材料科学における応力

はじめに

材料科学において応力とは、単位面積当たりに材料に加わる力を指します。応力は、材料が外力に対してどのように反応するかを理解するために使用される重要な概念であり、材料が破壊することなく様々な種類の荷重条件に耐える能力を決定する上で重要な役割を果たします。応力は、様々な条件下での強度、耐久性、性能を保証するために材料や構造物を設計する際の重要な要素です。

応力の定義

応力は、物体に加わる力Fを、その力が加わる断面積Aで割ったものとして数学的に定義される：

応力(σ)=F/A

ここで

• Fは加えられる力（単位：ニュートン、N
• Aは断面積（単位：平方メートル、m²）。
• σは応力で、パスカル(Pa)またはニュートン/平方メートル(N/m²)で測定される。

材料科学における応力には、法線応力と せん断応力の2種類があります。

1.法線応力：力が表面に対して垂直に、引張または圧縮で加えられた場合に発生する。

• 引張応力：材料が引き離されるときに発生する（例：ワイヤーを伸ばす）。
• 圧縮応力：材料が圧縮されるとき（例：柱がしぼむ）。

2.せん断応力：表面に平行に力が加わり、材料の層が相対的に滑るときに生じる。例えば、金属片をせん断力で切断するような場合。

材料の応力の種類

引張応力：

l 引張応力は、材料が引っ張られる力を受けたときに発生します。引張応力は材料の伸びや伸張を引き起こします。

l例：輪ゴムが伸びる。

圧縮応力：

l 圧縮応力は、材料が圧縮力を受けたときに発生し、材料の短縮または圧縮につながります。

l 例：建物の重量を支える柱。

せん断応力：

l 剪断応力は、2つの反対方向の力が表面に平行に加わり、滑るような変形を引き起こす場合に発生する。

l 例：紙をはさみで切る。

曲げ応力：

l 曲げ応力とは、材料が曲げられた時に発生する引張応力と圧縮応力の組み合わせです。

l 例中央で荷重を支える梁

応力に影響を与える要因

材料が受ける応力には、以下のようないくつかの要因が影響します：

- 材料の特性：材料の特性：材料の強度、延性、弾性は、応力に対するその材料の反応に影響を与えます。例えば、金属は引張応力下ではより延性に富む傾向がありますが、セラミックはより容易に破壊する可能性があります。

- 温度：高温になると材料が弱くなり、変形や破損を起こす前に応力に耐える能力が低下することがあります。

- 荷重条件：加えられる荷重の速度と時間は、応力に対する材料の反応に影響を与える可能性があります。例えば、ある材料が高応力の荷重を短時間に加えると破断するが、時間をかけてゆっくりと加えると同じ応力に耐えることがある。

応力とひずみの関係

応力とひずみは材料の弾性率を通じて直接関係します。応力-ひずみ曲線は、様々なレベルの応力下で材料がどのように変形するかを表しています。応力-ひずみ曲線の主な領域は以下の通りです：

1.弾性領域：この領域では、応力がなくなると材料は元の形状に戻ります。応力とひずみの関係は線形です。

2.塑性領域：材料が降伏点に達すると、永久変形を起こす。

3.破壊点：極限引張応力を超えると、材料は最終的に破断または破壊する。

材料科学における応力の応用

- 構造工学：応力を理解することは、建物、橋、その他の構造物を設計する際に不可欠であり、重量、風、地震などの力に耐えることができるようにします。

- 製造：鋳造、鍛造、溶接などのプロセスでは、エンジニアは製造中の材料の変形や破損を防ぐために応力を考慮する必要があります。

- 材料の選択：材料によって応力に対する耐性は異なります。例えば、鋼鉄のような材料は、高い引張応力や圧縮応力に耐えることができるため、建築に使用されます。

- 疲労および故障解析：応力サイクルが繰り返されると、材料は時間の経過とともに弱くなり、破損することがあります。応力を理解することは、材料の疲労を予測し、航空機の翼やエンジン部品などの部品の故障を防ぐのに役立ちます。

- 詳しくは スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

引張応力と圧縮応力の違いは何ですか？

引張応力は、材料が引っ張られたり引き伸ばされたりして伸びるときに発生します。圧縮応力は、材料が押されたり圧縮されたりすることで発生し、短縮や押しつぶしにつながります。

温度は材料の応力にどのような影響を与えますか？

一般的に温度が高くなると材料は弱くなり、強度や応力に耐える能力が低下します。材料によっては延性が増し変形しやすくなるものもあれば、脆くなり破壊が早くなるものもあります。

応力-ひずみ曲線における降伏点とは何ですか？

降伏点とは、材料が塑性変形を開始し、応力を取り除くと元の形状に戻らなくなる応力レベルのことです。 この点を超えると永久変形が生じます。

構造工学で応力を理解することが重要なのはなぜですか？

建築物、橋梁、その他の構造物が倒壊や破壊を起こすことなく、重量、風、地震などの外力に耐えられるようにするために、エンジニアは応力を理解する必要があります。

材料の疲労とはどのようなもので、応力とどのような関係があるのですか？

疲労とは、時間の経過とともに繰り返される、あるいは周期的な応力によって材料が弱くなることを指します。材料の極限強度よりも低い応力レベルであっても、継続的または周期的に加えられると破壊を引き起こす可能性があります。