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基礎科目・化学・材料

金属の強さと壊れ方

大学

4問H23・H24・H30・R7

結晶粒を細かくすると強くなること、加工硬化と再結晶、疲労破壊・脆性破壊、じん性を調べる試験が出ます。

よく出る形

  • 金属の塑性，結晶粒の大きさと強さ，加工硬化，くり返しの力による破壊を穴埋め（平成23，平成30はほぼ同じ）
  • リバティ船やコメット号の事故と，破壊の種類を穴埋め（平成24）
  • 金属材料についての5つの記述から，誤りを選ぶ（令和7）
  • 強くなる・弱くなるの向きを入れ替えた文が，1か所まざる。事故と破壊の種類の組合せを入れ替える出し方もある

覚えること

  • 金属がよく伸びて変形できる（塑性がある）のは，自由電子による金属結合のため。共有電子対は共有結合の話
  • 結晶粒（金属をつくる小さな結晶のつぶ）は，細かいほど強くなる。つぶの境目（粒界）が変形のじゃまをするため（ホール・ペッチの関係）
  • 結晶粒を細かくすると，強度だけでなく，じん性も上がる傾向がある。粒界は亀裂が進むのもじゃまする
  • 降伏応力：金属が元に戻らない変形（塑性変形）を始めるときの応力
  • 加工硬化：常温でたたいたり曲げたりすると，硬く伸びにくくなること
  • 再結晶：加工硬化した金属を加熱すると，ひずみのない新しい結晶ができて，硬さが下がり，延性（よく伸びる性質）が戻る
  • 疲労破壊：引張強さより小さな力でも，何度もくり返しかかると壊れること。例：ジェット旅客機コメット号の事故
  • 脆性破壊：ほとんど伸びずに一気に割れること。低温で起きやすく，例：溶接で作った貨物船リバティ船の事故
  • じん性：割れにくいねばり強さ。シャルピー衝撃試験（切り欠きをつけた試験片を振り子のハンマーで割る）で調べる。ゆっくり引っ張るのは引張試験
  • クリープ：高温で一定の荷重をかけ続けると，時間とともにひずみが少しずつ増える現象
  • 応力集中：切り欠き・穴・傷などの形が急に変わるところで，局部的に応力が大きくなること。疲労の亀裂の出発点になり，疲労強度は下がる
  • 低温脆性：温度が下がるとじん性が急に落ちる性質。体心立方の鋼で起こりやすく，面心立方のアルミニウム合金などでは起こりにくい
  • 疲労限度：その応力より小さければ，何回くり返しても疲労破壊しない応力の上限。引張強さよりかなり小さい
  • 硫黄を多めに入れた快削鋼は，削りやすい（被削性がよい）鋼

解き方

  • 穴埋めは「くり返し → 疲労」「一気に割れる → 脆性」「細かい粒 → 強い」「常温で加工 → 加工硬化」の対応で選ぶ
  • 正誤問題は，強くなる・弱くなるの向きが逆になっていないかを確かめる
  • 事故は「コメット号 ＝ 疲労」「リバティ船 ＝ 脆性」と決めて当てはめる

ひっかけ

  • 結晶粒を粗大化（大きく）させると強度が上がる，は誤り
  • 再結晶で延性は「減る」のではなく「戻る（増える）」
  • コメット号は疲労，リバティ船は脆性破壊。入れかえに注意
  • シャルピー衝撃試験は，ゆっくり引っ張る試験ではなく，衝撃で打ち割ってじん性を調べる試験
  • 疲労破壊を「大きな荷重が1回かかった時」の壊れ方としない。小さな応力のくり返しで起こる
  • 応力集中は疲労強度に影響しない，は誤り。疲労限度は引張強さと同じ値，も誤り
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想定問題：1・2・3

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