Transcript 建築材料科学

４．建築材料の力学的性質（１）

外的応力に耐える建築材料の選択・設計

建築材料に要求される性質







弾性係数
比弾性係数（弾性係数／密度）
強度
比強度（強度／密度）
破壊靱性
疲労強度
変形・破壊メカニズム、材料構造依存性の理解は不可欠
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性変形と塑性変形

弾性変形


応力を取り除いたとき、変形が回復してもとの状態になる
塑性変形

応力を取り除いても、もとの状態に回復せず、永久変形が生じる
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性的性質

一対の原子のポテンシャルエネルギー
A
V 
r
n

B
r
m
r：原子間距離
A：引力に対する比例定数
B：斥力に対する比例定数

２原子間に働く力
F 
V
r
a

r
N
b

r
M
a=nA, b=mB, N=n+1, M=m+1

両原子間の平衡距離
r  d0
V=min, F=0
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性的性質
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性的性質

両原子間距離を変更
d 0  d 0  d




元に戻そうとする力の発生
F'  d
ひずみ
d / d 0
応力（単位面積あたりの力）
縦弾性係数（ヤング率）
E 
F
r
r  d0
４．建築材料の力学的性質（１）

各種材料の弾性的特徴

結晶性物質（金属・セラミック）


非晶性物質（ガラス）


変形に対して主結合が最初から抵抗する場合→線形弾性
非晶性物質（ゴムのような交錯した長い鎖状分子）


線形弾性（弾性変形内で応力とひずみが直線関係）
非線形弾性
結晶質と非晶質の混在している物質（高分子）


ガラス転移温度Tgを境に変化
Tg以上：粘弾性（粘性と弾性が共存）
 軟化
分子鎖間のファンデルワールス結合の解除
 弾性状態にある分子に取り囲まれた中を粘性的にすべる挙動

４．建築材料の力学的性質（１）

各種材料の弾性的特徴
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性論による応力－ひずみの表現

引張変形
  E






引張応力
縦ひずみ
縦弾性係数
横ひずみ
ポアソン比
  P /(  D
E
 dD / D
  ( dD / D ) /( dL / L )
  G


せん断応力
せん断ひずみ
せん断弾性係数
/4)
  dL / L
せん断変形

4

  dH / H
G
４．建築材料の力学的性質（１）

弾性論による応力－ひずみの表現
４．建築材料の力学的性質（１）

一般化フックの法則

第１の添字：応力がかかる面、第２の添字：応力のかかる軸方向
 xx  

 yy   yy   (  zz   xx ) / E
 zz   zz   (  xx   yy ) / E
xx
 ( 
 xy   xy / G ,


平面応力状態




yy

) / E


zz
yz
yz
 yz   zy ,
 xy  

yx
,
yz
  zy ,
 zx   xz
 zx   xz
 zx   zx / G
/ G,

 xy   yx ,
  zx  0
応力が２次元的
薄い平板が変形を受けるとき
平面ひずみ状態

yz
zz
 zz  
yz

zx
0
ひずみが２次元的
長い物体が長さ方向の変形を拘束されて垂直面内で一様な変形
を受けるとき
４．建築材料の力学的性質（１）

一般化フックの法則
４．建築材料の力学的性質（１）

平面応力状態

平面ひずみ状態
４．建築材料の力学的性質（１）

各種材料の塑性変形挙動の違い

結晶性物質



転移が塑性変形の原因
金属：室温以下でも転移は運動する
セラミック：室温では転移は生じにくい、高温では転移は運動する
 イオン結合と共有結合→方向性強く結晶構造複雑→すべりが生じにくい
 平均原子間距離が大→原子間切断に要するエネルギーが小→転移運
動よりも低応力での微小亀裂・空隙での応力集中による破壊

非晶性物質（高分子）

熱可塑性樹脂
 高分子鎖のすべりとクレーズ（伸張配向した高分子鎖が内在する空隙）
の形成

熱硬化性樹脂
 微小亀裂の形成
４．建築材料の力学的性質（１）
４．建築材料の力学的性質（１）
４．建築材料の力学的性質（１）

結晶材料の転移による塑性変形


単結晶の塑性変形＝層状のすべり
結晶全体が同時にすべるのに必要なせん断応力


理論値：横弾性係数（G）の約数分の一
実測値：理論値の10-3～10-4
 転移の運動→部分的なすべりの進行によって全体のすべりを促進

転移



刃状転移
らせん転移
混合転移
４．建築材料の力学的性質（１）
４．建築材料の力学的性質（１）

結晶材料の転移による塑性変形
４．建築材料の力学的性質（１）

結晶材料の転移による降伏・加工硬化

結晶材の降伏


転移の雪崩的運動：弾性変形領域→弾性限界→塑性変形領域
結晶材の加工硬化

塑性変形領域においてひずみの増加とともに応力が上昇する現
象
 降伏後の変形→転移の増殖→転移の運動の障害→変形に対する
抵抗の増大→変形を続けるためにはより高い応力が必要
４．建築材料の力学的性質（１）

クリープ




応力がかかった状態で固体が時間とともに変形する現象
高温で発生しやすい（金属：融点の40～50%の絶対温度）
転移の再配列、結晶粒界のすべりが原因
遷移クリープ


定常クリープ


クリープ速度が時間の経過につれて減少
クリープ速度が一定
加速クリープ

クリープ速度が時間の経過につれて増大し、材料破断につながる
４．建築材料の力学的性質（１）

クリープ
４．建築材料の力学的性質（１）

クリープ

遷移クリープ


応力負荷直後の転移組織が定常クリープでの一定の組織構造をとる
までの過程
定常クリープ


転移の増殖と転移の消滅（熱エネルギーの助けによって起きる）のつ
り合い→一定の転移組織構造
結晶粒に応力が作用→方向性のある拡散（物質移動）→結晶粒の形
状変化→ひずみの定常的増加
 空孔：引張応力の作用部分からそれに垂直な縮み方向へと移動
 原子：空孔と逆方向に移動

加速クリープ


ボイドや亀裂の発生・成長
第二相粒子（強化目的）の微細組織（種類・大きさ・空間分布）の変化
４．建築材料の力学的性質（１）