最適なパフォーマンスのために知っておくべき11の材料特性
ある材料が特定のエンジニアリング用途に適しているのはなぜでしょうか？その答えは、特性を理解することにある。この記事では、機械的強度、衝撃靭性、...といった11の重要な材料特性を取り上げます。
01.一軸静的張力下における材料の機械的性質 1.用語の説明クレイジング：高分子材料の変形過程で生じる欠陥。密度が低く、光の反射率が高いため、銀色に見えることからこの名がある。高分子材料の弱い構造部分や欠陥部分に発生する。超塑性：ネッキングや破壊を起こすことなく、ある条件下で非常に大きな伸び（約1000%）を示すことを超塑性という。粒界すべりに起因するひずみεgは、一般に全ひずみεtの50%～70%を占め、これは粒界すべりが超塑性変形に大きな役割を果たしていることを示している。脆性破壊： [...]...
クレイジング： クレージングはポリマー材料の変形過程で生じる欠陥である。
密度が低く、光の反射率が高いため、銀色に見えることからこの名がついた。
クレイジングは、ポリマー材料の弱い構造や欠陥部分で発生する。
超可塑性： これは超塑性と呼ばれるもので、ある条件下ではネッキングや破壊を起こすことなく、非常に大きな伸び（約1000%）を示す。
粒界すべりに起因するひずみεgは、一般に全ひずみεtの50%～70%を占めており、粒界すべりが超塑性変形に大きな役割を果たしていることを示している。
脆性破壊： この材料は基本的に、破壊前に明らかな巨視的塑性変形を起こさず、明らかな前兆もない。
突然、急速に骨折することが多く、非常に危険である。
延性破壊： 材料が破壊する前や破壊中に、明らかな巨視的塑性変形を生じる破壊プロセス。
延性破壊では、亀裂の進展過程は一般に遅く、多くの塑性変形エネルギーを消費する。
劈開骨折： 法線応力の作用下で、原子間の結合が破壊されることによって生じる特定の結晶面に沿った脆性的な粒界横断破壊を劈開破壊と呼ぶ。
(劈開段差、リバーパターン、タングパターンは、劈開亀裂の基本的な顕微鏡的特徴である)。
剪断骨折： 剪断破壊とは、剪断応力の作用下で材料が摺動面に沿って摺動分離することによって生じる破壊のことである。
(微細孔凝集破壊は、材料の延性破壊の一般的な様式である）。
破断面はマクロで見ると暗灰色で繊維状であることが多く、ミクロ破断の特徴的なパターンは、破断面上に多数の「くぼみ」が分布していることである)。
応力の種類、塑性変形の程度、前兆の有無、亀裂の成長速度。
破壊前に塑性変形がない場合、あるいは塑性変形が非常に小さく、ネッキングがなく、材料が脆性破壊する場合は、σc=σbとなります。
破断前にネッキングが発生した場合、σcとσbは不等となる。
グリフィス式は、ガラス、無機結晶材料、超高強度鋼など、微小クラックを持つ脆性固体にのみ適用できる。
構造用鋼や高分子材料のような多くの工学構造材料では、亀裂先端で大きな塑性変形が発生し、多くの塑性変形作業を消費する。
したがって、グリフィスの公式は修正されなければならない。
σmaxに対するτmaxの比は応力状態のソフト係数と呼ばれ、αで表される。
αが大きいほど最大せん断応力成分が大きくなり、応力状態が柔らかいほど材料が塑性変形しやすいことを示している。
逆にαが小さいほど応力状態は硬くなり、材料は脆性破壊を起こしやすくなる。
切り欠き条件下では、三次元応力により、試料の降伏応力が一軸引張下での降伏応力よりも高くなる、いわゆる切り欠き「強化」現象が発生する。
なぜなら、切り欠き「強化」は、純粋に3次元応力によって拘束された材料の塑性変形によるものだからである。
この時、素材自体のσs値は変化しない。
一方向引張では、法線応力成分は大きく、せん断応力成分は小さく、応力状態は硬い。
一般に、塑性変形抵抗や切削抵抗の低い、いわゆるプラスチック材料の試験に適している。
圧縮： 一方向圧縮の応力状態軟化係数はa=2である。
