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

1.一軸静的張力下における材料の機械的性質

1.定義

熱狂： クレーズとは、高分子材料の変形過程で発生する欠陥の一種。密度が低く光に対する反射率が高いため、銀色に見える。クレーズは高分子材料の弱い部分や欠陥部分に発生する。

超可塑性： 特定の条件下では、材料はネッキングや破断することなく非常に大きな伸び（約1000%）を示し、これは超塑性と呼ばれる。全ひずみεtに占める粒界すべりで発生するひずみの割合εgは、通常50%から70%であり、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： 材料が破壊する前には、明らかな巨視的塑性変形はなく、警告サインもない。この過程はしばしば急激であり、非常に危険である。

延性破壊： 破壊前および破壊中に明らかな巨視的塑性変形を示す破壊過程。延性破壊では、亀裂の進展過程は一般に遅く、大量の塑性変形エネルギーを消費する。

裂開骨折： 通常の応力下で原子間の結合が破壊され、特定の結晶面に沿って生じる脆性破壊を劈開破壊という。劈開段差、リバーパターン、タングパターンが劈開破壊の基本的な微視的特徴である。

剪断破壊： せん断破壊は、せん断応力下で材料がすべり面に沿ってすべり、分離することによって生じる破壊である。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。破面は通常、マクロでは暗灰色で繊維状であるのに対し、ミクロの破面には多数の「くぼみ」が分布する特徴的なパターンが見られる。

2.延性破壊と脆性破壊の違いを説明しなさい。なぜ脆性破壊が最も危険なのか？

応力の種類、塑性変形の程度、前兆の有無、亀裂の伝播速度。

3.破断強度の違いは？ σ_c および引張強さ σ_b?

材料が破壊前に塑性変形を起こさないか、あるいはほとんど起こさず、ネッキングを起こさずに脆性破壊が起こる場合、臨界応力σcは破断応力σbに等しくなります。

しかし、破断前にネッキングが起こると、σcとσbは等しくならない。

4.グリフィス公式はどのような範囲に適用され、どのような状況で修正されるべきか？

グリフィス式は、ガラス、無機結晶材料、超高強度鋼のような、マイクロクラックを含む脆性固体にのみ適している。

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、亀裂先端が大きな塑性変形を起こし、大量の塑性変形エネルギーを消費する。

したがって、この現象を正確に反映させるためには、グリフィスの公式を修正しなければならない。

2.一軸静的張力下における材料の機械的性質

1.応力状態のソフト係数

最大せん断応力τmaxと最大法線応力σmaxの比は応力状態ソフトネス係数と呼ばれ、αで示される。

αが大きいほど最大せん断応力成分が大きくなり、材料の応力状態が柔らかく、塑性変形しやすいことを示す。

逆に、αが小さいほど応力状態は硬くなり、より脆性的な破壊につながる。

2.プラスチック材料の「切り欠き強化」現象をどのように理解するか？

試験片に切り欠きがある場合、三軸応力が存在するため、その降伏応力は一軸引張試験片の降伏応力よりも高くなり、これは「切り欠き強化」現象と呼ばれる。

しかし、この「切り欠き強化」は、あくまでも3次元応力によって拘束された材料の塑性変形の結果であるため、材料強化の方法とは考えられない。

この場合、材料自身のσsの値は変化しない。

3.一軸引張試験、圧縮試験、曲げ試験、ねじり試験の特性と適用範囲を包括的に比較する。

改訂された：

一方向引張では、法線応力成分が大きく、せん断応力成分が小さいため、硬い応力状態になる。

この試験は通常、プラスチック材料として知られる塑性変形抵抗や切削抵抗の低い材料に適用される。

一方向圧縮の応力状態軟化係数はa=2であり、主に脆性材料の試験に用いられる。

曲げ試験は、引張試験で発生する試験片のたわみに悩まされることはない。

曲げ加工では、断面上の応力分布が表面で最大になるため、材料の表面欠陥を反映する効果的な方法となる。

ねじり試験： ねじりの応力状態の軟化係数は引張りの応力状態の軟化係数よりも高く、引張りでは脆い材料の強度や塑性を評価するのに有効な方法である。

ねじり試験では、試料断面の応力分布が表面で最も大きくなるため、材料の特性に対する感度が非常に高くなります。 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がほぼ等しくなる。

