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弾性と塑性の性質について

弾性

建築学科にいる人ならば、弾性、塑性という言葉は聞いたことがあると思います。この概念は、構造設計や耐震設計において重要ですから、理解しておきましょう。


さて、弾性の定義として

「ある一定の範囲内で力を加えると変形するが、力を取り除くと元の形に戻る。このような現象を弾性と呼ぶ」です。また、このような性質を持つ材料を弾性体と呼んでいます。

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よね?この性質が弾性なのです。


弾性について


塑性

では、塑性について説明します。

塑性とは、

「力を加えて変形し、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残る。このような現象を塑性と呼ぶ」

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

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鋼の応力−歪曲線

この2つの現象を具体的に説明するとき使われる材料が「鉄」です。下のグラフは縦軸が応力、横軸が歪でプロットしたものです。このグラフは「応力−ひずみ曲線」と呼ばれています。


さて、鉄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、下記の記事が参考になります。


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)。

鉄の応力歪曲線

※ちなみに、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。以下に示します。

「弾性」…Elasticity

「比例」…Proportion

「降伏」…Yield

「最大」…Max

「破断」…Breaking


以上のように、弾性と塑性材料について纏めました。また、弾性材料は塑性材料と違って塑性域がないため、線形的に応力が上昇し破断します。


まとめ

今回は弾性と塑性について説明しました。鋼の代表的な特徴ですから、覚えておきたいですね。

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。

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