強度と. タフネス

1. 導入

材料科学と工学の世界, さまざまな条件下での材料のパフォーマンスに直接影響する2つの重要な特性は 強さ そして タフネス.

これらのプロパティは、材料がストレスの下でどのように振る舞うかを決定する上で重要な役割を果たします, インパクト, または長期使用.

それらはしばしば交換可能に使用されますが, 強度と. 靭性とは、明確な特性を指します
さまざまなアプリケーションで材料の選択と設計に異なる意味を持っています.

構造を設計するとき, 高層ビルなど, 高い 強さ 計り知れない負荷を負担するには必要です.

一方で, 車両バンパーやクラッシュゾーンのような安全性のある部品を設計するとき, タフネス 材料が破壊せずに衝撃エネルギーを吸収することを保証するために最も重要です.

このブログで, 重要な定義を検討します, 違い, これらの重要な材料特性の実際のアプリケーション.

2. 強さは何ですか?

強さ 適用された応力下での変形または故障に抵抗する材料の能力を指す基本的な材料特性です.

それは、材料が生み出し始める前にどれだけの力に耐えることができるかを測定します (永久に変形します), 壊す, または骨折.

本質的に, 強さは、バラバラにならずに外力に耐える材料の能力を決定する.

主要なタイプの強度:

• 抗張力:

• • 究極の引張強度 (UTS): 壊れる前に伸ばしたり引いたりしている間に材料が処理できる最大応力.
    これは、ストレス - ひずみ曲線の最高点を表し、伸縮力に耐える材料の能力を示しています.
  • 降伏強度: 材料が粗末に変形し始めた応力レベル, 意味応力が除去されても、元の形状に戻らないことを意味します.
    これは、負荷をかけるアプリケーション用の材料を設計する際の重要なプロパティです.

• 圧縮強度:
• • 圧縮強度とは、軸方向の圧縮荷重に耐える材料の能力を指します, 材料が伸びるのではなく圧縮されている場合.
    列にとって特に重要です, 構造コンポーネント, またはコンクリートの基礎などのコンポーネント, 圧縮力を経験します.
• せん断強度:

• • せん断強度は、表面に平行に適用される滑り力に抵抗する材料の能力です.
    それは、せん断力が一般的である可能性のあるファスナーとジョイント構造で使用される材料で特に重要です.
• 曲げ強度 (破裂の弾性率):

• • 破裂の曲げ強度または弾性率は、壊れずに曲げ力に抵抗する材料の能力を測定します.
    特に梁に関連しています, プレート, サービス中に曲げを経験する他の構造要素.
• ねじり強度:

• • ねじり強度は、ねじれまたは回転力に対する材料の抵抗の尺度です, 機械システムのシャフトやギアなどの部品にとって重要.

強度に影響する要因:

• 材料組成: 材料の化学的構成, 鋼の炭素量など, その強さにおいて大きな役割を果たします. 一般に、炭素含有量が多いほど強度が向上します.
• 微細構造: 内部構造, 穀物サイズと位相分布を含む, 材料が外部応力にどのように反応するかを決定します.
  より細かい穀物は通常、より高い強度に寄与します.
• 熱処理: クエンチングなどのプロセス, 焼き戻し, またはアニーリングは、材料の微細構造を変更して、強度を強化するかリラックスさせることで強度を高めます.
• 作業硬化: 低温での変形は、原子の動きを妨げる脱臼を導入することにより強度を高めます.
• コールドワーク: 材料の再結晶温度以下の機械的変形は、ひずみ硬化により強度を高めます.

測定: 強度は通常、などの機械的テスト方法を使用して測定されます 引張試験, 圧縮テスト, そして せん断試験.
これらのテストは、不可逆的に破壊または変形する前に材料が耐えることができる最大ストレスを決定するのに役立ちます.

