超高層ビルの桁からジェットライナーの翼まで、すべての設計された構造は、安全かつ効率的に機能するための物質的な剛性に依存しています。ヤング率 - 弾性領域でのストレスに対するストレスの比率は、その剛性の普遍的な尺度です。ヤングモジュラスを理解することにより、設計者は、梁がどれだけ曲がりくねるか、シャフトが負荷をかけられているかを正確に予測でき、過剰構築なしで安全性を確保します。この記事は、ヤングモジュラスを示しています。
しばしば弾性率または引張弾性率と呼ばれるヤング率はe(またはy)、引張または圧縮負荷の下での弾性変形に対する材料の抵抗を定量化します(剛性)。数学的には、それは、ストレス(単位面積あたりの力)の比率として定義されます(長さの相対的な変化)。ストレス - ひずみ曲線。材料の元の形状に戻る能力を単に示す「弾性」とは異なり、弾性弾性率は、その材料を変形させるのがどれほど難しいかについての正確な数値尺度を提供します。 Youngの弾性率は、3つの基本的な弾性定数の1つであり、せん断弾性率とバルク弾性率とともに、等方性固体の完全な弾性応答を一緒に特徴付けます。
引張試験では、ストレス(Pascals、PA、またはMegapascals、MPA)を水平軸上のひずみ(ユニットレス)に対して垂直軸にプロットして、ストレス - ストレイン曲線を生成します。急勾配は、より硬い素材を意味します。

脆性材料(赤い曲線)骨折は非常に低いひずみで骨折し、エネルギーをほとんど吸収しませんが、延性材料(青い曲線)は、はるかに大きな株に耐え、故障前により多くのエネルギーを吸収します。比例制限を超えて、降伏点を囲みます - プラスチック(永久的な)変形が始まり、応力とひずみの関係は線形になり、材料は元の形状に完全に戻ることはありません。曲線全体の下の総面積は靭性を表し、材料が骨折する前に材料が吸収できるエネルギーを表します。
Young Modulus Eは、線形弾性領域でのストレスに対するストレスの比率として定義されます。ひずみは無次元であるため、Eはストレスと同じ単位を運びます:SIまたはポンドあたりのパスカル(PA = N/m²)または帝国ユニットの平方インチあたりのポンド(psi = lbf/in²)。 1つのPSIは約6,894.8 PAです。以下は、eと実際に使用するユニットを計算するための標準方程式です。
σ(ストレス):内部力を荷重された断面積(単位:n/m²、PA、またはlbf/in²)で割った。
ε(ひずみ):相対変形 - 長さの変化を元の長さ(無次元)で割ったもの。
F:適用された引張力(NまたはLBF)
A:元の断面領域(m²またはin²)
ΔL:長さの変化(mまたはin)
l₀:元のゲージの長さ(mまたはin)
高いヤング率は、負荷の下で弾性変形に抵抗し、容易に伸びることはない硬い材料を示します。低弾性は、材料が小さな負荷の下でも大幅に変形し、ほとんど力で伸びることを意味します。たとえば、天然のゴムは非常に低いE値を持っています。一部のシリコンゴムは、自分の体重の下で伸びることもあります。以下は、一般的な材料の表とその参照ヤング率の値です。
| 材料 | ヤングモジュラス(GPA) | ヤングモジュラス(MPSI) |
| 炭素鋼(低/中程度) | 200–210 | 29.0–30.5 |
| 高強度低合金鋼(HSLA) | 200–210 | 29.0–30.5 |
| ツールスチール(クエンチと焼き戻し) | 205–215 | 29.7–31.2 |
| オーステナイトステンレス鋼(304/316) | 190–200 | 27.6–29.0 |
| フェライト /マルテンサイトステンレス(410/430) | 195–210 | 28.3–30.5 |
| 鋳鉄(灰色) | 110–170 | 16–25 |
| 延性鉄(結節) | 160–175 | 23.2–25.4 |
| アルミニウム(錬金術) | 69–71 | 10.0–10.3 |
| 鋳造アルミニウム(al-si) | 68–72 | 9.9–10.4 |
| マグネシウム(AZ / AM合金) | 43–45 | 6.24–6.53 |
| マグネシウムを鋳造します | 40–45 | 5.8–6.5 |
| 銅 | 115–125 | 16.7–18.1 |
| 真鍮(Cu – Zn) | 97–115 | 14.1–16.7 |
| ブロンズ(Cu – SN) | 100–120 | 14.5–17.4 |
| ニッケル(商業的に純粋) | 200–210 | 29.0–30.5 |
| CPチタン(グレード2) | 100–110 | 14.5–16.0 |
| Ti ‑ 6al ‑ 4v | 110–120 | 16.0–17.4 |
| 亜鉛(キャスト/ロール付き) | 83–108 | 12.0–15.7 |
| 錫 | 40–55 | 5.8–8.0 |
| 鉛 | 14–17 | 2.0–2.5 |
| コンクリート(通常の重量) | 20–35 | 2.9–5.1 |
| 高強度コンクリート | 30–45 | 4.35–6.53 |
| エポキシ樹脂(未充填) | 2.5–3.5 | 0.36–0.51 |
| エポキシ /ガラスラミネート(FR4、インプレーン) | 17–24 | 2.5–3.5 |
| GFRPラミネート(準等方性) | 18–28 | 2.61–4.06 |
| GFRP UD(ファイバー方向) | 35–50 | 5.08–7.25 |
| CFRPラミネート(準等方性) | 50–80 | 7.25–11.6 |
| CFRP UD(ファイバー方向) | 130–200 | 18.9–29.0 |
| 木材(針葉樹、松、穀物に沿って) | 8–12 | 1.16–1.74 |
