が要因である場合、シャルピー値は鉄合金で頻繁に義務付けられます (例:軍用または航空機用の弾道封じ込め)。 .

耐摩耗性

2 つの材料が互いにこすれる衝撃に耐える材料の能力は、耐摩耗性と呼ばれます。これらには、接着、摩耗、ひっかき傷、ガウジング、かじり、およびその他の形態の引き裂きが含まれます。

材料の硬度が異なる場合、柔らかい金属が最初に結果を示す可能性があり、これに対処するための設計上の決定が行われる場合があります。異物の存在により、圧延でも摩耗する可能性があります。特定の荷重で特定の回数の摩耗サイクルで失われた質量の量を使用して、耐摩耗性を定量化できます。

材料のその他の機械的特性

以下は、材料のその他の機械的特性です:

電気特性

磁気特性

音響特性

熱特性

化学的性質

アトミック プロパティ

光学特性

<時間>

製造施設

放射線学的特性

まとめ

どの生産設計においても、材料の機械的特性を考慮することは非常に重要です。以上のように、素材から得られる特性は多岐にわたります。ただし、最も一般的な特性は、物理的、化学的、および機械的特性に分類されます。

材料の一般的なタイプの機械的特性について説明するこの記事は以上です。読書から多くのことを得ることができれば幸いです。もしそうなら、親切に他の人と共有してください。読んでくれてありがとう。また会いましょう!


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