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金属材料の強さを学ぼう
 材料の強さ
 機械材料のもつ力学的性質について理解しておくことは、機械工学を学ぶ上で最も重要な事項の一つです。なぜなら、いくら素晴らしい機械を設計しても、その機械にはたらく荷重の種類や応力と変形などを知らなければ、その機械は壊れてしまうからです。ここでは、材料の種類とその強さについて、さまざまな実験を通して学びます。

[1]機械材料の種類
SS400 [N/mm2] (軟鋼一般構造用圧延鋼材)

 JIS鋼材の中でもっとも多量に生産され、車両・船舶・建築物・橋など、一般的な構造物に使用されている材料です。

S45C (硬鋼機械構造用炭素鋼)
 軟鋼より信頼性が高く、歯車・軸などの機械部品や構造用として、切削などの加工と熱処理を施して使用されている材料です。

FC200 (ねずみ鋳鉄)
 鋼より多くの炭素を含む鋳鉄は、融点が低く、湯流れもよいため、複雑な形状や薄肉ものの鋳造用として使用されている材料です。
 
A7075 (アルミニウム合金)

 密度は鉄の約1/3と軽く、電気や熱の良導体で、外観が美しく、加工しやすい材料です。

C2600 (黄銅真ちゅう)
 Cu-Zn系の合金。電気や熱の良導体で、大気中の耐食性にすぐれ、加工しやすく、色や光沢が美しい材料です。

マグネシウム合金
 密度が鋼の約1/4、Alの約2/3と実用の金属材料中最も軽量である。

チタン合金
 引張強さが大きく、耐熱性・耐食性などがある。

[2]引張試験
▼SS400の引張試験を行い、その機械的性質をまとめる。
1)試験前の平均直径Dmから原断面積Aoを求める
   Dm=14.00mm     Ao=153.86mm2

2)最大引張荷重Pmaxを測定し、単位を変換する
   Pmax=12200kg=119560N

3)破断後の標点距離を測定する(Lo=50mm)
   L=55.50mm

4)破断部の直径Dと破断後の最小面積Aを測定する
   D=12.00mm   A=113.04mm2

5)引張強さσを求める   (σ=Pmax/Ao より)
   σ=119560/153.86=777.070≒777.1[N/mm2]

6)伸びб=(L−Lo)/Lo×100より、絞りφ=AбA/Ao×100を求める
   б=11[%]   φ=26.530[%]

[3]硬さ試験
▼反発式のショア硬さ試験機により、SS400とS45Cの硬さを求める
                      ↓5回の平均
材質 Hs
黄銅 31 24 24 24 26 26
軟鋼 24 21 26 23 24 24
鋳鉄 34 36 36 34 34 35
アルミニウム 18 19 19 20 18 19
・硬さは複数の物理的性質に関係する量で、測定方法によって定義される工業的に有用な量⇒工業量と呼ばれている

[4]衝撃試験
▼S45C(焼き入れあり・なし)のシャルピー衝撃値を求めなさい
1)準備
 @シャルピー衝撃試験機の使い方を理解する
 A金属材料衝撃試験片を正しい位置にセットする

2)試験
 B支持レバーを押して、ハンマを自由落下させる
 C指針により試験片切断後のハンマの振上り角度(°)を測定する

3)衝撃値を求める
 シャルピー衝撃値=
   
切断に要したエネルギーE/試験片切欠き部の原断面積A [J/cm2]
                                   (A=0.8cm2)
   E=WR(cosβ-cosα) [J]
     W:ハンマの質量 250[N]
     R:ハンマの回転中心から重心までの距離 0.65[m]
     α:ハンマの持上げ角度 120°
     β:ハンマの振上り角度 ?⇒計測
材質 β cosβ E[J] シャルピー衝撃値[J/cm2]
S45C
(生)常温
80.0° 0.174 109.53 136.9
S45C
(500℃)
106.5° -0.284 35.1 43.9
S45C
(900℃)
116.0° -0.438 10.075 12.6

■グラフ

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