| 木材(広葉樹、例えば穀物に沿ったオーク) | 10–14 | 1.45–2.03 |
| ソーダライムガラス | 68–72 | 9.9–10.4 |
| ホウケイ酸ガラス | 63–67 | 9.1–9.7 |
| 融合シリカ | 72–75 | 10.4–10.9 |
| アルミナ(95〜99%) | 300–380 | 43.5–55.1 |
| ジルコニア(y ‑ tzp) | 190–210 | 27.6–30.5 |
| ABS(未処理) | 2.0–2.4 | 0.29–0.35 |
| ポリカーボネート(PC) | 2.2–2.45 | 0.32–0.36 |
| PMMA(アクリル) | 2.4–3.2 | 0.35–0.46 |
| HDPE | 0.6–1.0 | 0.087–0.145 |
| LDPE | 0.10–0.40 | 0.015–0.058 |
| lldpe | 0.20–0.45 | 0.029–0.065 |
| ポリプロピレン(PPホモポリマー) | 1.3–1.7 | 0.19–0.25 |
| PPコポリマー(衝撃) | 1.1–1.5 | 0.16–0.22 |
| PP GF(20〜40%) | 3.0–8.5 | 0.44–1.23 |
| ペット(未熟練) | 2.7–3.2 | 0.39–0.46 |
| PBT(未充填) | 2.2–2.8 | 0.32–0.41 |
| ポン(酢酸) | 2.9–3.2 | 0.42–0.46 |
| ナイロン6(ドライ) | 2.5–3.0 | 0.36–0.44 |
| ナイロン66(ドライ) | 2.7–3.3 | 0.39–0.48 |
| PA12(未充填) | 1.4–1.8 | 0.20–0.26 |
| ナイロン6 30%GF(乾燥) | 7.5–8.5 | 1.09–1.23 |
| ナイロン66 30%GF(乾燥) | 7.5–9.0 | 1.09–1.31 |
| PBT 30%GF | 8.0–9.5 | 1.16–1.38 |
| ペット30%GF | 9.0–12.0 | 1.31–1.74 |
| POM 25〜30%GF | 6.5–8.5 | 0.94–1.23 |
| ピーク(熟していない) | 3.6–4.0 | 0.52–0.58 |
| ピーク30%GF | 10–12 | 1.45–1.74 |
| PEI(未熟練) | 3.0–3.3 | 0.44–0.48 |
| PPS(未充填) | 3.2–3.8 | 0.46–0.55 |
| PPS 30%GF | 8–9 | 1.16–1.31 |
| PPS 40%GF | 9–11 | 1.31–1.60 |
| 剛性PVC | 2.4–3.3 | 0.35–0.48 |
| PTFE | 0.40–0.55 | 0.058–0.080 |
| プラ | 3.0–3.6 | 0.44–0.52 |
| ゴム(自然な、小さなひずみ) | 0.01–0.05 | 0.0015–0.007 |
| ネオプレンゴム(小さなひずみ) | 0.005–0.02 | 0.0007–0.0029 |
| ポリウレタンフォーム(硬質) | 0.02–0.30 | 0.0029–0.043 |
| ポリウレタン(固体エラストマー) | 0.01–0.05 | 0.0015–0.007 |
| エポキシ構造接着剤(硬化) | 1.8–2.6 | 0.26–0.38 |
| ダイヤモンド(単結晶) | 1050–1200 | 152–174 |
この表は、標準条件下で室温で測定された参照値を示しています。Eは、実際の使用によって異なる場合があります。温度が上昇すると、一般にEが減少し、材料が柔らかくなります。合金要素、粒子サイズ、熱処理履歴、またはポリマーの結晶性の程度を含む微細構造と組成も、剛性に影響します。多くの材料は異方性であり、異なる方向に沿って異なるE値(たとえば、木材、転がり金属、繊維複合材料)があります。最後に、ひずみ速度と環境が役割を果たします。非常に高い負荷速度または腐食性液への曝露は、測定された弾性率を微妙に変化させる可能性があります。

エンジニアが弾力性のたわみと振動を予測または制限する必要がある場合、ヤングモジュラスは頼りになる財産です。以下はいくつかの重要なアプリケーションです。
エンジニアがブリッジビームまたはガーダーを設計するとき、最初の質問の1つは「荷物の下でどれくらい曲がるのか?」です。その曲がりはたわみと呼ばれ、単純にサポートされているスパンの中間点での最大下向きの動きはδで示されます。日常的に、δは、車、風、さらには地震が押し進められると、ブリッジデッキがどれだけ垂れ下がるかを教えてくれます。中央ロードされた単一のスパンの標準式は次のとおりです。
ここで、fは中期の荷重(たとえば、車両の重量)、lはスパンの長さ、eはヤング率(材料の剛性)であり、私は断面の慣性モーメント(曲げに対する形状依存性抵抗)です。高いヤング率はδを直接減少させます。これは、ビームのたるみが少ないことを意味します。 δを制御することは重要です。たわみが多すぎると、安全ではないように見えるだけでなく、道路面、関節、サポートも損傷する可能性があります。エンジニアはこの計算を使用して、たとえばStrict Service-Limitガイドライン(たとえば、スパンのL/360以下)内でたわみを保持する材料とビームサイズを選択して、橋が安全で快適な使用の両方を維持します。
典型的なコンクリートの床または屋根スラブで、エンジニアはコンクリート内にスチールバー(鉄筋)を埋め込みます。コンクリート自体はかなり柔らかく、荷重がかかりますが、鋼は非常に硬く、ほとんど曲がりません。それらを組み合わせることにより、スラブはたるんだり割れたりすることなく重い荷重を運びます。コンクリートは圧縮を取り、鋼は張力を処理し、剛性を追加します。