圧縮試験は主に脆性材料に用いられる。
曲げ: いわゆる試験片のたわみが、引張などの曲げ荷重時の試験結果に影響を与えることはない。
曲げ試験では、断面の応力分布も表面で最も大きくなるため、材料の表面欠陥を敏感に反映することができる。
ねじり試験： ねじり応力状態の軟化係数は引張応力状態よりも高いので、引張では脆い材料の強度と塑性を決定するのに使用できる。
ねじり試験では、試料断面の応力分布が最も大きくなるため、材料の反射に非常に敏感に反応する。 表面硬化 と表面欠陥がある。
ねじり試験では、法線応力とせん断応力はほぼ等しい；
試料の軸に垂直な割れ目を切り取る。
この破壊はプラスチック材料によく使われる。
通常の骨折： 断面と試料の軸の間の角度が約45°であり、これは法線応力の結果である。脆い材料はこのような破壊を起こすことが多い。
ビッカース硬度の試験原理は、基本的に以下のものと似ている。 ブリネル硬度硬度は、圧痕の単位面積が負担する荷重によって計算される。
その違いは、ビッカース硬さ試験で使用される圧子が、2つの面の間に136°の角度を持つダイヤモンドピラミッドであることです。
ブリネル硬度は、焼入れ鋼球を採用しています。 超硬合金 ボール
ブリネル硬さ試験の利点： は、圧痕面積が大きく、その硬度値は、広い面積における材料の各構成相の平均的な性能を反映することができ、安定した試験データと高い再現性が得られます。
したがって、ブリネル硬さ試験は、次のような硬さの測定に最も適している。 ねずみ鋳鉄ベアリング合金、その他の材料。
ブリネル硬さ試験の欠点： 圧痕の直径が大きいため、一般的に完成部品で直接試験するのは適していない；
また、硬度の異なる材料では圧子径や荷重を変える必要があり、圧子径の測定も面倒である。
ロックウェル硬さ試験の利点
シンプルで迅速な操作；
くぼみは小さく、ワークピースを直接検査できる；
デメリット
くぼみが小さいため、表現力が乏しい；
異なるスケールで測定された硬度値を直接比較したり、交換したりすることはできない。
ビッカース硬さ試験には多くの利点がある：
正確で信頼性の高い測定；
負荷は任意に選択できる。
また、ビッカース硬度には、異なるスケールの硬度を統一できないという問題がなく、試験片の厚みもロックウェル硬度より薄い。
ビッカース硬さ試験の欠点：
その判定方法は面倒で、効率が低く、圧痕面積が小さく、代表性が低いため、大量生産の日常検査には適さない。
試験温度がある温度tk（延性脆性遷移温度）より低くなると、材料は延性状態から脆性状態に変化し、衝撃吸収エネルギーは明らかに減少し、破壊機の微細孔の凝集は経粒状劈開に変化し、破壊特性は繊維状から結晶性に変化し、これが低温脆性である。
延性脆性遷移温度以下では、破壊強度は 降伏強度低温では脆くなる。
A.結晶構造の影響
体心立方金属とその合金は低温脆性を持つが、面心立方金属とその合金は一般に低温脆性を持たない。
BCCメタルの低温脆性は、晩降伏現象と密接な関係があるかもしれない。
B.化学組成の影響：
格子間溶質元素の含有量が増加し、高次エネルギーが減少し、延性脆性遷移温度が上昇する。
C.微細構造の影響：
結晶粒の微細化と微細構造は、材料の靭性を高めることができる。
D.温度の影響：
複雑で、ある温度範囲で脆性（青い脆さ）が発生する。
E.負荷率の影響：
負荷速度を上げることは温度を下げることと同じで、材料の脆性と延性脆性遷移温度を上昇させる。
F.試験片の形状とサイズの影響：
ノッチの曲率半径が小さいほど、tkは高くなる。
粒界はクラックの伝播の抵抗となる；
粒界前面に蓄積される転位の数が減少し、応力集中の軽減に寄与する；
粒界の総面積を増やすことで、粒界への不純物濃度を低減し、粒界脆性破壊を回避することができる。
脆性破壊は、加工応力が高くないか、あるいは降伏限界よりもはるかに低い場合に、大きな部品でしばしば発生する。
