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応力と歪みの不思議なダンス：圧力下で材料はどのように変形するのか？
工学および材料科学において、応力-ひずみ曲線は材料の挙動を理解する上で重要な役割を果たします。この曲線は、試験材料のサンプルに徐々に荷重を加え、その変形を測定することによって得られる応力とひずみの関係を示します。これらの曲線は、エンジニアが材料の性能を予測するのに役立つだけでなく、ヤング率、降伏強度、極限引張強度など、多くの重要な材料特性を明らかにすることもできます。
応力-ひずみ曲線は、変形のさまざまな段階での材料の特性を明らかにすることができるため、エンジニアリング コミュニティでは無視できない重要なツールとなっています。
応力とひずみ曲線の定義
一般に、応力-ひずみ曲線は、あらゆる形態の変形における応力とひずみの関係を表します。これらの関係は、垂直、せん断、またはその 2 つの混合である場合があり、単軸、二軸、または多軸である可能性があり、時間の経過によって変化する場合もあります。変形は、圧縮、引張、ねじり、回転などの形で起こります。
今後の議論は、主に引張試験から得られる軸方向の垂直応力と軸方向の垂直ひずみの関係に焦点を当てることになります。多くの実際の状況では、異なる材料は、その材料の固有の動作を反映して、異なる応力-ひずみ曲線を示します。
応力-ひずみ曲線のさまざまな段階
多くの材料の応力-ひずみ曲線は、いくつかの異なる段階に分けられ、それぞれが異なる動作を示します。低炭素鋼を例にとると、室温での応力-ひずみ曲線は主に次の段階を示します。
線形弾性領域
最初の段階は線形弾性領域です。この領域では、応力はひずみに比例します。つまり、ホークの法則に従い、この領域の傾きがヤング率です。ここで、材料は塑性変形が始まる点に達するまで弾性変形のみを受け、この時点での応力は降伏強度と呼ばれます。
ひずみ硬化領域
第 2 段階はひずみ硬化領域です。この領域では、応力は降伏点を超えて、いわゆる極限引張強度に達するまで徐々に増加します。この領域は、主に材料が伸びるときに発生する応力の増加を特徴とします。この段階では材料が加工硬化するため、内部抵抗を克服するためには、より大きな応力を加える必要があります。
ひずみ硬化プロセスでは、塑性変形によって材料内部の転位密度が増加し、その後の変形挙動に大きな影響を与えます。
首周り
第 3 段階はネッキング領域です。応力が極限引張強度を超えると、材料の局所的な断面積が大幅に減少し、ネック（首）が形成されます。この時点では、変形が不均一となり、圧力が縮小位置に集中し、ネッキングが早く進行し、最終的には破損につながります。このとき引張力は減少しますが、加工硬化は継続し、実際の応力は上昇し続けます。
ネッキング領域の端は材料の破断を表し、破断後の伸びと断面積の減少を計算できるため、エンジニアリング コミュニティは材料や製造プロセスを設計する際に役立ちます。
材料の分類
応力-ひずみ曲線が示す共通の特性に基づいて、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。
延性材料
構造用鋼や他のほとんどの金属などの延性材料は、常温で降伏する特性を示します。このような材料の応力-ひずみ曲線には通常、明確に定義された降伏点が含まれており、塑性変形段階でさまざまな変形挙動を示します。延性材料の靭性は、多くの場合、応力-ひずみ曲線の下の領域と関連しており、これは材料が破壊前に吸収するエネルギーの指標です。
脆性材料
鋳鉄、ガラス、一部の石などの脆性材料は、延性材料とは非常に異なる挙動を示します。これらの材料には明確に定義された降伏点がないことが多く、破損が発生しても変形率はほとんど変化しません。応力-ひずみ曲線は通常直線であり、変形プロセス中に大きな塑性変形は発生しません。
脆性材料の特徴は、延性材料のネッキング破壊とは対照的に、破壊後に元の形状に戻る傾向があることです。
さまざまな圧力下で材料がどのように動作するかを理解することは、適切な材料の設計と選択にとって間違いなく重要です。応用工学では、さまざまな材料の特性と、さまざまな状況での材料の性能について詳細な研究を行う必要があります。材料を選ぶ際に、強度以外に考慮すべき潜在的な要素について考えたことはありますか?