スラブがどれだけ曲がるかを正確に予測するために、エンジニアは各材料のヤング率(コンクリートでは約17 GPA、スチールに200 GPA)を使用します。それらは、鋼の剛性を同等の量のコンクリートの厚さに「変換」するため、スラブ全体を計算で1つの材料として扱うことができます。これにより、通常のライブ荷重(人、家具、雪)の下では、ビームがわずかな量(通常はそのスパンの1/360番目以下)でのみ偏向し、床を整え、歩くのが快適で、安全であることを保証できます。
飛行機の翼と胴体パネルは非常に硬くなければならないので、飛行中はあまり曲がりません。エンジニアは、材料の剛性を塞ぎます(アルミニウムの場合は70 GPA、チタンの場合は105 GPA、カーボンファイバー複合材料の場合は最大150 GPAの範囲で、ヤングモジュラス、E-範囲)。これにより、適切な厚さと内部サポートを選択できるように、飛行機は強いと光の両方を維持します。
同じ剛性要件が、すべてのグラムがカウントされるロケットや衛星にさらに厳密に適用されます。非常に高いE(高度な複合材料の100 GPAを超える)を使用する材料を使用することにより、設計者は、発射または軌道中に機器を揺るがす可能性のある振動を予測および回避できます。簡単に言えば、eを知ることは、各部分がどれほど「弾力性のある」ものであるかを伝え、宇宙で危険な共鳴するものを確保するのに役立ちます。
カーボンファイバー複合材料は、非常に高い剛性(繊維に沿って最大120 GPAまでのヤングモジュラス)と非常に低い重量を組み合わせているため、スポーツ用品に称賛されます。特定の「レイアップ」で炭素繊維を方向付けることにより、メーカーは各アイテムの曲をチューニングします。したがって、スキーポールが荷物の下で曲がって抵抗し、自転車フレームはペダルの下で硬いと感じますが、道路の振動を吸収し、ゴルフクラブはあまりにも鞭打ちすることなく電力を供給します。
エレクトロニクスハウジングとスマートフォンのフレームは別の課題に直面しています。握りしめたり落としたりしたときに繊細なコンポーネントを保護するのに十分な剛性を保つ必要がありますが、割れを避けるためにわずかに屈曲しなければなりません。エンジニアはヤングモジュラスを使用して、薄い金属またはポリマーのシェルが日常の力の下でどれだけ曲がるかを予測し、軽微な弾性変形がスクリーンや内部回路に損傷を与えないようにします。
製造業者は、ヤング率を定期的にチェックして、材料が仕様を満たしていることを確認します。バッチ検証では、鋼鉄のバー、プラスチックペレット、または複合シートのサンプルが引張試験で引っ張られて、どれだけ硬いかを測定します。剛性(E)が期待値を約5%下回る場合、合金混合、プラスチック製の硬化プロセス、または汚染の問題を示すことができます。そのため、部品が作成される前にバッチ全体が拒否される可能性があります。
非破壊的な評価のために、企業はサンプルを切り取る代わりに超音波を使用します。センサーは、パイプ、レール、または鍛造を通して音波を送信し、波の速度vを測定します。
エンジニアはその場で剛性を計算できます。この迅速なインラインチェックは、早期に欠陥をキャッチし、時間を節約し、費用のかかる失敗を回避します。
最新のエンジニアリングは、コンピューターモデルに依存して、これがこれまでに構築される前に部品や構造がどのように動作するかを確認します。有限要素分析では、ソフトウェアはデザインを何千もの小さな断片に分割し、各素材の剛性(Youngのモジュラス、E)を使用して、それらのピースが現実世界の負荷で曲がったり、伸びたり、振動するかを予測します。正確なE値は、モデルが現実的なたるみ、「ホットスポット」、および自然な振動周波数を示すことを意味します。
強度をチェックするだけでなく、デザイナーはトポロジーの最適化を使用して、最小重量の最大剛性のためにパーツを形作ります。コンピューターは材料のブロックから始まり、Eをガイドとして使用すると、負荷を運ぶために必要ではないものはすべて削除されます。結果は、多くの場合、過剰な材料なしで可能な限り最高のパフォーマンスを提供する軽量で有機的な外観の構造です。
実際には、ヤングモジュラスは本質的な材料特性です。金属、プラスチック、または複合材を切断、曲げ、または再構築しても変わることはありません。たとえば、ソリッドバーと同じスチールで作られたIビームはE値が高くなりませんが、その「I」形状は、より多くの材料が中性軸から遠く離れているため、曲げ抵抗を劇的に増加させます。その幾何学的効果は、ヤング率の変化ではなく、ビームの慣性モーメントに由来します。エンジニアがビーム、プレート、またはチューブをサイズすると、材料のE(各平方ミリメートルがどれほど硬いかを知るために)とセクションの慣性モーメント(その剛性がどのように分布するかを知るため)を組み合わせます。一緒に、これらの要因により、過度の垂れ下がったり曲げたりせずに重い負荷を運ぶ構造を設計することができます。

ヤングモジュラス(E)が張力または圧縮下で材料の剛性を測定するように、せん断弾性率(G)は、形状変化(せん断)の変形に対する抵抗を測定します。一方、バルク弾性率(K)は、すべての方向にゴム製のボールを絞り、ボリュームの変化を測定するなど、材料が均一な圧縮にどのように抵抗するかを定量化します。 3つすべてが弾性挙動を説明していますが、軸方向(e)、ねじれまたはせん断(g)、および容量(k)のさまざまな「モード」です。
等方性材料はすべての方向に予測可能に反応するため、これらの3つのモジュリは、ポアソンの比率(ν)を通じてリンクされます。これは、伸びたときに材料が横向きに「膨らむ」量を示す要因です。 e、g、k、またはνの2つを知ったら、他のものを計算し、モデルが一貫して張力、せん断、および圧縮をキャプチャするようにすることができます。