KIC（亀裂体中の亀裂先端における応力-ひずみ場強度係数）は、平面ひずみ破壊靭性であり、平面ひずみ状態における亀裂の不安定な進展に対する材料の抵抗能力を示す。
JⅠc（き裂先端のひずみエネルギー）は破壊靭性とも呼ばれますが、これは材料がき裂の発生と進展に抵抗する能力を表します。
GICとは、材料がき裂の不安定な伝播を防止する際に、単位面積当たりに消費されるエネルギーのことである。
δCc（き裂開口変位）は、材料の破壊靭性とも呼ばれ、材料がき裂の伝播を防ぐ能力を示す。
KIとKIcは異なる概念である。KIは、ひび割れ体のひび割れ先端における応力-ひずみ場の強さを表す力学的パラメータである。
これは印加される応力、サンプルの大きさ、クラックの種類によって異なりますが、材料とは関係ありません。
しかし、KIcは材料の機械的特性指数であり、以下のような内部要因に依存する。 素材構成 や微細構造とは無関係であり、印加応力やサンプルサイズなどの外的要因とは無関係である。
KⅠとKⅠCの関係は、σとσSの関係と同じである。
KⅠとσはともに機械的パラメータであり、KⅠCとσsはともに材料の機械的特性指数である。
(1) この故障は一種の潜在的突発故障である。その前に 疲労故障そのため、明らかな塑性変形や脆性破壊は起こらない。
(2) 疲労故障 は低応力サイクル遅延破壊に属する。
(3) 疲労は欠陥（ノッチ、クラック、構造）に対して非常に敏感である。
(4) 疲労形態は、さまざまな方法によって分類することができる。
応力状態によって、曲げ疲労、ねじり疲労、引張・圧縮疲労、接触疲労、複合疲労がある；
応力レベルと破壊寿命によって、高サイクル疲労と低サイクル疲労がある。
疲労源、疲労き裂進展領域、瞬時破壊領域
σ-1（疲労強度）は無限寿命を表す。 疲労強度 これは従来の疲労強度設計と検証に適している；
Kth (疲労き裂進展のしきい値)は、き裂を有する試料の無限寿命疲労性能を表し、き裂を有する部品の設計および疲労強度の検証に適している。
粘着磨耗、摩耗磨耗、腐食磨耗、孔あき疲労磨耗（接触疲労）
接着剤の摩耗： 摩耗面の特徴は、部品表面にある大きさの異なるかさぶたである。
磨耗： 摩擦面に明らかなプラウのしわによる傷や溝がある。
疲れを癒す： 接触面には多くのピット（ヘンプピット）があり、その一部は深く、底部には疲労亀裂の伝播線の痕跡がある。
正しい。摩耗は硬度に反比例するからだ。
表面積を増やす一方で 強度と硬度表層の残留圧縮応力は増加する。
おおよその比熱： T / Tm
クリープ： 一定の温度と一定の荷重が長時間作用すると、材料がゆっくりと塑性変形する現象を指す。
持久力： これは、ある温度と時間の下で材料がクリープ破壊しない最大応力である。
クリープ限界： これは、高温クリープ変形に対する材料の耐性を示す。
リラックスの安定性： 材料が応力緩和に抵抗する能力は、緩和安定性と呼ばれる。
材料のクリープ変形メカニズムには、主に転位すべり、原子拡散、粒界すべりなどがある。
高分子材料の場合、外力によって分子鎖セグメントが伸びることもある。
粒界破壊はクリープ破壊の一般的な形態で、特に高温・低応力下で発生する。
これは、多結晶と粒界の強度は温度の上昇とともに低下するが、後者の方が早く低下するため、高温では粒界の相対強度が低くなるためである。
粒界破壊には2つのモデルがある： ひとつは粒界すべりおよび応力集中モデル、もうひとつは空孔凝集モデルである。
金属の塑性変形メカニズムは、スリップと双晶である。
金属のクリープ変形メカニズムは、転位すべり、拡散クリープ、粒界すべりである。
高温では、温度の上昇によって原子や空孔が熱的に活性化する可能性があるため、転位が何らかの障害を乗り越えてクリープ変形を起こし続ける；
外力が作用すると、結晶内に不均一な応力場が発生する。
