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弾性から塑性まで：材料変形の 3 つの段階は本当に興味深いです！
材料の特性と挙動を理解することは、工学と材料科学において非常に重要であり、ここで応力-ひずみ曲線が役立ちます。これらの曲線は、材料がさまざまな負荷にどのように反応するかを明らかにするだけでなく、実際のアプリケーションでどのように機能するかをより正確に予測するのにも役立ちます。
応力-ひずみ曲線は、降伏強度、極限引張強度、ヤング率など、材料の主要な特性を示します。
応力とひずみの関係はさまざまな形で存在する可能性があるため、通常、これらの曲線はいくつかの主要な段階に分けられます。材料変形の重要な 3 つの段階、つまり線形弾性領域、ひずみ硬化領域、ネック形成領域を 1 つずつ見ていきましょう。
線形弾性領域
線形弾性領域は、材料が変形する最初の段階です。この段階では、応力とひずみは直線関係にあり、つまりフックの法則に従います。ここで、応力はひずみの増加に正比例して増加し、傾きがヤング率となります。この部分は弾性変形のみの状態を表し、その終わりは塑性変形の始まりを示します。
応力成分が降伏強度に達すると、塑性変形状態が始まることを意味します。
ひずみ硬化領域
加えられた応力が降伏点を超えると、材料はひずみ硬化領域に入ります。この段階で、応力は最大点に達し、これを極限引張強度と呼びます。ひずみ硬化領域では、材料が伸びても応力はほとんど上昇したままになります。
一部の材料（鋼など）では、リューダース帯の形成と拡張により、最初はほぼ平坦な領域が存在します。
この過程では、塑性変形が増加するにつれて材料内部の転位の数が増加し、それ以上の転位の移動が抑制されます。この場合、障害物を克服するには、より高いせん断応力を加える必要があります。
ネック形成ゾーン
応力が極限引張強度を超えると、応力はネック形成領域に入り、局所的な断面積が大幅に減少します。ネックの変形は不均一であり、応力集中によりさらに悪化し、最終的には材料の破損につながります。
適用される引張力は減少していますが、局所的な断面積の減少が考慮されていないため、材料の実際の応力は依然として増加しています。
材料が破壊された後、その伸び率と断面積の減少を計算できます。これらのデータはエンジニアリング設計と材料選択にとって重要です。
材料の分類
応力-ひずみ曲線の特性に基づいて、材料は延性材料と脆性材料の2つのカテゴリに大まかに分類できます。軟鋼などの延性材料は常温で優れた変形特性を示しますが、ガラスなどの脆性材料は通常、明らかなひずみ過程を示さず、直接破損します。
延性材料は降伏点に達した後も変形し続けることができますが、脆性材料は大きな変形を伴わずに破損する傾向があります。
強靭性と用途
優れた靭性を持つ材料は強度と延性の両方を発揮できるため、靭性は材料設計において重要な基準となります。靭性は応力-ひずみ曲線の下の領域であり、材料が破壊される前に耐えられるエネルギーと考えることができます。
結論要約すると、応力-ひずみ曲線の 3 つの主要な段階、つまり線形弾性領域、ひずみ硬化領域、およびネック形成領域は、材料の挙動に関する深い理解をもたらします。材料科学において、これらの理論は実験室でのテストを導くだけでなく、エンジニアリングアプリケーションの信頼性と安全性にも影響を及ぼします。さまざまな材料の性能特性に直面して、私たちは考えなければなりません。これらの材料の特性は私たちの日常生活や工学技術の発展にどのように影響するのでしょうか。