剛性とは、材料が耐荷重でどれほど弾力性が低下しないかということです。非常に硬い材料(高E)は、サービス負荷の下でかろうじて曲がります。ただし、剛性だけでは、その材料が破壊せずに高負荷を運ぶことができるか、失敗前にどれだけのエネルギーが吸収できるかはわかりません。
強度は、材料が永久変形(降伏強度)または骨折(究極の引張強度、UT)の前に耐えることができる最大応力を表します。強い材料は高負荷に抵抗しますが、それでも顕著に変形したり(あまり硬くない場合)、突然ひび割れしたりする可能性があります(あまり困難でない場合)。
靭性は強度と延性を組み合わせます。これは、破壊前に材料が吸収する体積あたりの総エネルギーです(ストレス - ひずみ曲線の下)。丈夫な材料は、高いストレスと大きな変形の両方を受ける可能性があり、壊滅的に失敗することなく衝撃を吸収します。しかし、非常に丈夫な素材でさえ、比較的柔軟性がある(剛性が低い)か、強度が中程度の場合、非常に大きな負荷をサポートできない場合があります。
| 財産 | それが測定するもの | それがどのように定量化されるか | 典型的なユニット | 他人との関係 |
| 剛性 | 弾性変形に対する耐性 | ヤングモジュラス、e | GPA(n/m²) | 高剛性≠高強度または靭性 - 偏向のみをコントロールします |
| 強さ | 降伏または骨折する前の最大応力 | 降伏強度;究極の引張強度(UTS) | MPA(n/m²) | 高強度≠高剛性または靭性 - 負荷容量をコントロールします |
| タフネス | 破壊前に吸収されるエネルギー | 応力 - ひずみ曲線下の面積。インパクトテスト | j/m³ | 高靭性には、強度と延性の両方が必要です。エネルギー吸収をコントロールします |
ヤングモジュラスを理解することは、適切な材料を選択し、構造的行動を予測し、業界全体で設計を最適化するために不可欠です。迅速な3D印刷でプロトタイプ化するか、完全な生産までスケーリングするかにかかわらず、材料の剛性に関する正確な知識により、パフォーマンス、安全性、費用効率が保証されます。 Chiggoは、3D印刷を含む幅広い製造機能を提供します。CNC加工すべてのプロトタイピングと生産ニーズのために、その他の付加価値サービス。詳細については、当社のウェブサイトにアクセスしてくださいまたは無料の見積もりをリクエストする。
産業用途では、金属の選択は、強度、硬度、密度などの機械的特性だけでなく、熱特性にも影響されます。考慮すべき最も重要な熱特性の1つは、金属の融点です。 たとえば、炉のコンポーネント、ジェットエンジン燃料ノズル、排気システムは、金属が溶けた場合に壊滅的に失敗する可能性があります。結果として、オリフィスの詰まりやエンジンの故障が発生する可能性があります。融点は、製錬、溶接、鋳造などの製造プロセスでも重要です。ここでは、金属が液体の形である必要があります。これには、溶融金属の極端な熱に耐えるように設計されたツールが必要です。金属は、融点以下の温度でクリープ誘発性の骨折に苦しむ可能性がありますが、デザイナーはしばしば合金を選択するときにベンチマークとして融点を使用します。 金属の融点は何ですか? 融点は、固体が大気圧下で液体に移行し始める最も低い温度です。この温度では、固形相と液相の両方が平衡状態で共存します。融点に達すると、金属が完全に溶けるまで追加の熱は温度を上げません。これは、相変化中に供給される熱が融合の潜熱を克服するために使用されるためです。 異なる金属には、融点が異なり、原子構造と結合強度によって決定されます。しっかりと詰め込まれた原子配置を備えた金属は、一般に融点が高くなります。たとえば、タングステンは、3422°Cで最高の1つです。金属結合の強度は、原子間の引力を克服し、金属を溶かすために必要なエネルギーの量に影響します。たとえば、プラチナや金などの金属は、結合力が弱いため、鉄やタングステンなどの遷移金属と比較して融点が比較的低いです。 金属の融点を変更する方法は? 金属の融点は、通常の条件では一般に安定しています。ただし、特定の要因は特定の状況下でそれを変更できます。 1つの一般的な方法はです合金 - 純粋な金属に他の要素を加えて、異なる融解範囲の新しい材料を形成します。たとえば、スズを銅と混合して青銅を生成すると、純粋な銅と比較して全体的な融点が低下します。 不純物また、顕著な効果を持つこともできます。微量の外部要素でさえ、物質に応じてより高くまたは低い融解温度を崩壊させ、融解温度をシフトする可能性があります。 物理的な形問題も同様です。ナノ粒子、薄膜、または粉末の形の金属は、表面積が高く原子挙動の変化により、バルクの対応物よりも低い温度で溶けます。 ついに、極度の圧力原子がどのように相互作用するかを変えることができ、通常、原子構造を圧縮することで融点を上げます。これは日常のアプリケーションではめったに懸念事項ではありませんが、航空宇宙、深海掘削、高圧物理学研究などの高ストレス環境の材料選択と安全性評価における重要な考慮事項になります。 