強靭さ

材料科学および冶金学において、靭性とは、材料がエネルギーを吸収し、破壊することなく塑性変形する能力のことである。^{[ 1 ]}靭性とは、材料が破壊に抵抗する強さのことである。材料靭性の定義の一つは、材料が破壊するまでに吸収できる単位体積あたりのエネルギー量である。この靭性の指標は、材料の破壊抵抗能力を表す破壊靭性とは異なる。 ^{[ 2 ]}靭性には、強度と延性のバランスが必要である。^{[ 1 ]}

強靭さと強さ

靭性は、応力-ひずみ曲線の下の面積と関連しています。材料が靭性を持つためには、強度と延性の両方を備えている必要があります。例えば、強度はあるものの延性が限られている脆性材料（セラミックなど）は靭性がありません。逆に、延性は高いものの強度が低い材料も靭性がありません。材料が靭性を持つためには、高い応力と高いひずみの両方に耐えられる必要があります。一般的に、強度は材料がどれだけの力に耐えられるかを示し、靭性は材料が破断するまでにどれだけのエネルギーを吸収できるかを示します。

数学的な定義

靭性は、応力-ひずみ曲線を積分することで決定できます。 ^{[ 1 ]}靭性は、破壊に至る前の単位体積あたりの機械的変形エネルギーです。明確な数学的記述は以下のとおりです。^{[ 3 ]}

${\tfrac {\mbox{energy}}{\mbox{volume}}}=\int _{0}^{\varepsilon _{f}}\sigma \,d\varepsilon$

どこ

$\varepsilon$ 緊張です
$\varepsilon _{f}$ 失敗時の負担
$\sigma$ ストレスです

降伏点までの積分の上限が制限されている場合、単位体積あたりに吸収されるエネルギーは弾性係数と呼ばれます。数学的には、弾性係数は降伏応力の2乗をヤング率の2倍で割った値で表すことができます。つまり、

弾性係数 = ⁠降伏応力²2（ヤング率）⁠

靭性試験

材料の靭性は、その材料の小さな試験片を用いて測定できます。一般的な試験機は、振り子を用いて、所定の断面を持つノッチ付き試験片を変形させます。振り子が落下した高さから、試験片を変形させた後に振り子が上昇した高さを差し引き、これに振り子の重量を掛けたものが、振り子との衝突中に試験片が変形する際に吸収したエネルギーの測定値となります。シャルピー衝撃強度試験とアイゾット衝撃強度試験は、靭性を測定するための典型的な ASTM試験です。

強さの単位

引張靭性（または変形エネルギー、U _T）は、SI単位ではジュール/立方メートル（J·m ⁻³）、またはそれと同等のニュートンメートル/立方メートル（N·m·m ⁻³）で測定され、米国慣用単位ではインチ-ポンド力/立方インチ（in·lbf·in ⁻³）で測定されます。

1.00 N·m·m ⁻³ ≃ 0.000 145 in·lbf·in ⁻³
1.00 in·lbf·in ⁻³ ≃ 6.89 kN·m·m ⁻³。

SIシステムでは、引張靭性の単位は、応力-ひずみ（σ - ε）曲線の下の面積を用いて簡単に計算することができ、以下に示すように引張靭性値が得られる。^{[ 4 ]}

U _T = 応力-ひずみ ( σ – ε ) 曲線の下の面積 = σ × ε
U _T [=] F/A × ΔL/L = (N·m ⁻² )·(単位なし)
U _T [=] N·m·m ⁻³
U _T [=] J·m ⁻³

最も丈夫な素材

クロム、コバルト、ニッケルをほぼ同量含む合金（CrCoNi）は、これまでに発見された中で最も強靭な材料です。^{[ 5 ]}絶対零度に近い非常に低い温度でも破壊しにくい性質を持ちます。宇宙船の建造に使用される材料として検討されています。^{[ 6 ]}

参照

参考文献

^ ^a ^b ^c「靭性」、NDT教育リソースセンター、ブライアン・ラーソン編、2001～2011年、アイオワ州立大学NDT教育協力
^アスケランド、ドナルド R.ライト、ウェンデリン J. (2015 年 1 月)材料の科学と工学(第 7 版)。マサチューセッツ州ボストンp. 208.ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 .{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
^ Soboyejo, WO (2003). 「12.3 靭性と破壊過程領域」.工学材料の機械的特性. マルセル・デッカー. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
^ Balkan, O.; Demirer, H. (2010). 「熱可塑性エラストマーで改質したガラスビーズおよびウォラストナイト充填アイソタクチックポリプロピレン複合材料の機械的特性」 .ポリマー複合材料. 31 (7): 1285– 1308. doi : 10.1002/pc.20953 . ISSN 1548-0569 .
^ Kovner, Aliyah (2022年12月8日). 「地球上で最も頑丈な材料にこんにちは」 .バークレー研究所ニュース. バークレー研究所. 2024年9月4日閲覧。
^スパークス、マシュー (2022年12月14日). 「史上最も頑丈な素材はクロム、コバルト、ニッケルの合金」 .ニューサイエンティスト. 2023年3月18日閲覧。

[NDT-1] 「靭性」、NDT教育リソースセンター、ブライアン・ラーソン編、2001～2011年、アイオワ州立大学NDT教育協力

[2] アスケランド、ドナルド R.ライト、ウェンデリン J. (2015 年 1 月)材料の科学と工学(第 7 版)。マサチューセッツ州ボストンp. 208.ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 .{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)

[3] Soboyejo, WO (2003). 「12.3 靭性と破壊過程領域」.工学材料の機械的特性. マルセル・デッカー. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .

[4] Balkan, O.; Demirer, H. (2010). 「熱可塑性エラストマーで改質したガラスビーズおよびウォラストナイト充填アイソタクチックポリプロピレン複合材料の機械的特性」 .ポリマー複合材料. 31 (7): 1285– 1308. doi : 10.1002/pc.20953 . ISSN 1548-0569 .

[5] Kovner, Aliyah (2022年12月8日). 「地球上で最も頑丈な材料にこんにちは」 .バークレー研究所ニュース. バークレー研究所. 2024年9月4日閲覧。

[6] スパークス、マシュー (2022年12月14日). 「史上最も頑丈な素材はクロム、コバルト、ニッケルの合金」 .ニューサイエンティスト. 2023年3月18日閲覧。

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