金属材料の機械的特性とは、外力の作用下で発揮されるさまざまな特性を指し、さまざまな環境における材料の適合性と耐久性が決まります。金属材料の機械的特性の主な指標は次のとおりです。
1. 強度と耐力
強度とは、金属材料が外力（荷重）の作用に抵抗し、過度の塑性変形や破壊を避ける能力のことです。これは、金属材料の機械的特性の最も基本的かつ最も重要な指標の 1 つです。強度には引張強さ、圧縮強さ、曲げ強さ、せん断強さなどがありますが、最もよく使われるのは引張強さです。
- 引張強さ (σb または Rm): 材料が引張中に耐えることができる応力の最大値、つまり引き剥がす前に達成できる最大応力を指します。材料の耐破壊性を反映し、Rm または σb で表され、単位は MPa (メガパスカル) です。引張強さは、材料の靭性と塑性変形能力を評価するための重要なパラメータです。
- 降伏強度 (σs または ReL、Rp0.2): 引張プロセスにおける材料を指します。応力が特定の臨界値に達すると、応力がそれ以上増加しなくても、材料は応力値に応じた大幅な塑性変形を受け続けます。明らかな降伏現象がある材料の場合、降伏強度は応力の降伏点です。明らかな降伏現象のない材料の場合、降伏強度の条件として知られる降伏限界として応力値の 0.2% の残留変形が生じることが通常規定されています。材料の塑性変形の始まりである降伏強度は重要な記号ですが、一般的に使用される構造設計の強度指標でもあります。
2. 可塑性と伸び
可塑性とは、金属材料が外力を受けたときに破壊することなく大きな塑性変形を引き起こす能力を指します。優れた可塑性を備えた材料は、塑性変形を通じて大量のエネルギーを吸収できるため、衝撃や疲労に対する耐性が向上します。
- 伸び (δ): 元のマークされた長さに対する、引張破断後の材料の総伸びの割合。これは材料の可塑性を示す重要な指標です。エンジニアリングでは通常、材料の 5% 以上が軟鋼、アルミニウム、銅などのプラスチック材料と呼ばれます。 δ 材料の 5% 以下が脆性材料と呼ばれるもので、鋳鉄、ガラス、セラミックスなどがあります。
- 断面収縮 (ψ): 引張破壊後の材料の元の破壊面積に対する断面の最大縮小面積の割合を指します。材料の塑性を測る重要な指標でもあります。伸びと合わせて材料の塑性変形能力を総合的に評価できます。
3. 硬度
硬度は、表面に押し込まれた他のより硬い物体に抵抗する材料の能力です。材料の硬さや柔らかさの度合いを表す指標であり、材料の耐摩耗性や切削性能を反映する重要なパラメータでもあります。
- ブリネル硬度 (HBS、HBW) とロックウェル硬度 (HRA、HRB、HRC): 2 つの一般的に使用される硬度試験方法です。ブリネル硬度はより柔らかい材料に適用され、ロックウェル硬度はより硬い材料に適用されます。硬さ試験は、材料の機械的特性を評価するだけでなく、脱炭や浸炭などの材料の表層の品質を確認するためにも使用できます。
4. 衝撃靱性
衝撃靱性とは、衝撃荷重に耐える材料の能力です。これは、動的荷重下での材料の耐破壊性を示す重要な指標です。
- 衝撃靱性値 (Ak): 通常、単位はジュール/平方センチメートル (J / cm²) で表され、衝撃荷重の作用下で材料がエネルギーを吸収する能力を示します。優れた衝撃靱性を持つ材料は、衝撃破壊に対する高い耐性を備えており、衝撃荷重を加える必要がある用途に適しています。
5. 弾性率
弾性率は、材料の弾性変形段階における応力とひずみの比です。これは材料の剛性を測る重要な尺度です。
- 弾性率 (E): 通常はパスカル (Pa) またはギガパスカル (GPa) で表されます。スチールなどの一般的な金属材料の場合、弾性率は通常 200 ～ 210 GPa です。弾性率が高い材料は、剛性も高く、弾性変形に対する耐性も高くなります。
6. 破壊靱性
破壊靱性とは、材料に亀裂が含まれている場合に、亀裂の進展に抵抗する材料の能力です。これは、材料の脆性破壊に対する耐性を示す重要な指標です。
- 破壊靱性 (KIC): 亀裂が拡大し始めるときの、平面ひずみ条件下での材料の応力拡大係数を示します。破壊靱性が高い材料は脆性破壊に対する強い耐性も備えており、高応力または低温環境が必要な用途に適しています。
7.疲労強度
疲労強度は、交互荷重下での疲労損傷に耐える材料の能力です。これは、材料の長期耐用年数を示す重要な指標です。-
- 疲労限界 (σ-1): 無限回の交互荷重下での疲労損傷なしの材料の最大応力値を示します。疲労強度が高い材料は長期にわたる耐用年数も長く、交互荷重に耐える必要がある場合に適しています。
金属材料の機械的特性指標には、強度、可塑性、硬度、衝撃靱性、弾性率、破壊靱性、疲労強度が含まれます。これらの指標によって、さまざまな環境における金属材料の適用性と耐久性が決まります。実際の用途では、最高の製品品質と使用効果を達成するために、使用の特定の要件に応じて適切な金属材料を選択する必要があります。