金属および合金の融点チャート 一般的な金属と合金の融点 金属/合金融点(°C)融点(°F)アルミニウム6601220真鍮(Cu-Zn合金)〜930(構成依存)〜1710ブロンズ(Cu-SN合金)〜913〜1675炭素鋼1425–15402600–2800鋳鉄〜1204〜2200銅10841983年金10641947年鉄15382800鉛328622ニッケル14532647銀9611762ステンレス鋼1375–1530(グレード依存)2500–2785錫232450チタン16703038タングステン〜3400〜6150亜鉛420787 金属融点の完全なリスト(高さから低い) 金属/合金融点(°C)融点(°F)タングステン(w)34006150Rhenium(re)31865767オスミウム(OS)30255477タンタル(TA)29805400モリブデン(MO)26204750ニオビウム(NB)24704473イリジウム(IR)24464435ルテニウム(ru)23344233クロム(CR)1860年3380バナジウム(V)1910年3470ロジウム(RH)1965年3569チタン(TI)16703040コバルト(co)14952723ニッケル(NI)14532647パラジウム(PD)15552831プラチナ(PT)17703220トリウム(TH)17503180ハステロイ(合金)1320–13502410–2460インコルエル(合金)1390–14252540–2600インコロイ(合金)1390–14252540–2600炭素鋼1371–15402500–2800錬鉄1482–15932700–2900ステンレス鋼〜1510〜2750モネル(合金)1300–13502370–2460ベリリウム(be)12852345マンガン(MN)12442271ウラン(u)11322070カプロニッケル1170–12402138–2264延性鉄〜1149〜2100鋳鉄1127–12042060–2200ゴールド(au)10641945年銅(cu)10841983年シルバー(AG)9611761赤い真鍮990–10251810–1880ブロンズ〜913〜1675黄色の真鍮905–9321660–1710海軍本部の真鍮900–9401650–1720コインシルバー8791614スターリングシルバー8931640マンガンブロンズ865–8901590–1630ベリリウム銅865–9551587–1750アルミブロンズ600–6551190–1215アルミニウム(純粋)6601220マグネシウム(mg)6501200プルトニウム(PU)〜640〜1184アンチモン(SB)6301166マグネシウム合金349–649660–1200亜鉛(ZN)420787カドミウム(CD)321610ビスマス(bi)272521バビット(合金)〜249〜480スズ(sn)232450はんだ(PB-SN合金)〜215〜419セレン(SE)*217423インジウム(in)157315ナトリウム(NA)98208カリウム(K)63145ガリウム(GA)〜30〜86セシウム(CS)〜28〜83水銀(HG)-39-38 重要なテイクアウト: タングステン、レニウム、タンタルなどの高融点金属は、極端な熱アプリケーションに不可欠です。これらの金属は、過酷な炉と航空宇宙環境に構造的完全性を保持しています。モリブデンも融解に抵抗し、高温炉の建設に非常に価値があります。 鉄、銅、鋼などの中溶融点金属は、管理可能な融解温度と良好な機械的または電気的特性を組み合わせて、建設、工具、電気システムに汎用性があります。 ガリウム、セシウム、水銀、ブリキ、鉛などの低融点金属は、はんだ、温度計、低融合合金などの特殊な用途にとって価値があります。
金属スプーンについて考えてください。ハンドルを軽く押すと、少し曲がりますが、手放すとすぐに戻ってきます。ただし、より強く押すと、スプーンが永続的な曲がり角になります。その時点で、あなたはスプーンの降伏強度を通り過ぎました。この記事では、降伏強度の意味、引張強度や弾性限界などの関連するアイデアとどのように比較されるか、そしてそれが現実の世界で重要な理由を探ります。また、降伏強度と一般的な材料の典型的な値に影響を与える要因についても見ていきます。 降伏強度とは 降伏強度は、材料が永続的に変形し始める応力レベルです。簡単に言えば、それは素材が跳ね返り(弾性挙動)を止め、完全に逆転しない方法で曲げまたは伸びを開始するポイントです。降伏強度の下で、力を除去すると、材料は元の形状に戻ります(その長さに戻るスプリングのように)。降伏強度を超えて、材料は永遠に変化します。 これをよりよく理解するために、ストレスと緊張という2つの重要な用語を分解しましょう。ストレスは、断面領域で割った材料、または単に材料内の力の強度に加えられる力です。あなたはそれを圧力と考えることができますが、ストレスは外部のプッシュではなく内部反応を説明します。ひずみとは、長さの変化を元の長さで割ったように計算される材料の変化の形状です。ひずみに対するストレスをプロットすると、aが取得されますストレス - ひずみ曲線これは、負荷が増加するにつれて材料がどのように動作するかを示しています。 ストレス - ひずみ曲線の初期の部分では、材料は弾力的に振る舞います。ストレスとひずみは比例し(フックの法則の下で直線)、荷重が除去されると材料は元の形状に戻ります。この領域の終わりは弾性限界です。降伏強度は、この移行を弾性の挙動からプラスチックの挙動に示し、可逆的な変形と不可逆的な変形の境界を定義します。 軟鋼のような多くの延性金属の場合、この移行は鋭いものではなく徐々にです。降伏強度を一貫して定義するために、エンジニアはしばしば0.2%のオフセット方法を使用します。それらは、曲線の弾性部分に平行なラインを描画しますが、0.2%のひずみによってシフトします。この線と交差する点は、曲線と交差する点が降伏強度としてとられます。これは、明確な降伏点が存在しない場合でも、降伏強度を測定するための実用的で標準化された方法を提供します。 降伏強度と引張強度 定義したように、降伏強度は、材料が永続的に変形し始めるストレスです。しばしば究極の引張強度(UTS)と呼ばれる引張強度は、材料が壊れる前に耐えることができる最大応力です。その点に達すると、材料は追加の負荷を運ぶことができなくなり、すぐに骨折が続きます。 どちらも材料がストレスにどのように反応するかを説明しますが、それらは異なる限界を表しています。降伏強度は永久変形の開始を示しますが、引張強度は限界点を示します。たとえば、スチールロッドを引っ張ると、最初に伸長します。