ねじり試験における破断面は、試料の軸に対して垂直であり、プラスチック材料の評価によく使用される。

正規破壊では、破壊面と試料軸のなす角度は約45度で、これは正規応力によるものである。脆性材料は、このタイプの破断面を示すことが多い。

4.ブリネル硬さ試験とビッカース硬さ試験の原理の類似点と相違点を比較し、ブリネル硬さ試験、ロックウェル硬さ試験、ビッカース硬さ試験の長所と短所、適用範囲を比較する。

ビッカース硬さ試験の原理は、以下の試験に似ている。 ブリネル硬度 どちらの試験法も、圧痕の単位面積当たりの荷重に基づいて硬度値を算出するためである。

2つの試験の主な違いは、使用する圧子の種類である。ビッカース硬さ試験では、対辺の角度が136度のダイヤモンドピラミッド圧子を使用します。これに対し、ブリネル硬さ試験では、硬化鋼球または 硬合金 ボールを圧子とする。

ブリネル硬さ試験の利点：

ブリネル硬さ試験は、圧痕面積が大きいため、広い面積で各構成相の平均的な性能を反映することができ、試験結果は安定しており、再現性が高い。

その結果、ブリネル硬さ試験は、次のような材料の硬さ測定に特に適しています。 ねずみ鋳鉄 および軸受合金。

ブリネル硬さ試験の欠点：

ブリネル硬さ試験は、くぼみの直径が大きいため、一般に完成品の直接検査には適さない。

さらに、硬さの異なる材料に対して圧子の直径や荷重を交換する必要があることや、圧子の直径を測定するのが面倒であることも、この試験の欠点である。

ロックウェル硬さ試験の利点

操作が簡単で速い；

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 

インデントが小さいため、表現が悪い；

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；

任意の負荷を選択できる。

また、ビッカース硬さには、ロックウェル硬さとは異なるスケールの硬さを統一できないという問題や、試験片の厚みがロックウェル硬さよりも薄いという問題もない。

ビッカース硬さ試験の欠点： 

測定方法が面倒、作業効率が悪い、圧痕面積が小さい、代表性が悪いなど、大量生産の日常検査には向かない。

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3.材料の衝撃靭性と低温脆性

1.低温脆性、延性脆性遷移温度。

試験中の温度がある温度tk（延性脆性遷移温度）より下がると、bcc結晶や密着六方晶結晶の金属や合金、特に工学でよく使われる中低強度構造用鋼などの材料は、延性状態から脆性状態へと遷移し、衝撃吸収エネルギーが著しく低下する。

この遷移は、破壊様式が微細孔の凝集から経粒界劈開に変化し、破壊の外観が繊維状から結晶性に変化することで特徴づけられるが、この現象は低温脆性として知られている。

2.低温脆性の物理的本質とその影響因子について説明する。

延性脆性遷移温度以下の温度では、破壊強度は 降伏強度その結果、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金属の低温脆性は、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： の場合、間質溶質元素の含有量が増加すると、より高い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： 結晶粒と組織を精製することで、材料の靭性を高めることができる。

D.温度の影響： 比較的複雑で、ある温度範囲内で脆性（青脆性）が発生する。

E.負荷率の影響： 負荷率を上げることは温度を下げるようなもので、材料の脆性を高め、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。

3.結晶粒の微細化によって靭性が向上する理由は？

粒界は亀裂伝播の抵抗となる。

粒界前パッキングでの転位数の減少は、応力集中の軽減に役立つ。

粒界の総面積が増加すると、粒界に沿った不純物濃度が減少し、粒界脆性破壊の可能性が低下する。

4.材料の破壊靭性

1.低応力脆性破壊

大きな部品の加工応力が高くない場合、たとえ降伏限界よりはるかに低い場合でも、脆性破壊がしばしば発生し、これは低応力脆性破壊と呼ばれる。

2.次の記号の名前と意味を説明しなさい：KIc；JIc；GIc；δc。

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の尺度であり、平面ひずみ条件下での不安定な亀裂進展に対する材料の抵抗能力を表す。

