ヤング率概要
ヤング率とは
ヤング率は弾性率とも呼ばれ、材料の剛性を定量化する基本的な特性です。材料の応力-ひずみ曲線の線形弾性領域における応力（単位面積当たりの力）とひずみ（比例変形）の比として定義されます。ヤング率が高いほど、応力が加わっても変形しにくい硬い材料であることを示します。
応力-ひずみ曲線
応力-ひずみ曲線は、加えられた応力に対する材料の応答をグラフで表したものです。通常、応力-ひずみ曲線はいくつかの領域から構成されます：
- 弾性領域：応力が除去された後、材料が元の形状に戻る最初の直線部分。
- 降伏点：永久変形が始まる応力。
- 塑性領域：降伏点を超え、材料が永久変形する部分。
- 破断点：材料が破壊する点。
ヤング率は、弾性領域内の応力-ひずみ曲線の傾きから求められる。
ヤング率に影響する因子
ヤング率には以下のようないくつかの要因が影響します：
- 材料組成：異なる材料には固有の剛性特性があります。
- 温度：一般的に温度が上昇するとヤング率は低下します。
- 微細構造：粒径と相分布は剛性に影響を与えます。
- 不純物と欠陥：不純物や欠陥の存在はヤング率を低下させます。
ヤング率の応用
ヤング率を理解することは、以下のような様々な工学的および科学的応用において極めて重要です：
- 構造工学構造工学：建物や橋が過度の変形を起こすことなく荷重に耐えられるように設計する。
- 材料科学材料科学：望ましい剛性特性を持つ新材料の開発。
- 機械工学応力下の機械部品の挙動を分析する。
さまざまな材料のヤング率、引張強さ、降伏強さ
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材料 |
ヤング率 (GPa) |
引張強さ (MPa) |
降伏強さ (MPa) |
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鋼（軟鋼 |
200 - 210 |
250 - 550 |
250 - 350 |
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炭素鋼 |
200 - 210 |
400 - 1,200 |
250 - 800 |
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ステンレス鋼 |
190 - 210 |
500 - 1,500 |
200 - 1,000 |
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110 - 120 |
500 - 1,400 |
300 - 900 |
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69 |
90 - 570 |
40 - 550 |
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銅 |
110 |
210 - 400 |
70 - 250 |
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真鍮 |
95 |
200 - 550 |
150 - 300 |
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青銅 |
100 - 120 |
300 - 800 |
150 - 450 |
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マグネシウム |
45 - 50 |
150 - 350 |
50 - 250 |
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鋳鉄 |
100 - 200 |
150 - 500 |
100 - 300 |
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コンクリート |
20 - 30 |
2 - 5 |
10 - 30 |
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木材 |
9 - 16 |
30 - 150 |
20 - 100 |
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ゴム |
0.01 - 0.1 |
20 - 30 |
10 - 15 |
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230 - 500 |
3,500 - 6,000 |
2,000 - 3,500 |
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ポリエチレン |
0.2 - 0.8 |
20 - 40 |
10 - 30 |
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100 - 400 |
200 - 700 |
100 - 300 |
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
高いヤング率は何を示していますか？
高いヤング率は、材料が非常に硬く、応力が加わっても容易に変形しないことを示します。
ヤング率はどのように測定するのですか？
ヤング率は、材料に既知の応力を加え、その結果生じるひずみを測定し、弾性領域における応力とひずみの比を計算することによって測定されます。
ヤング率は時間の経過とともに変化しますか？
はい。温度、老化、材料疲労などの要因により、ヤング率は経時的に変化します。
ヤング率はどのような材料でも同じですか？
いいえ、ヤング率は材料によって大きく異なり、材料固有の剛性特性を反映しています。
なぜヤング率は工学的に重要なのですか？
ヤング率は、材料が荷重下でどのような挙動を示すかを予測し、構造物や部品を安全かつ効果的に設計するために不可欠です。