降伏強度を通り過ぎると、永続的な伸びが必要です。張力強度に達するまで続けてください。そうすれば、ロッドは最終的にスナップします。 実用的な設計では、エンジニアは、コンポーネントが持続的な損傷をせずに機能的なままでなければならないため、降伏強度に重点を置いています。引張強度は依然として重要ですが、通常、使用中には決して発生しない故障条件を示します。 引張強度に加えて、降伏強度は、しばしば他の2つの概念と混同されます。 弾性制限:弾性制限は、荷重が除去されると、元の形状に完全に戻っている間に材料が取ることができる最大応力です。この制限以下では、すべての変形は弾力性があり、可逆的です。多くの場合、弾性限界は降伏強度に非常に近いため、2つは同じように扱われます。弾性制限は正確な物理的境界を示しますが、降伏強度は一貫して測定して安全な設計に使用できる標準化されたエンジニアリング値を提供します。 比例制限:この用語は、応力 - 伸縮曲線の線形部分に由来します。比例制限は、フックの法則に従って、ストレスと緊張が直接的な割合で増加するポイントです。通常、弾性制限と降伏強度の両方の前に発生します。この点を超えて、曲線は曲がり始めます。関係はもはや完全に線形ではありませんが、材料はまだ弾力性があります。 降伏強度に影響を与える要因 降伏強度は固定されたままではありません。いくつかの材料と環境要因に応じて変化する可能性があります。ここに最も一般的なものがあります: 材料組成(合金要素) 金属の構成は、その降伏強度に大きな影響を与えます。金属では、合金要素を追加すると、それらを強くすることができます。たとえば、炭素、マンガン、クロムなどの元素が添加されると、鋼は強度を獲得しますが、炭素が多い場合も脆弱になります。アルミニウム合金は、銅、マグネシウム、亜鉛などの元素から強度を得ます。これらの追加により、金属内に脱臼の動きをブロックする小さな障害物(プラスチック変形の原子レベルのキャリア)が生じ、降伏強度が高まります。簡単に言えば、金属の「レシピ」により、曲がりが難しくなり、簡単になります。そのため、ソーダ缶のアルミニウムは柔らかく柔軟であり、航空機の翼のアルミニウムは他の金属と混合しているため、降伏強度がはるかに高くなっています。 粒サイズ(微細構造) 一般に、穀物が小さいことはより高い強度を意味し、ホールとペッチの関係によって記述されている傾向です。その理由は、穀物の境界が転位運動の障壁として機能するため、より細かい粒子はより多くの障害物を生み出し、金属をより強くすることです。冶金学者は、制御された固化または熱機械処理を通じて穀物のサイズを改良します。たとえば、多くの高強度の鋼と超合金は非常に細かい穀物で設計されており、非常に大きな穀物を持つ金属がより簡単に収量する傾向があります。 熱処理 金属の加熱と冷却の方法は、その構造を変えることができ、したがってその降伏強度を変えることができます。アニーリング(遅い加熱と冷却)金属を柔らかくし、降伏強度を低下させ、内部応力を緩和することにより延性を引き出します。消光(水または油の急速な冷却)は、構造を硬くてストレスのある状態にロックし、降伏強度を大幅に増加させますが、金属を脆くします。バランスを回復するために、クエンチングの後に続くことがよくあります気性、タフネスを改善する中程度の再加熱ステップ。 適切な熱処理を選択することにより、メーカーはアプリケーションに応じて金属をより硬く、または柔らかくすることができます。たとえば、スプリングスチールは高降伏強度を達成するために処理されるため、変形せずに曲げることができますが、スチールワイヤーは最初にアニールされ、簡単な形をしてから後で強化します。 製造プロセス(コールドワーク) 材料が機械的にどのように処理されるかは、降伏強度を変えることもできます。コールドワーク(コールドローリングやコールドドローイングなど、室温で金属を変形させる)は、作業硬化と呼ばれるメカニズムを介して降伏強度を高めます。金属を卑劣に変形させると、その結晶構造に転位と絡み合いを導入します。これが、コールドロールスチールが通常、ホットロールされた(作業中ではない)状態で同じスチールよりも高い降伏強度を持っている理由です。 温度と環境 経験則として、ほとんどの金属は高温で降伏強度を失います。熱は金属を柔らかくするので、力を少なくして変形させることができます。非常に低い温度では、一部の材料はより脆くなります。粗末に変形する能力は減少するため、降伏応力は技術的な意味で増加する可能性がありますが、収量よりも骨折する可能性が高くなります。 腐食や放射線などの環境要因も材料を分解する可能性があります。腐食はピットを作成したり、断面積を減らしたりし、収量する前に構造が処理できる荷重を効果的に削減します。たとえば、錆びた鋼鉄の梁は、腐食されていない荷物よりも低い負荷の下で生成される可能性があります。これは、その有効厚さが減少し、錆からマイクロクラックがストレスを集中させる可能性があるためです。 異なる材料の降伏強度 ストレス - ひずみ曲線は、異なる材料が荷重にどのように反応するかを比較する簡単な方法を提供します。上の図では、4つの典型的な動作を見ることができます。応力が増加するにつれてそれぞれが異なって反応し、その降伏強度はそれらの違いを反映します。 脆性材料:ガラスやセラミックなどの脆性材料は、塑性変形がほとんどありません。彼らは突然骨折するまでほぼ直線に従います。彼らの降伏強度は、彼らが実際に「収量」していないからです。 強いが延性材料ではない:高強度鋼などの一部の材料は、高いストレスに耐えることができますが、延性が限られていることを示します。彼らは高降伏強度を持っています。つまり、永続的な変形によく抵抗しますが、壊れる前にあまり伸びません。 延性材料:軟鋼やアルミニウム合金などの金属は延性があります。