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材料の主要機械的特性：包括的概観

材料の機械的特性は、材料量に依存しない物理的特性である集約的属性です。これらの定量的特性は、様々な材料の利点を比較する尺度として用いられ、材料選定を支援します。

温度のような特性は、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、測定方向によって材料特性がある程度変動する傾向を指します。特定動作範囲内では、様々な物理現象に関連する材料特性は線形（またはほぼ線形）に振る舞うことが多く、線形関数としてモデル化することで微分構成方程式を大幅に簡素化できます。

重要材料特性を記述する方程式は、システム特性の予測に頻繁に用いられます。確立された試験手順により特性が測定されます。これら多くの手法は、各ユーザーコミュニティによって文書化・公開されています（ASTM International参照）。

本記事では、材料の機械的特性の種類を見ていきます。

代表的な材料機械的特性

製品設計者は、代表的な機械的・物理的特性の説明から得られる情報を用いて、特定用途に適した材料を選定できます。以下は材料機械的特性の種類です。

導電性

熱伝導率は、材料を通過する熱量を決定します。単位長さ、断面積、時間あたり1度として表現されます。高熱伝導率材料はヒートシンクに、低熱伝導率材料は断熱材に利用できます。

高熱伝導率金属は熱交換器や冷凍システムに適しています。低熱伝導率材料は高温用途に使えますが、高温部品には高熱伝導率材料が必要なことも多く、環境理解が重要です。

電気伝導度も同様に、既知の断面積と長さを持つ材料を通過する電気量を測定します。

耐食性

材料が大気、水分、その他要素による自然な化学的・電気化学的攻撃に抵抗する能力を耐食性と呼びます。粒界腐食、脱亜鉛腐食、ガルバニック腐食、孔食など多くの種類があります（多くは別号で解説）。

与えられた試験または実使用での浸透を線形外挿した基準で、1年間に腐食が達する最大深さ（ミル単位）として耐食性を定義することもあります。メッキやコーティングで恩恵を受ける材料もあれば、本質的に耐食性を持つ材料もあります。耐食性金属ファミリーに属しても、使用環境固有の環境要因により腐食を受けやすい金属も多いです。

密度

合金の単位体積あたりの質量を密度と呼び、ポンド/立方インチ、グラム/立方センチメートルなどで表されます。特定サイズ部品の重量は合金密度に依存します。

航空宇宙や自動車産業など重量が重要な業界では、この要素が極めて重要です。軽量部品を求めるエンジニアは低密度合金を選びますが、強度重量比も考慮しなければなりません。高密度材料（鋼など）が低密度材料より高強度なら、薄肉化して材料使用量を減らすことで高密度を補える場合があります。

延性/展性

材料の延性とは、破断せずに塑性的に伸びたり曲がったりし、荷重除去後に新形状を保持する能力です。特定金属をワイヤーに引き伸ばせるイメージです。

引張試験では、延性は破断前の伸び率、または断面積減少率として算出されることが多いです。ヤング率（弾性率）は、引張試験から得られる重要な応力/ひずみ比で、多数の設計計算に用いられます。延性材料は応力下で亀裂や破断を起こしにくいため、圧延や引抜きなど他の金属加工プロセスにも適しています。冷間加工など一部の追加処理により金属の延性は低下します。

金属が破断せずに成形できる能力を展性と呼び、物理的特性です。圧力（圧縮応力）により材料を薄板に圧延・プレス成形します。高展性材料はより高い圧力に耐えて割れません。

弾性/剛性

変形力が除去された際、材料が元の大きさと形状を回復する能力を弾性と呼びます。弾性材料は応力除去後に元の形状へ戻りますが、塑性を示す材料では形状変化が不可逆です。

ヤング率は、応力（印加力）とひずみ（結果的変形）の関係を対比し、金属の剛性を評価するのによく用いられます。弾性率が高いほど、高応力でも比例して変形が小さいため、材料はより剛直です。ゴムは低剛性/低弾性率材料、ガラスは高剛性/高弾性率材料の例です。荷重下で剛性が必要な用途では、これは重要な設計課題です。

