材料強さ学

一般受講料: 19,800 円

特別受講料: 17,600 円

講座コード:M-40

受講期間:3ヶ月

難易度:中級レベル

外力と材料の強さを学べば、ものづくりがよく見えるようになります。

設計に関わる方から初心者にも分かりやすい!

機械・構造に使われる部材は、加えられた力に耐え、形状を保ち、与えられた役割を果たさなければなりません。これらの部材は、どのような条件において長い耐久性を保ち、使命に沿った機能を果たせるのでしょうか。

結論から言えば、それは「外力」「形状」「物性」の3つが適切な組み合わせのときであるといえます。3つの条件がそろったときに、部材は最高の強さと美しさを見せるのです。私たちは、これらを念頭に置いて部材を設計・製作し、組み立てなければなりません。

本講座では、材料の強さを外界の状況(使用条件)と材料の内部組織(物質構造)の基礎知識を系統的に学びます。また、身近な事例から、与えられた条件で部材が備えなければならない力学的特性、機械・構造設計の考え方まで、技術的な視点・原則を身につけます。

設計に関わる方を対象にしていますが、テキストは初心者にもわかるように、高度な数学をなるべく避け、実例をあげて解説しています。また、例題を設けて、重要な箇所を確認できるよう工夫されています。

学習目標

  • 部材は、「外力」「形状」「物性」の3つが適切に設定されたときに、もっとも強く美しいという原則を学びます。
  • 目的にあった合理的な部材設計の基本(使用条件・材料選択・形状設定)を学びます。

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教材構成

使用教材

  • テキスト1冊
  • レポート(提出回数3回)

カリキュラム

No. 主な項目
1 第1章 力の作用

  1. 力とは
    1. 物体を動かす存在
    2. 力の大きさ
      • 力の単位
    3. 荷重と反力
      • 物体の運動に関する3法則
    4. 力の表示法
    5. 力のモーメント
      • 体重の表記
  2. 力の合成と移動
    1. 多数の力の合成
    2. 力の移動
    3. 剛体に働く力の合成と分解
  3. 変位と仕事
    1. 変位と束縛
    2. 仕事と位置エネルギー
      • エネルギーの単位
    3. エネルギー保存則
      • エネルギー
    4. 仮想仕事とは
      • 物体の存在エネルギー
    5. 位置エネルギーの極小の原理
      • アインシュタインの生涯

第2章 応力とひずみ

  1. 応力とは
    1. 荷重の種類
    2. 外力と内力
    3. 部材直径と内部強度
    4. 応力による比較
      • ギリシャ文字
      • SI単位と応力分布
    5. 内力の伝達と応力分布
  2. ひずみとは
    1. 変位と変形
    2. 長さと伸びの関係
    3. ひずみ
  3. 応力の種類
    1. 応力の図示表現
    2. 3種の単純応力
    3. 斜断面の応力
      • 切る道具のいろいろ
      • 三角法
      • 加法定理とラジアン
  4. 部材の安全な設計
    1. 材料の機械的性質
    2. 安全率と許容応力
    3. 安全率のとり方

第3章 応力―ひずみ関係

  1. フックの法則
    1. 外力により生じる変形
    2. フックの法則の表現
      • フックの法則の確認実験
      • フックの法則の前夜
    3. 弾性係数の働き
  2. 応力 ―ひずみ線図
    1. 引張試験
    2. 弾性と塑性
    3. 応力 -ひずみ曲線の典型的形状
    4. 延性材料と脆性材料
    5. ポアソン比
2 第4章 環境による応力発生

  1. 自重による応力
    • 明石海峡大橋
  2. 内圧による応力発生
    1. 薄肉円筒の強さ
    2. 球殻の強さ
      • 貯蔵タンクの形状
  3. 内部孔や外部疵に生じる応力
    1. 応力集中
    2. 応力集中源
    3. 応力集中係数
  4. 繰返し応力効果
    1. 疲労現象
    2. 疲労限度
    3. S-N線図
      • 疲労と航空機事故
  5. 負荷の速度による応力
    1. 弾性エネルギー
    2. 静荷重と衝撃荷重
    3. 衝撃応力
      • 衝撃力の利用
  6. 時間による効果
    1. クリープ
    2. クリープ曲線
    3. ひずみ回復
  7. 温度変化によって生じる応力
    1. 熱膨張
    2. 熱応力
      • 熱応力の効果