原子と空孔は位置によって異なるポテンシャルエネルギーを持ち、高いポテンシャルエネルギーから低いポテンシャルエネルギーへと方向性を持って拡散する。
固体材料の場合、熱容量は材料の構造とはほとんど関係がない；
一次相転移では、熱容量曲線は不連続に変化し、熱容量は無限大となる。
ある温度範囲で2次の相転移が徐々に完了し、それに伴って熱容量も有限の最大値に達する。
アモルファス物質の熱伝導率が小さいのは、アモルファス状態が短距離秩序構造であり、粒径の小さな結晶として論じることができるからである。
粒径が小さく粒界が多いと、フォノンが散乱しやすくなるため、熱伝導率が非常に小さくなる。
磁場が作用すると、物質中の電子の軌道運動によって反磁性が生じる。
合金相図における最大溶解度曲線を決定する： 単相固溶体の常磁性は二相混合構造の常磁性よりも高く、混合物の常磁性と合金組成の間には直線関係があるという法則に従って、ある温度における合金の最大溶解度と金溶解度曲線を決定することができる。
アルミニウム合金の分解に関する研究；
材料の秩序無秩序変態、異性体変態、再結晶温度を調べた。
金属が強磁性であるためには、その原子がオフセットしていないスピン磁気モーメントだけを持つだけでは不十分である。
また、自発磁化を起こすためには、スピン磁気モーメントを自発的に位相配列させなければならない。
軟磁性材料のヒステリシスループは薄く、高い磁気伝導率と低いHcの特性を持っている。
硬質磁性材料のヒステリシスループは肥大的で、Hc、Br、(BH)mが高いという特徴がある。
金属中の正イオンが形成する電場は均一で、価電子とイオンの相互作用はなく、金属全体が電場を所有し、金属全体を自由に移動できる。
量子自由電子理論によれば、金属中の各原子の内部電子は基本的に単一原子のエネルギー状態を維持するが、すべての価電子は量子化則に従って異なるエネルギー状態、すなわち異なるエネルギー準位を持つ。
また、エネルギーバンド理論では、金属の価電子は公開されており、エネルギーは量子化されていると考えられている。
その違いは、金属中のイオンによって引き起こされる電位場は一様ではなく、周期的に変化すると考えている点である。
温度の上昇はイオン振動を悪化させ、熱振動の振幅を増大させ、原子の無秩序度を増大させ、電子運動の自由行程を減少させ、散乱確率を増大させ、抵抗率を増大させる。
半導体の導電性は主に電子と正孔によって引き起こされる。
温度が上昇すると、電子の運動エネルギーが増加し、その結果、結晶中の自由電子と正孔の数が増加する。
(1) 臨界転移温度 Tc
(2) 臨界磁場Hc
(3) 臨界電流密度 Jc
抵抗率の変化は、金属や合金の微細構造の変化を調べるために測定される。
(1) 固溶体の溶解度曲線を測定する。
(2) 形状記憶合金の変態温度の測定。
感熱効果、感光効果、感圧効果（感電圧効果、感圧効果）、感磁効果（ホール効果、磁気抵抗効果）など。
電気分解、熱分解、化学分解。
リニア光学性能： ある周波数を持つ光が非吸収性透明媒質に入射すると、その周波数は変化しない；
異なる周波数の光が同時に媒質に入射した場合、光波同士の相互結合はなく、新しい周波数は発生しない；
コヒーレントな光であれば、2本の光線がぶつかると干渉が起こる。
インコヒーレントな光であれば、光強度の重ね合わせ、つまり線形重ね合わせの原理に従うだけである。
屈折、分散、反射、吸収、散乱など。
金属は可視光を非常に強く吸収するため、実現不可能なのだ。
これは、金属の価電子がアンダーフルバンドにあり、光子を吸収した後に励起状態になるからである。
衝突して熱を発生させるために伝導帯に遷移する必要はない。
入射光は強い光だ。
結晶対称性の要件。
位相を合わせる。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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