破壊靭性

材料の衝撃耐性は、衝撃を耐える能力で決まります。一般に、短時間で起こる衝突の影響は、徐々に加わる小さな力よりも大きいです。

したがって、衝撃リスクが高い用途では衝撃耐性を考慮すべきです。静的応力下では良好でも、動的荷重や衝突で破壊する金属もあります。実験室では、片側に機械加工されたVノッチを持つ試験片を重り付き振り子で打撃するシャルピー試験が衝撃評価によく用いられます。

硬さ

材料が永久的なへこみ（塑性変形）を抵抗する能力を硬さと呼びます。一般に、硬さが高いほど摩耗や変形への抵抗も高くなります。したがって、「硬さ」は材料の局所的表面剛性、または切削・引っかき・摩耗への抵抗を指すこともあります。

ブリネル、ロックウェル、ビッカース硬さ試験では、鋼球、ダイヤモンド、その他の圧子によるへこみの面積と深さを測定します。

塑性

弾性の対極にある塑性は、成形力を受けた際に変形形状を保持しようとする材料の傾向を指します。材料を永久的な新形状に加工可能にする特性です。降伏点で材料の挙動は弾性から塑性へ移行します。

疲労強度

材料の引張強度より低い最大値を持つ繰り返し・変動荷重（荷重・荷重解除など）により、疲労破壊が生じることがあります。応力と破壊サイクル数には相関があり、高応力ほど破壊までの時間が短く、逆もまた然りです。したがって、「疲労限度」とは、特定サイクル数동안金属（変数）が耐えられる最大応力を指します。

一方、疲労寿命指標は荷重を固定し、材料が破壊前に耐えられる負荷サイクル数を数えます。繰り返し荷重条件下で使用される部品設計では、疲労強度が重要な考慮要素です。

せん断強度

ボルトや梁など、応力の方向と大きさの両方が重要な用途ではせん断強度が考慮されます。方向性を持つ力により、金属内部構造の粒子レベルで互いに滑りが生じるとき、せん断が発生します。

引張強度

引張強度（極限強度）は金属特性の最も一般的な指標の一つです。金属片が破断前に耐えられる荷重量を引張強度と呼びます。実験室試験では、弾性変形領域を通じて金属は伸び、荷重除去後に元の形状へ戻ります。

永久的または塑性変形の点（降伏点として測定）に達すると、荷重除去後も伸びた形状を保持します。最終的に荷重が引張点で金属を破断させます。この測定は脆性材料と延性材料の区別に役立ちます。単位はメガパスカル（MPa）またはポンド/平方インチです。

降伏強度

降伏強度は、荷重下の材料が元の位置や形状へ戻らなくなる点を表します。概念と測定は引張強度と類似しています。塑性変形は弾性変形に続きます。

寸法精度の限界を応力下で理解するため、設計計算に降伏点が組み込まれます。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。

靭性

シャルピー衝撃試験で測定される靭性は、衝撃耐性と類似し、特定温度での衝撃破壊抵抗能力を測ります。低温では衝撃耐性が弱くなるため、材料はより脆性化しやすくなります。

低温環境が想定される用途（洋上石油プラットフォーム、石油パイプライン等）や瞬時荷重が要因となる場合（軍用・航空機用弾道防護等）では、フェライト系合金でシャルピー値が要求されることが多いです。

耐摩耗性

2つの材料が互いに擦れ合う影響に耐える材料の能力を耐摩耗性と呼びます。これには付着、摩耗、引っかき、削り、かじり、その他の破断形態が含まれます。

材料硬度が異なる場合、軟らかい金属が先に影響を示すため、設計判断で対応することがあります。異物混入により転造でも摩耗が生じます。特定荷重・特定摩耗サイクル数での質量減少量で耐摩耗性を定量化できます。

その他の機械的特性

以下はその他の機械的特性です。

電気的特性

磁気的特性

音響特性

熱的特性

化学的特性

原子的特性

光学的特性

製造特性

放射線特性

まとめ

あらゆる生産設計において、材料の機械的特性を考慮することは極めて重要です。上記リストからわかる通り、材料から得られる特性は多岐にわたります。しかし、最も一般的な特性は物理的、化学的、機械的特性に大別されます。

本記事では、材料の一般的な機械的特性の種類について解説しました。この記事がお役に立てば幸いです。ぜひ他の方にもシェアしてください。ご覧いただきありがとうございました！

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