第5章 材料の機械的性質

  1. 材料試験とは
    • 非破壊試験(検査)のおもな方法
  2. 物理的性質
  3. 機械的性質
    1. 引張試験(tension test)
    2. 圧縮試験(compression test)
    3. せん断試験(shear test)
    4. 曲げ試験(bending test)
    5. ねじり試験(torsion test)
    6. 衝撃試験(impact test)
    7. 硬さ試験(hardness test)
  4. 破壊現象
    1. 破損と破壊
    2. 破壊の様式
    3. 破壊に及ぼす要因
    4. 脆性破壊と延性破壊
    5. 初期の破壊理論
    6. 破壊強度と破壊力学
  5. 低温脆性
    • 低温脆性の発見
  6. 性質の表現
    1. 性質を表す技術用語
    2. 機械・構造用材料の選定

第6章 材料強度と組織構造

  1. 弾性破損、降伏
    1. 弾性と塑性の境界
    2. 単結晶のすべり
      • フォークダンス
    3. 完全結晶の降伏応力
  2. 実在結晶の降伏応力
    1. 転位
    2. 完全結晶
      • ホイスカ
      • 高張力
  3. 多結晶体の組織と強さ
    1. 金属と合金
    2. 金属の組織
    3. ペッチの関係
    4. 結晶粒界の作用
  4. 複合材料
    1. 材料特性の補完
    2. 鉄筋コンクリート
    3. 繊維強化プラスチック
      • 日干し煉瓦と土塀
    4. 複合則
3 第7章 はりに働くせん断力と曲げモーメント

  1. はり
    1. はりの種類
    2. はりの反力
  2. 反力の計算
    1. はりのつり合い
    2. 荷重、反力の模式表現
    3. 鉛直方向の力のつり合い
    4. 回転力のつり合い
  3. はりのせん断力
    1. せん断力の計算
    2. せん断力線図
    3. せん断力で破壊しない条件
      • せん断力で切る
      • はりのせん断応力の分布
  4. はりの曲げモーメント
    1. はりのたわみと曲げモーメント
    2. 曲げモーメントの計算法
    3. 曲げモーメントの分布
    4. 曲げモーメント線図(BMD)
    5. 曲げモーメントとせん断力の関係

第8章 曲げ応力と曲げ強度

  1. 曲げ現象
    1. 曲げられた棒の伸縮
    2. 曲げ変形の特徴
  2. 曲げ応力
    1. 曲げで生じるひずみと応力
    2. 曲げ応力とは
      • 曲げの科学史
  3. 曲げ応力と曲げモーメント
    1. 抵抗モーメント
    2. 曲げモーメントと曲げ応力の関係
    3. 曲げ応力の基本公式
  4. 断面係数
    1. 断面係数の働き
    2. 断面係数の求め方
  5. 断面形状と強さ
    1. 計量断面の選択
    2. 材料特性と断面形状
  6. たわみ
    1. たわみによって生じる問題
    2. 弾性曲線
      • はりのたわみの計算
  7. 断面の設計方法
    1. 強度設計
    2. 平等強さのはり

第9章 柱の座屈強さと軸のねじり強さ

  1. 柱の強度
    1. 座屈と端末条件
    2. 座屈と曲げ剛性
      • 曲げ剛性と断面形状
    3. 柱の強度(座屈強さ)
  2. 軸に働く力とねじり応力
    1. ねじり力とねじり変形
    2. 軸の強さ(ねじり応力)
    3. 伝動軸に設計

第10章 組合せ応力

  1. 垂直応力と曲げ応力の組合せ
    1. 応力の重ね合せ
    2. 部材形状によって生じる複数の応力
      • しゃこ万力
  2. 互いに直交する2方向の引張力によって生じる応力
    1. 多軸引張力の作用状況
    2. 主応力と主平面
    3. モールの応力円
    4. 主応力と主せん断応力の計算
  3. 曲げ応力とねじり応力の組合せ
    1. 相当モーメント
    2. 曲げ応力が作用する軸の径の計算

第11章 降伏と塑性

  1. 真応力 ―真ひずみ関係
    1. 真応力と真ひずみ
    2. 真応力 ―真ひずみ曲線
      • 対数の性質
    3. 応力 -ひずみ曲線の実験式
    4. 加工硬化係数
    5. 塑性異方性係数
  2. 弾性破損条件または降伏条件
    1. 降伏条件
    2. 主応力説(maximum principal stress theory)
    3. 最大主ひずみ説(maximum strain theory)
    4. 最大せん断応力説(maximum shear stress theory)
    5. 弾性ひずみエネルギー説(total strain energy theory)
    6. せん断弾性ひずみエネルギー説(distortion energy theory)
    7. 相当応力・相当ひずみ

第12章 建築構造と部材強度

  1. アーチ構造
    1. 石造りのアーチ
    2. アーチ形屋根
    3. 構造部材の形態
  2. 骨組構造
    1. アーチ構造部材
    2. 骨組構造の種類
    3. 部材に働く力
    4. トラスのたわみ
      • 東京タワーとスカイツリー
  3. 軽量部材
    1. 高層建築
    2. 比強度
      • 生きものの骨格
      • トラスとモノコック