それらは特定の応力レベルで屈し、その後、壊れる前に著しい塑性変形を受けます。彼らの降伏強度は、究極の引張強度よりも低く、エンジニアに設計するための安全な「バッファーゾーン」を提供します。 プラスチック材料(ソフトポリマー):ソフトプラスチックとポリマーの降伏強度は比較的低いです。それらは小さなストレスの下で簡単に変形し、明確な降伏点を示さない場合があります。代わりに、それらは骨折への鋭い移行を示すことなく着実に伸びています。 これらの一般的な行動は、実際の降伏強度値を見るとより明確になります。以下の表には、一般的なエンジニアリング材料と比較のための典型的な降伏強度が示されています。 材料降伏強度(MPA)鋼鉄〜448ステンレス鋼〜520銅〜70真鍮〜200+アルミニウム合金〜414鋳鉄〜130典型的な降伏強度値 現実世界で降伏強度が重要な理由 降伏強度は、荷重の下に形状を保持するために材料が必要なときはいつでも重要です。ここにそれが重要な役割を果たすいくつかの領域があります: 建設とインフラストラクチャ 建物や橋では、高降伏強度のために鋼鉄の梁やその他の金属部品が選択されているため、車両、風、さらには地震からの重い荷物を曲げたり、垂れ下げたりすることなく運ぶことができます。通常の使用中にビームが生成された場合、構造の安全性は危険にさらされます。そのため、エンジニアは常にストレスを降伏点をはるかに下回るマージンで設計します。 自動車の安全 現代の車は、衝突中に制御された方法で生成するように設計されたクランプルゾーンを使用します。衝撃力がフロントパネルまたはリアパネルの降伏強度を超えると、これらの領域は、完全な力を乗客に渡すのではなく、永久変形を通してエネルギーをしゃがみ、吸収します。同時に、キャビンは、居住者を保護したままにして、降伏に抵抗する高強度の材料で補強されます。 航空宇宙と輸送 航空機の着陸装置は、永久に曲がることなくタッチダウンの衝撃に耐える必要があります。胴体と翼は、材料が十分な降伏強度を欠いている場合に損傷を引き起こす繰り返しの加圧サイクルと空力的な力に直面します。強度と低重量のバランスをとるために、エンジニアはしばしばアルミニウムやチタンなどの高度な合金に目を向けます。同じ原則は、レールや船体の列車に適用されます。船体は、激しい使用の下で硬直し、永続的な曲がり角やへこみに抵抗する必要があります。 毎日の製品 レンチやドライバーなどの高品質のツールは、高利回りの強さの鋼で作られているため、通常の使用で曲がらないようにしますが、ストレスが降伏強度を超えると、より安価なツールはしばしば恒久的な曲がりを伸ばします。同じアイデアがシンプルなコートハンガーで見ることができます。軽い荷重が戻ってきますが、重い荷物や鋭い曲がりは降伏点を超えて押し進め、形状の永続的な変化を残します。降伏強度は、自転車フレームのような大きなアイテムの設計も導きます。これは、ライダーの重量を運ぶ必要があり、形を屈することなくバンプを吸収する必要があります。 Chiggoを使用して作業します 正確な降伏強度値を日常的なアプリケーションに要求する軽量航空宇宙コンポーネントを設計する場合でも、Chiggoはそれを実現するための専門知識と製造機能を提供します。私たちのチームはAdvancedを組み合わせていますCNC加工、3Dプリント、および深い材料の知識を備えた射出成形を使用して、あなたの部品が意図したとおりに正確に機能することを保証します。今すぐCADファイルをアップロードして、すぐに見積もりを取得してください!
エンジニアが「ストレス」について話すとき、それらは試験不安や仕事の圧力とは非常に異なるものを意味します。ここで、ストレスは材料内の単位面積あたりの内部力です。輪ゴムを伸ばすか、綱引きでロープを引っ張ると、緊張したストレスが動作しているのが見られます。 この記事では、引張応力が何であるか、圧縮応力や引張強度、重要な式、およびChiggoがこれらの考慮事項を現実世界の製造にどのように考慮するかとはどのように異なるかを説明します。 引張応力とは何ですか? 引張応力は、材料がそれを引き離そうとするときにどのように反応するかを説明します。それにより、材料が印加された荷重の軸に沿って伸びます。正式には、適用された力fを断面領域で割ったものとして定義され、その力に垂直です。 引張応力と圧縮応力 引張応力は、圧縮応力の反対です。力は、力がオブジェクトを伸ばすか延長するように作用するときに発生しますが、力はそれを絞ったり短くしたりするときに圧縮されます。固体の金属バーを想像してください:両端を引っ張ると、緊張したストレスが発生し、わずかに伸びます。まるでその長さに沿って押しつぶすようにするかのように、両端を押して、バーは圧縮されたストレス、短縮、または膨らみを経験します。 これらのストレスは、構造のさまざまな部分で同時に発生する可能性があります。たとえば、人や機械がコンクリートの床スラブを横切って移動すると、スラブの上面が圧縮に押し込まれ、底面が張力が伸びます。底部の引張応力が高すぎると、亀裂が現れる可能性があります。そのため、エンジニアは緊張に抵抗するために鉄の補強材を置きます。 引張応力と引張強度 引張応力材料は、単位面積あたりの力として表される特定の瞬間に経験されている荷重です。適用された力に応じて上昇し、落ちます。抗張力対照的に、固定された材料特性です。これは、材料が降伏または破損する前に処理できる最大引張応力です。 実際には、エンジニアは2つを常に比較しています。部分の実際の引張応力が引張強度を下回っている場合、部品はわずかに伸びますが、そのままのままです。ストレスが強度を超えると、障害が発生します。そのため、設計には常に安全マージンが含まれており、実世界のストレスが選択された材料の既知の強度をはるかに下回っていることを保証します。 引張応力式 引張応力は、材料が伸びるときに内部力を測定します。