JIc（亀裂先端のひずみエネルギー）は、破壊靭性とも呼ばれ、亀裂の発生と進展に抵抗する材料の能力を表します。

GIcは、材料の不安定な亀裂伝播を防ぐために単位面積当たりに消費されるエネルギーを表す。

δC（亀裂開口変位）は、材料の破壊靭性とも呼ばれ、亀裂の拡大が始まるのを防ぐ材料の能力を示す。

3.KIとKIcの類似点と相違点を説明しなさい。

KIとKICは2つの異なる概念である。

KIは、き裂本体のき裂先端における応力-ひずみ場の強さを表す力学的パラメータで、印加応力、サンプルサイズ、き裂の種類に依存しますが、材料には依存しません。

一方、KICは材料の機械的特性指数であり、組成や構造などの内部要因に依存するが、印加応力やサンプルサイズなどの外部要因には影響されない。

KIとKICの関係はσとσsの関係に似ており、KIとσは機械的パラメータ、KICとσsは材料の機械的特性指数である。

5.材料の疲労特性

1.疲労破壊の特徴とは？

(1)このタイプの故障は、顕著な塑性変形が起こる前に、突然予期せぬ故障が起こる。 疲労故障 脆性破壊を特徴とする。

(2) 疲労故障 は低応力サイクル遅延破壊の一種である。

(3) 疲労は、ノッチ、クラック、構造的欠陥などの欠陥に非常に敏感である。

(4) 疲労形態はいくつかの方法で分類できる。

応力状態による疲労形態には、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基づいて、疲労はさらに高サイクル疲労と低サイクル疲労に分類することができる。

2.疲労破壊面の特徴的な領域はいくつありますか？

疲労源、疲労き裂進展領域、過渡破壊領域。

3.の類似点と相違点を述べてみてください。 σ_-1そして ΔKth.

σ_-1 (疲労強度)は、平滑試験片の無限寿命疲労強度を表し、従来の疲労強度設計と検証に適している；

ΔKth（疲労き裂進展のしきい値）は、き裂サンプルの無限寿命疲労性能を表し、き裂部品の設計および疲労強度検査に適している。

6.材料の耐摩耗性

1.摩耗には何種類あるのか？その表面損傷形態を示す。

接着摩耗、研磨摩耗、腐食摩耗、孔あき疲労摩耗（接触疲労）。

接着摩耗： 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： 摩擦面の傷や明らかな溝によって形成される溝。

疲れを癒す： 接触面には多くのピット（痘痕）があり、その一部は深く、底部には疲労亀裂の成長線の痕跡がある。

2.材料が硬いほど耐摩耗性が高い」という記述は正しいか？なぜですか？

正しい。摩耗は硬度に反比例するからだ。

3.材料疲労強度、接触疲労強度、耐摩耗性を向上させる観点から、化学熱処理で注意すべき事項を分析した。

表面層の残留圧縮応力は増加し、その一方で表面層の残留圧縮応力は減少した。 強度と硬度 が増加する。

7.材料の高温性能

1.以下の用語について説明しなさい：

おおよその比熱T/T_m

クリープ（Creep）：一定の温度と荷重の影響下で、長期間にわたって材料が徐々に塑性変形すること。

耐久強度：この用語は、特定の温度と時間枠の中で、材料がクリープ破壊を起こすことなく耐えられる最大応力を指す。

クリープ限界：高温クリープ変形に対する材料の耐性を示す。

緩和安定性：応力緩和に対する材料の耐性を表す用語は緩和安定性と呼ばれる。

2.材料のクリープ変形と破壊メカニズムについてまとめた。

材料におけるクリープ変形の主なメカニズムには、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、外力を受けて分子鎖が伸びることもクリープの一因となる。

結晶間破壊はクリープ破壊の一般的な形態であり、特に高温・低応力レベルにおいて顕著である。これは、多結晶粒と粒界の強度は温度とともに低下するが、後者の方が早く低下するため、高温では粒界強度が粒界強度に比べて低くなるためである。

粒界破壊を説明するモデルには、粒界すべり・応力集中モデルと空孔凝集モデルの2つがある。

3.高温における金属のクリープ変形と塑性変形メカニズムの違いについて議論する。

金属の塑性変形メカニズムは、すべりと双晶に基づく。

金属のクリープ変形機構は、主に転位すべり、拡散クリープ、粒界すべりによって駆動される。

高温では、高温によって原子や空孔が熱的に活性化され、転位が移動してクリープ変形を起こし続ける。

外力の影響を受けると、結晶内に不均一な応力場が発生し、原子や空孔間のポテンシャルエネルギーに差が生じる。その結果、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の方向拡散が生じる。