強さの重要性:

• 構造的完全性: 強度は、材料が壊れたり故障したりせずに印加された荷重をサポートできることを保証します.
• 材料の選択: 材料強度を理解することで、エンジニアは負荷とパフォーマンスの要件に基づいて特定のアプリケーションに適した材料を選択できます.
• 設計上の考慮事項: 筋力データエイジャーさまざまなアプリケーションに必要な仕様を満たす材料を設計するエンジニア, 耐久性と安全性を確保します.
• 安全性: 高強度材料は、重要な用途での壊滅的な障害のリスクを減らします, 構造とコンポーネントの安全性に貢献します.

3. タフネスとは何ですか?

タフネス 材料がエネルギーを吸収し、破壊することなく卑劣に変形する能力です.
多くの場合、衝撃や衝撃の負荷を吸収し、亀裂の伝播に耐える材料の能力として説明されています.

靭性は、強度と延性の両方を組み合わせます, これにより、材料は故障前にエネルギーを吸収できます.

タフネスの重要な側面:

• エネルギー吸収: 靭性は、材料が骨折する前に材料がどれだけのエネルギーを吸収できるかを定量化します.
  このエネルギーは、骨折のポイントまでの応力 - ひずみ曲線の下の領域でしばしば表されます, 材料が故障し始めた場所.
• 強度と延性の組み合わせ: 強さとは異なり, これは、変形に抵抗する材料の能力に関係しています,
  タフネスは、両方の強度に依存する複合プロパティです (素材がどれだけのストレスに耐えることができるか) と延性 (破壊する前に卑劣に変形する材料の能力).

タフネスの種類:

• 骨折の靭性:
• • 臨界応力強度係数 (K_IC): これにより、材料の耐性が伝播することを測定します.
    材料が既存の亀裂の広がりにどれだけ抵抗できるかを示しています, 欠陥や亀裂がある可能性のある資料を扱う際の重要なプロパティ.
• 衝撃の靭性:

• • 衝撃靭性は通常、次のようなテストを使用して測定されます シャルピー または izod テスト, 衝撃からエネルギーを吸収する材料の能力を評価する.
    ノッチのサンプルは、振り回す振り子に打たれます, そして、骨折前に吸収されるエネルギーが測定されます.

靭性に影響する要因:

• 材料組成: 材料の合金要素は、その靭性に影響を与える可能性があります.
  例えば, 鋼にニッケルを追加すると、その靭性が大幅に向上する可能性があります, 特に低温で.
• 微細構造: 原子の配置, 穀物, 材料内の位相は、靭性に影響します.
  大丈夫, 均一な穀物は通常、靭性を増加させます, 粗い穀物や脆性相の存在はそれを減らすことができますが.
• 温度: 靭性は温度によって異なります. 室温で硬い材料は低温でも脆くなる可能性があります, 彼らのタフネスを減らします.
• ひずみ速度: 材料が変形する速度もその靭性に影響を与える可能性があります. 急速な変形は、材料がより脆くなることがある場合があります.
• 熱処理: アニーリングプロセスは、材料をより延性させることで靭性を高めることができます, 一方、プロセスの消光は強度を高める可能性がありますが、靭性を低下させる可能性があります.
• 包含と不純物: 非金属包含物の存在, 硫化物や酸化物など, ストレス濃縮器として機能することができます, 亀裂を開始することにより、靭性を低下させます.

測定: 靭性は一般に測定されます インパクトテスト, など Charpy V-Notchテスト または IZODインパクトテスト,
そして 破壊靭性テスト のように シングルエッジノッチベンド (上院議員) または コンパクトな張力 (CT) テスト.

