【塑性・脆性】材料力学で登場する性質の定義一覧

材質材料


NEONEEETです。

低温だともろくて、脆性が無くて・・・

もろいとか脆性とか分かりにくいですよね

この記事は、化学工場の機電系設計者・プラントエンジニアを対象にしています。

この記事を読むと、材料力学で登場する性質について詳しく知ることができます。

材料力学で登場する性質は分かりにくい

材料力学では何の断りもなく塑性とか脆性などの専門用語が出てきます。

この意味をちゃんと理解できないまま、読み進めないといけないので、理解が遅れがちになる機電系学生も多いでしょう、

化学工場の機械屋でも材料力学に触れる機会がありますが、専門用語を知らないと困るシーンがいくつかあります。

そこで、材料力学で登場する性質の定義をまとめます。

弾性・塑性

弾性と塑性は材料力学でも基本の概念。

これは定義を説明している教科書も多いでしょう。

私の解釈は以下のとおりです。

  • 弾性は力を離すと元に戻る
  • 塑性は力を離しても永久に戻らない

輪ゴムを伸ばしても元の位置に戻る程度の変形を弾性変形と言います。弾力があるなんて言いますよね。

ビニール袋を引っ張って伸び切った状態を塑性変形と言います。塑性って英語でplasticityって言います。プラスチックですね。

輪ゴムやビニール袋だとイメージしやすいのですが、金属でも同じように弾性と塑性を議論します。

脆性・もろい

脆性と「もろい」はほぼ同義で使います。

「もろい」ってどういうイメージがあるでしょうか。

朽ち果てたペットボトルなどが、簡単な力ですぐに粉々になるイメージがありませんか。

材料力学の定義もこれとほぼ同じです。

力を加えると変形しないで破壊する

これが脆性と定義です。

力を加えると一般には最初の伸びるモードがあります。

伸びきった後で破壊するモードが起こります。

脆性が高い材料(つまり、もろい材料)の場合は、変形するモードがなくていきなり破壊するモードに移ります。

一般の「もろい」というイメージと違うのは、力の大小ですね。

材料力学でいう「もろい」は力が大きくても変形せずに破壊すれば「もろい」です。

脆性は物体の環境によって変わります。

  • 低温脆性 温度が低い炭素鋼はもろくなる
  • 常温脆性 リンを多く含む炭素鋼は、常温でもろくなる
  • 青熱脆性 炭素鋼は200~300℃でもろくなる
  • 赤熱脆性 硫黄を含む炭素鋼が、900℃を越えるともろくなる
  • 水素脆性 炭素鋼は水素があるともろくなる

細かい定義は別として、もろくなることは共通しています。

バッチ系化学工場では低温脆性と水素脆性に注意すればOKです。

ねばい

「ねばい」は「もろい」の逆として考えればいいでしょう。

弾性変形・塑性変形を問わず変形するモードが強い性質を「ねばい」と言います。

衝撃

衝撃は言葉どおりの意味です。

力の加え方として(1)ゆっくり力を掛けるか(2)衝撃的に力を掛けるかの2つで性質が大きく変わります。

ゆっくり力を掛けた場合には強い材料でも、衝撃的な力を掛けるとすぐに破壊する材料もあります。

化学工場の材料では、低温で衝撃に弱い性質を示す点が話題になります。

低温脆性と衝撃値が低いことがほぼ1:1でリンクしていると考えて良いでしょう。

バッチ系化学工場で使う反応器が炭素鋼でできていて、0℃以下の温度で使用するために低温脆性が課題となります。

疲労

疲労は繰り返し力を掛けるときに話題になります。

針金を何度も曲げると折れますよね。

これは疲労です。

弾性限度以下の弱い力で破壊しない材料でも、繰り返し力がかかることで破壊します。

疲労破壊は化学工場ではどこでも発生する怖い現象です。

目に見える動きがない化学工場でも、疲労破壊を起こす程度の動きは起こります。

クリープ

クリープは力を掛けた状態で時間を掛けつづけるとひずみが増える現象です。

普通は応力ひずみ関係が決まっていれば、応力が変わらなければ時間に関係なくひずみは一定のはずです。

これが時間が経ては勝手にひずんでいくのがクリープです。

特に高温の材料で話題になります。

最後に

材料力学で登場する性質について紹介しました。

弾性と塑性・脆性・疲労・クリープ

弾性は力を抜くと元に戻り・塑性は力を抜いても変形が残ります。

脆性は変形せずに破壊すること。

疲労は弱い力が繰り返して破壊すること。

クリープは時間が経過すると伸びること。

この記事が皆さんのお役に立てれば嬉しいです。

コメント

Translate »
タイトルとURLをコピーしました