8.材料の熱的性質

1.材料の熱容量に影響を与える要因を分析してみてください。

固体材料の場合、熱容量は材料の構造に大きく影響されることはない。

一次の相転移では、熱容量曲線は急激に変化し、無限の値を持つ。

二次の相変態では、変化は特定の温度範囲で徐々に起こり、最大熱容量は有限となる。

2.ガラスの熱伝導率が結晶性固体の熱伝導率より数桁低いことが多い理由を説明しなさい。

アモルファス材料の熱伝導率が低いのは、その短距離秩序構造が極めて小さな結晶粒を持つ結晶とみなすことができるからである。

粒径が小さく粒界が多いため、フォノンが散乱しやすく、熱伝導率が著しく低下する。

9.材料の磁気特性

1.反磁性はなぜ生じるのか？

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。

2.金属研究における反磁性および常磁性帯磁率の主な用途は？

合金相図における最大溶解度曲線の決定：

単相固溶体が二相混合構造よりも高い常磁性を示すという法則と、混合物の常磁性と合金組成の間の線形関係を利用することによって、特定の温度における合金の最大溶解度と合金の溶解度曲線を決定することができる。

の分解を調べる アルミニウム合金:

アルミニウム合金の分解をより深く理解するために、秩序-無秩序転移、異性体転移、再結晶温度を調べた。

3.強磁性が生じる条件を説明しなさい。

金属が強磁性を示すためには、その原子がゼロでないスピン磁気モーメントを持つだけでなく、これらのモーメントが自発的に整列し、自発磁化を発生することが必要である。

4.軟質磁性材料と硬質磁性材料の主な性能について説明してください。

軟磁性材料はヒステリシスループが狭く、高い磁気伝導率と低いHcを特徴とする。対照的に、硬磁性材料はヒステリシスループが厚く、Hc、Br、(BH)mが高い。

10.材料の電気的特性

1.量子自由電子伝導理論と古典伝導理論の類似点と相違点を説明しなさい。

金属では、正イオンが作る電場は均一で、価電子とイオンの間に相互作用はない。この電場は金属全体の性質と考えられ、金属全体で電子の自由な動きを可能にする。

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単一原子のエネルギー状態を保っているが、価電子は量子化によって異なるエネルギー状態を持ち、明確なエネルギー準位を持つ。

エネルギーバンド理論もまた、金属中の価電子が共有され、エネルギーが量子化されていることを認識しているが、金属中のイオンが作り出すポテンシャル場は一様ではなく、周期的に変化することを示唆している。

2.なぜ金属の抵抗は温度とともに増加し、半導体の抵抗は温度とともに減少するのか？

温度上昇はイオンの振動を強め、熱振動の振幅を増大させ、原子の乱れの増大、電子の移動の減少、散乱確率の増大をもたらす。これらの要因により、抵抗率が上昇する。

半導体では、伝導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大し、結晶中の自由電子と正孔の数が増加する。

3.超電導体の性能を示す3つの主な指標とは？

(1) 臨界転移温度 Tc

(2) 臨界磁場Hc

(3) 臨界電流密度 Jc

4.金属研究における抵抗測定の応用について簡単に述べる。

金属や合金の微細構造の変化は、抵抗率の変化を測定することによって研究される。

(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を測定する。

5.半導体の導電性感受性効果とは？

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。

6.断熱材の主な損傷形態は？

電気分解、熱分解、化学分解。

11.材料の光学的性質

1.線形光学性能の概念とその基本パラメータについて簡単に説明する。

リニア光学特性： 光を吸収しない透明な媒質に単一の周波数の光を入射しても、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、光波の間に相互作用はなく、新しい周波数は発生しない。

2本の光線が交差するとき、それらがコヒーレント光であれば干渉が起こる。もしそれらがインコヒーレントな光であれば、線形重ね合わせの原理に従い、光の強度のみが結合する。

その他の光学特性には、屈折、分散、反射、吸収、散乱などがある。

2.透明な金属製品の実現可能性を分析してみてください。

金属は可視光を強く吸収するため、可視光光学に使用するのは現実的ではない。これは、金属の価電子が不完全なバンドを占め、光子を吸収した後、励起状態にあるからである。衝突によってエネルギーを伝達し、熱を発生させることはできるが、伝導帯に遷移することはない。

3.非線形光学特性を生み出す条件を簡単に説明する。

入射光は強い；

結晶に要求される対称性；

位相を合わせる。