タフネスの重要性:

• 安全性: 材料を経験するアプリケーションでは、タフネスが重要です。,
  壊滅的な故障を防ぐのに役立ち、材料が粉砕されるのではなく、制御された方法で変形することを保証するため.
• 疲労抵抗: タフな材料は、亀裂の開始と伝播に抵抗するのに優れています, これにより、材料のサービス寿命が大幅に向上する可能性があります.
• 耐衝撃性: 自動車や航空宇宙などの業界で, 靭性は、突然の負荷や衝撃にさらされる部品に不可欠です, バンパーなど, 機体, およびクラッシュコンポーネント.
• 亀裂停止: タフな素材は亀裂の伝播を停止または遅くすることができます, これは、時間の経過とともに構造の完全性を維持する上で重要です.

靭性を高める:

• 材料の選択: タフネスで知られている材料を選択してください, 特定のステンレス鋼など, アルミニウム合金, またはポリマー複合材料.
• 合金設計: 両方の特性を強化するために、強度と延性のバランスの取れた組み合わせで合金を開発します.
• 熱処理: アニーリングまたはその他のプロセスを使用して、材料の延性を高め、靭性を改善する.
• 微細構造工学: 靭性を最適化するために、粒度と位相分布を制御します.
• 添加物: 鋳鉄のグラファイトや鋼のニッケルなどの要素を追加して、強度をあまり妥協することなく靭性を高める.

4. 強度と靭性の重要な違い

強度と靭性は両方とも、材料がさまざまな種類のストレスや株にどのように反応するかを定義する重要な特性です.

それらは密接に関連していますが, それらは、測定方法と材料の行動における彼らの役割の点で根本的に異なります.

強度と強度の重要な違いの詳細な内訳は次のとおりです. タフネス:

測定:

• 強さ: 強度は通常、次のような機械的テストによって測定されます:

• • 引張試験: 材料が伸ばしたときにどれだけの力に耐えることができるかを決定する.
  • 圧縮テスト: 圧縮力に耐える材料の能力を測定します.
  • せん断試験: 表面に平行に適用される力に抵抗する材料の能力を評価する.

• タフネス: 靭性は、骨折前にエネルギーを吸収する材料の能力をテストすることにより測定されます, 通常、次のような方法で行われます:

• • インパクトテスト (シャルピー, izod): ノッチ付きサンプルが揺れる振り子にさらされて、破壊中に吸収されるエネルギーを測定する.
  • 破壊靭性テスト: のようなテスト K_IC テスト材料の抵抗を測定して、ストレスの下で伝播を割る.

物質的な行動:

• 強さ: 高強度の材料は大きな負荷に耐えることができますが、ブレークポイントに到達すると突然失敗する傾向があります.
  これらの材料は、破壊する前に大幅に変形しない場合があります, つまり、それらは脆くなる可能性があります.

• • 例: のような材料 鋼鉄 そして チタン合金 高強度材料です, 失敗することなく高静的または動的荷重に抵抗する必要がある構造やコンポーネントに最適.

• タフネス: 靭性が高い材料は、壊れる前に塑性変形を起こすことにより、かなりの量のエネルギーを吸収できます.
  これは、彼らが影響に耐えることができることを意味します, 振動, または壊滅的な障害なしの周期的な負荷, 突然の力に耐える必要があるコンポーネントに理想的にする.

• • 例: ゴム, アルミニウム合金, そして 延性鋳鉄 タフネスで知られている材料の例です, 破壊するのではなく、変形によるエネルギーを吸収します.

延性vs. 脆さ:

• 強さ: 強力な素材はどちらかです 公爵 または 脆い. 延性材料 壊れる前に大幅に伸ばしたり変形したりすることができます, 一方 脆い材料 変形がほとんどない骨折.

• • 延性材料: 銅 そして アルミニウム.
  • 脆い材料: ガラス そして セラミックス.

• タフネス: 通常、丈夫な材料は延性があります. 彼らは失敗前に大幅な変形を受けます, これにより、より多くのエネルギーを吸収し、ひび割れに抵抗することができます.
  したがって, しばしば靭性は相関します 延性.
  タフネスが高い材料は、割れたり壊れたりせずに大量のエネルギーを吸収できます,
  これが、衝撃や衝撃にさらされる材料にとってタフネスが特に重要である理由です.

