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塑性とは?1分でわかる意味、靭性、延性、弾性との違い、対義語、塑性変形能力との関係

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塑性(そせい)とは、物体に力を加えると変形し、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残るような現象です。一方、力を取り除くと「元の形に戻る」ことを「弾性(だんせい)」といいます。建築物の構造部材に用いる材料は「弾性と塑性の両方の性質」を持っています。これを「弾塑性材料(だんそせいざいりょう)」といいます。今回は塑性の意味、靭性、延性、弾性との違い、塑性の対義語、塑性変形能力との関係について説明します。弾性、塑性変形能力など下記も参考になります。

弾性とは?1分でわかる意味、例、塑性との違い、対義語、金属とゴムの関係

弾塑性とは?1分でわかる意味、読み方、材料、弾性と塑性の違い

塑性変形能力とは?すぐに分かる意味と塑性ヒンジとの関係

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塑性とは?弾性との関係

塑性(そせい)とは、


「力を加えると変形し、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残る」


ような現象です。一方、力を取り除くと「変形が無くなり元の状態に戻ること」を「弾性(だんせい)」といいます。


例えば、ゴムをイメージしてください。輪ゴムに力を入れると変形はしますが、力を抜くと元の形に戻ります。この性質が弾性です。


下図に塑性と弾性を示します。


図 塑性と弾性の例


弾性の詳細は下記が参考になります。

弾性とは?1分でわかる意味、例、塑性との違い、対義語、金属とゴムの関係


なお、建築物の構造部材に用いる材料は「弾性と塑性の両方の性質」を持っています。これを「弾塑性材料(だんそせいざいりょう)」といいます。

弾塑性とは?1分でわかる意味、読み方、材料、弾性と塑性の違い


代表的な材料が「鋼」です。下図をみてください。応力ひずみ線図といって縦軸に応力、横軸にひずみをとったグラフです。応力ひずみ線図の詳細は下記が参考になります。

応力ひずみ線図とは?1分でわかる意味、ヤング率と傾き、考察、書き方、脆性材料


応力ひずみ線図


塑性と弾性をグラフで表すと「降伏点を超えるまでが弾性」で「降伏点を超えてからが塑性」の状態です。


また、弾性状態を超えて塑性状態になることを「降伏」と呼びます。さらに、下の図のように力を取り去っても残る歪を「塑性ひずみ」と呼びます。


塑性について

塑性、靭性、延性、弾性との違い

塑性と似た用語に靭性、延性、弾性があります。塑性との違いを下記に示します。


塑性 ⇒ 力を取り除いても変形が残る性質

靭性 ⇒ 材料や構造部材、建物の「外力に対する粘り強さ」のこと。靭性の高い建物は急激な耐力低下を起こさない。

延性 ⇒ 材料が破断するまで、よく伸びる性質のこと

弾性 ⇒ 力を加えると変形し、力を取り除くと元に戻る性質


靭性、延性の詳細は下記をご覧ください。

靭性とは?靭性のある材料とは?建物の耐震性との関係

延性とは?1分でわかる意味、読み方、材料、脆性との関係、靭性との違い

塑性の対義語

塑性の対義語は「弾性」です。弾性の詳細は下記をご覧ください。

弾性とは?1分でわかる意味、例、塑性との違い、対義語、金属とゴムの関係

塑性と塑性変形能力

材料が塑性した後の変形能力を塑性変形能力(そせいへんけいのうりょく)といいます。例えば鋼は塑性した後、十分に伸びたあと破断します。「塑性してから十分に伸びる」とき、材料はエネルギーを沢山吸収しています。よって鋼は塑性変形能力の高い材料です。詳細は下記が参考になります。

塑性変形能力とは?すぐに分かる意味と塑性ヒンジとの関係

塑性と鋼の応力ひずみ線図

鋼材は塑性と弾性の性質がよくわかる材料です。下図に鋼の「応力-ひずみ曲線」を示します。


鉄の応力歪曲線


鋼に引張力を加えていくと、弾性域までは線形的に応力は上昇します。この材料が弾性の性質を示す限度を「弾性限度」と呼び、この点をE点とします。この点で荷重を取り除けば、弾性の性質により変形はおさまります。


次に、フックの法則が成立する限度を「比例限度」と呼び、この点をP点とします。さらに、荷重を加えると弾性状態を超えて塑性状態に移行し、降伏する点を「降伏点」とし、Y点で表します。


※フックの法則に関する詳細な内容は、下記が参考になります。

フックの法則とは?1分でわかる意味、公式、単位、応力、ヤング率の関係


塑性域に達すると応力は低下しますが、応力が一定となり歪だけが増加する「降伏棚(おどり場)」と呼ばれる区間が現れます。


さらに、そこから「ひずみ硬化」と呼ばれる現象が起き、応力が上昇します。さらに、力を加えると最大応力まで達し(M点)、応力が低下して破断します(B点)。


ローマ字で「○点」と表していますが、これは英語の頭文字をとったものです。


「弾性」…Elasticity

「比例」…Proportion

「降伏」…Yield

「最大」…Max

「破断」…Breaking

まとめ

今回は塑性について説明しました。塑性とは「物体に力を加えると変形し、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残るような状態」です。一方、弾性は力を取り除くと変形も無くなります。塑性と弾性の違いは必ず理解しましょう。

また、特徴を理解したあとは鋼材の種類(SN,SS,SM材)や、鋼材の形状を勉強することをおすすめします。下記の参考記事をまとめました。是非、勉強に役立ててくださいね。

SS,SN,SM材とは?

コラム(冷間成形角型鋼管)とは何か?

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