単純な式で計算されます。 σ= f / a どこ: σ=引張応力(Pascals、MPA、またはPSI) f =適用力(ニュートンまたはポンド) a =横断面積(mm²またはin²) この方程式は、引っ張り力がどれほど集中しているかを教えてくれます。より高い負荷またはより小さな断面積は、より高い応力を生成します。たとえば、薄いワイヤに吊り下げられた同じ重量は、厚いケーブルよりもはるかに多くのストレスを生成します。これが、エンジニアがケーブル、ロッド、または梁のサイズをサイズして、使用されている材料の安全な制限をはるかに下回るストレスを維持する理由です。 しかし、この式はストレスの数値を与えてくれますが、材料自体がどのように反応するかは明らかにしません。突然スナップしたり、永久に曲げたり、元の形状に戻ったりしますか?それに答えるために、エンジニアはストレスとひずみ曲線に依存しています。 ストレス - ひずみ曲線を理解する 応力 - ひずみ曲線を作成するために、テスト標本(多くの場合、ドッグボーン型)を引張試験機に配置します。マシンは各端をつかみ、徐々にそれらを引き離し、サンプルが壊れるまで伸びます。このプロセス中、適用された応力と結果のひずみ(元の長さに対する長さの変化)の両方が連続的に測定されます。 結果は、X軸にひずみとY軸にストレスをかけてプロットされます。この曲線では、いくつかの重要なポイントを特定できます。 弾性領域 最初は、ストレスとひずみは比例します。これは、Hookeの法則が適用される弾性領域(σ=e≤ε)です。この線形セクションの勾配はです弾性率(ヤングモジュラス)、剛性の尺度。この領域では、荷重が削除されると、材料は元の形状に戻ります。 降伏点 負荷が増加すると、曲線は直線から出発します。これは、弾性挙動が終了し、プラスチック(永久)変形が始まる降伏点です。この点を超えて、荷重が削除されていても、材料は元の形状を完全に回復することはありません。 究極の引張強度(UTS) 曲線はプラスチック領域に上方に続き、ピークに達します。この最高点は、究極の引張強度(UTS)です。これは、ネッキング(局所的な薄化)が始まる前に材料が耐えることができる最大応力を表します。 破壊点 UTSの後、曲線は標本の首が下に傾斜し、それほど多くの負荷を運ぶことができなくなります。最終的に、材料は破壊点で壊れます。延性材料の場合、骨折のストレスは通常、ネッキングのためにUTよりも低くなります。脆性材料の場合、骨折は弾性限界近くで突然発生する可能性があり、プラスチックの変形はほとんどまたはまったくありません。 引張応力の実際のアプリケーション 材料が引っ張られたり、ハングしたり、伸びたりする状況では、引張応力が負荷を安全に運ぶことができるか、失敗するかを決定します。いくつかの重要なアプリケーションと例を次に示します。 橋と建設 ゴールデンゲートブリッジのようなサスペンションブリッジを考えてください。塔の間に覆われた巨大なスチールケーブルは、一定の引張応力下にあり、道路と車両の重量を支えています。エンジニアは、これらのケーブルの高張力強度鋼を選択して、重い荷重に加えて風や地震などの余分な力を失敗させることなく処理できます。また、現代の建設は緊張を巧みに利用しています。たとえば、プリストレスのあるコンクリートでは、鋼腱が埋め込まれて伸びているため、ビームが荷重を安全に処理できるようにします。 ケーブル、ロープ、チェーン 多くの日常のシステムは、引張ストレスに直接依存しています。たとえば、エレベーターを取り上げます。そのスチールケーブルは一定の張力であり、車の重量だけでなく、加速または停止するときに余分な力を運びます。クレーンは同じ原則に基づいて動作し、高張力ケーブルを使用して重い荷重を安全に持ち上げて移動させます。ギターのような単純なものでさえ、引張ストレスが機能しています。チューニングペグをよりタイトにするほど、ひもの張力が大きくなります。 機械とボルト 機械工学では、引張応力も同様に重要です。飛行機または車のエンジンのボルトとネジは、わずかに伸びています。結果として生じる引張応力は、部品を保持するクランプ力を作成します。ボルトが過度にストレスをしている場合(締めたときにトルクが大きすぎる、または使用中の過剰な負荷)、それは降伏して失敗する可能性があり、潜在的にマシンがバラバラになります。そのため、ボルトは収量と引張強度を示すグレードによって評価され、重要なボルトが指定された緊張に引き締まる理由です。 引張ストレスをチグゴの製造サービスに統合します 引張ストレスの理論を知ることは1つのことですが、実際の負荷の下で実行される部品の設計も別です。チグゴでは、そのギャップを埋めます。 私たちのチームは、CNCの機械加工、射出成形、シートメタル、3D印刷であなたをサポートし、すべての段階に強度の考慮事項が統合されています。プロトタイプを開発するか、生産に合わせてスケーリングするかにかかわらず、適切な素材とプロセスを選択して、パフォーマンスの要件を満たし、費用のかかる障害を回避します。 材料の選択 障害に対する最初の保護手段は、適切な材料を選択することです。 Chiggoでは、リストされているすべての合金とポリマーには、サプライヤーデータに裏打ちされた引張と降伏強度などの検証済みの機械的特性があり、必要に応じて認定をテストします。 これは、エンジニアがコストや終了だけでなく、負荷の下で実証済みの強度でオプションを比較できることを意味します。たとえば、アルミニウム6061-T6と7075-T6を決定する場合、特にブラケット、ハウジング、またはその他の荷重含有コンポーネントの場合、引張強度は重要なフィルターになります。 CNC加工 […]
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