• • 厳しい素材: ゴム, ポリエチレン, そして 強化された鋼.

応力 - ひずみ曲線:

• 強さ: 応力 - ひずみ曲線, 強度は、曲線のピークで表されます.
  抗張力 そして 降伏強度 この曲線の重要なポイントです, 材料が故障または永続的な変形の前に耐えることができる最大応力を示す.
• タフネス: 靭性は、骨折の時点までの応力 - ひずみ曲線の下の総面積で表されます.
  エリアが大きいほど, 壊れる前に材料が吸収できるエネルギーが大きくなります.
  これはつまり タフネス 両方を考慮します 強さ (ストレスに対する抵抗) そして 延性 (変形する能力) 素材の.

強度と靭性を高める:

• 強さ: 強度を高めるため, 材料を受けることができます:

• • 合金: 他の要素を追加します (例えば。, 炭素, ニッケル, またはクロム) 強度を高めるため.
  • 熱処理: などのプロセス 消光, 焼き戻し, そして アニーリング 材料の強度を改善します.
  • コールドワーク: 低温での機械的変形は強度を高めます ひずみ硬化.

• タフネス: 靭性を改善するため, エンジニアはできます:

• • タフな素材を選択します: のような材料 鋼鉄 または アルミニウム合金 高い靭性のために特別に設計されています.
  • 熱処理: アニーリング 材料を柔らかくします, 延性を高め、靭性を改善します.
  • 合金設計: 特定の合金は、強度と靭性のバランスをとるために策定されています, のような 高強度の低合金鋼.

強さと靭性のトレードオフ:

よくあることを認識することが重要です トレード・オフ 強度と間の間. タフネス.

熱処理や合金などの方法を通じて強くなる材料は、より脆くなる可能性があります, その靭性を減らします.

逆に, 靭性を高めると、強度が低下する可能性があります, 材料がより延性し、変形を起こしやすくなる可能性があるため.

したがって, エンジニアリングデザイン, 強度と慎重にバランスをとることが不可欠です. アプリケーションの特定の要件に応じたタフネス.

5. 高強度と材料. 高いタフネス

エンジニアリングアプリケーション用の材料を選択するとき, 間のバランスを理解する 強さ そして タフネス 重要です.

両方のプロパティが重要です, しかし、それらの役割はアプリケーションの特定の要件によって異なります.

高強度材料

強度の高い材料は、かなりのストレスの下で変形と故障に抵抗するように設計されています.

これらの材料は、コンポーネントがかなりの負荷に耐えなければならないアプリケーションに最適です, 圧力, または永久的な変形または骨折のない力.

高強度材料の特性:

• ストレス下での変形に対する高い耐性.
• 故障前に大きな力に耐える能力.
• 通常、延性が少ない, つまり、それらは多くの変形なしに突然破壊する可能性があります.

一般的な高強度材料:

• チタン合金:

• • 強さ: チタン合金 最大の引張強度を達成できます 900 MPA, 要求の厳しい環境で優れたパフォーマンスを提供します.
  • アプリケーション: 航空宇宙コンポーネントで広く使用されています, 航空機のフレームとエンジン部品を含む, 強度と重量の比率のため,
    高い腐食抵抗, 高温でパフォーマンスを維持する能力.
  • 例: 商業旅客機はチタン合金を使用して、構造的完全性を維持しながら体重を減らします, 燃料効率の向上につながります.

• 炭素繊維強化ポリマー (CFRP):

• • 強さ: CFRP 引張強度を上回る 3,500 MPA, 利用可能な最も強力な素材の1つにします.
  • アプリケーション: 一般的に高性能スポーツ機器で使用されます, レーシング車両,
    および航空宇宙構造, CFRPは、強度と軽量の特性の優れた組み合わせを提供します.
  • 例: フォーミュラワン車は、シャーシや翼などのコンポーネントにCFRPを使用しています, 体重を最小限に抑えながら、強度とパフォーマンスを最適化します.

• ツール鋼:

• • 強さ: ツール鋼 上記の硬度レベルを達成できます 60 HRC, 極端な硬度と耐摩耗性を必要とするアプリケーションに理想的にする.
  • アプリケーション: 切削工具で使用されます, 死ぬ, ストレスの多い状態でもシャープネスと耐久性を維持する能力のためにカビ.
  • 例: 高速スチールツール, 機械加工操作で一般的に使用されます, 長期間にわたってシャープネスと耐久性を維持します.

• 高強度の低合金 (HSLA) 鋼:

• • 強さ: これらの鋼は、範囲の降伏強度を提供します 345 mpa to 550 MPA, 強さとコストの間の良いバランスを提供します.
  • アプリケーション: 建設での使用に最適です, 自動車, そして、強さが必要であるが費用対効果も重要なインフラストラクチャプロジェクトも重要です.
  • 例: HSLA鋼で構築された橋.

高タフネス材料

高タフネス材料は、破壊する前にかなりの量のエネルギーを吸収する能力で知られています.

これらの材料は、コンポーネントが突然の衝撃にさらされるアプリケーションで特に役立ちます, 動的荷重, または疲労.

これらの材料は常に高強度材料ほど強力ではないかもしれませんが, 彼らは、壊れることなく、より重大な変形に耐えることができます.

高タフネス材料の特性:

• 骨折前にエネルギーを吸収する高い能力.
• ひび割れずに著しいプラスチック変形を受ける可能性があります.
• 通常、より延性があります, つまり、壊れる前に曲がったり伸ばすことができます.

一般的な高粘着性材料:

• ゴム:

• • タフネス: ゴムは吸収できます 50 平方センチあたりのエネルギーのJ, ショックと振動を吸収するのに非常に効果的にします.
  • アプリケーション: 自動車タイヤで使用されます, アザラシ, ショックアブソーバー, ゴムの靭性により、繰り返しの変形と衝撃に耐えることができます.
  • 例: ゴム製の自動車タイヤは、道路の衝撃を吸収し、より良い牽引力を提供することにより、安全性と快適さの向上を提供します.

• アルミニウム合金:

• • タフネス: アルミニウム 良いタフネスを示します, 引張強度があります 90 MPAおよび伸長率を超えています 20%.
  • アプリケーション: アルミニウム合金は自動車で使用されています, 航空宇宙, 軽量とタフネスの組み合わせが必要な包装業界.
  • 例: 航空機の胴体は、多くの場合、アルミニウム合金を使用して体重を減らしながら、耐衝撃性と構造的完全性を提供します.

• ポリエチレン:

• • タフネス: ポリエチレンは吸収できます 80 j/cm², 高いタフネスを必要とするアプリケーションに理想的な選択肢にする.
  • アプリケーション: 防弾チョッキと保護具で一般的に使用されています, ポリエチレンの靭性により、衝撃エネルギーを消散させることができます.
  • 例: ポリエチレン繊維から作られたボディアーマーは、弾道の脅威に対する効果的な保護を提供します.

• 延性鉄:

• • タフネス: 延性鉄は、強度と組み合わせを提供します. タフネス, 引張強度があります 600 MPAおよび伸長率 10%.
  • アプリケーション: パイプラインで使用されます, 自動車コンポーネント, そして、その優れたタフネスと重い負荷に耐える能力のためにインフラストラクチャ.
  • 例: 延性鉄パイプは、信頼できる配水量を確保します, 変動する圧力の下でも, 靭性を維持し、骨折リスクを減らすことにより.

強度と. タフネス: トレードオフ

しばしばaがあります トレード・オフ 強度と間の間. タフネス. 高強度材料が静的または動的荷重の下での変形に抵抗するのに優れている一方,

高タフネス材料は、衝撃または衝撃の負荷の下でより良いパフォーマンスを発揮します.

• 高強度材料 変形が最小限の静的荷重に最適です, そして、構造は大きな力に抵抗する必要があります, 橋や重機のように.
• 高タフネス材料 コンポーネントが繰り返し影響を受ける可能性があるアプリケーションにとって重要です,
  倦怠感, または動的荷重, セーフティギアなど, 自動車バンパー, または航空宇宙コンポーネント.

マテリアルトレードオフの例:

• 陶器:

• • 強さ: 陶器 圧縮強度が高いことで知られていますが、タフネスが低いことを示しています.
  • アプリケーション: 彼らの脆さのため, セラミックは、インパクトのないアプリケーションや、材料が動的負荷から保護されている場合によく使用されます.
  • 例: 金属表面のセラミックコーティングは、硬度を高め、耐摩耗性を高めることができますが、亀裂や欠けを防ぐために慎重な取り扱いが必要です.

• スチールvs. アルミニウム:

• • 鋼鉄 通常、より高い強度を提供します アルミニウム しかし、タフネスが低いです. スチールは、変形に対する高い耐性を必要とするアプリケーションに最適です.
  • アルミニウム, 強度が低い間, より良いタフネスを必要とするアプリケーションにより適しています, 重量節約と同様に.
  • 例: 自動車産業は、ボディパネルにアルミニウムをますます有利にしています, 構造的完全性と燃料効率の向上.

6. さまざまな業界における強度と靭性の適用

航空宇宙と航空:

• 強さ: 飛行中に極端な力に耐えるエンジン部品や構造要素などのコンポーネントにとって重要.
• タフネス: 衝撃からエネルギーを吸収しなければならない胴体や翼に不可欠, 鳥のストライキや振動など.

自動車産業:

• 強さ: エンジン部品に必要です, シャーシ, およびサスペンションコンポーネント.
• タフネス: バンパーやクラッシュゾーンなどの安全コンポーネントに必要です, 衝突中に衝撃エネルギーを吸収する必要があります.

工事:

• 強さ: 梁には不可欠です, 列, および負荷を含む構造.
• タフネス: 動的な力にさらされた地震に強い建物やコンポーネントにとって重要.

医療機器:

• 強さ: インプラントに必要です, 補綴物, および手術器具.
• タフネス: 周期的な負荷にさらされるデバイスに必要です, 関節置換術など.

7. 材料の選択における強度と靭性のバランスをとる方法

強度とタフネスの適切なバランスを達成することは、あらゆるアプリケーションの材料選択の重要な側面です.

材料の選択:

• 合金設計: 強度とバランスをとる合金を選択します. タフネス, 特定のステンレス鋼や高強度の低合金鋼など.
• 複合材料: 複合材料を使用すると、強力なコンポーネントと丈夫なコンポーネントを組み合わせることができます, 炭素繊維強化ポリマーのように (CFRP).

熱処理:

• アニーリング: 材料を柔らかくして靭性を増加させますが、強度を減らすことができます.
• クエンチングと焼き戻し: 焼き付けを抑えることで強度を増加させます.

微細構造制御:

• 穀物サイズ: 粒が小さい強度を高めます, しかし、タフネスを維持するにはバランスが必要です.

表面処理:

• ピーニングを撃った: 疲労強度と増加します. 材料表面に圧縮残留応力を誘導することによる靭性.

8. 結論

結論は, 両方 強さ そして タフネス 設計プロセス中にタンデムで考慮する必要がある重要な材料特性です.

強度は、材料が失敗することなくかなりの力に耐えることができることを保証します, タフネスはエネルギーを吸収し、動的荷重の下で亀裂に抵抗することができますが.

これらのプロパティの違いとアプリケーションを理解することは、特定のアプリケーションに適した素材を選択するための鍵です.

慎重な材料の選択, エンジニアリングデザイン, および処理技術,

幅広い産業用途に必要な強度と靭性の最適なバランスを達成することが可能です.