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- さなえ しんまつ
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1 平成 23 年機械 知能系 5 セメスター 機械創成学 I Creation and Production I 2. 素材の創成 : 設計と材料の関係 Creation of materials : relation between design and material
2 材料と設計 Material and design 新しい材料 New materials 新しい機械システム New mechanical systems 製品を開発する過程で製品の機能 ( 働き ) にふさわしい素材を選ぶ. Selection of suitable materials for function of products 素材の材料特性の理解が必要 Understanding of material characteristics 加工工程を素材にあわせて決める. Selection of manufacturing process based on materials 機能にふさわしいように素材の特性を改良する. Modify material properties to satisfy desired functions 良い素材がなければ設計者の意図を実現出来ない. Functions designed is not realized without good materials.
3 主な自動車部品の材料 some of the materials used in a typical automobile 鋳鉄, アルミ合金製エンジンブロック 鉄鋼, アルミ合金, FRP 製ボディー プラスチック製バンパーダッシュボード, シート セラミックス製スパークプラグ ガラスウィンドウ プラスチックレンズ 銅製配線 タングステンフィラメント プラスチック製風よけ洗浄液タンク スチール, アルミニウム合金製ホイール 鉄鋼製フレーム鉛バッテリ - ゴム製タイヤ ステンレス鋼, アルミ合金製トリム S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6 th edition),prentice Hall (2010).
4 工業材料の分類 Engineering materials 工業材料 Engineering Materials 金属材料 Metals 樹脂材料 ( 高分子材料 ) Plastics セラミックス Ceramics 複合材料 Composites 鉄系材料 Ferrous 非鉄金属 Nonferrous 熱可塑性 Thermoplastic 熱硬化性 Thermosets エラストマー Elastomers 鉄鋼 Steels ステンレス鋼 Stainless steels 工具鋼 Tool and die steels 鋳鉄 Cast irons 非晶質材料 Amorphous アルミニウム Aluminum 銅 Copper チタン Titanium タングステン Tungsten その他 Others アクリル Acrylics ABS 樹脂 ABS ナイロン Nylons ポリエチレン Polyethylenes 塩化ビニル PVC その他 Others エポキシ Epoxies フェノール Phenolics ポリイミド Polyimides その他 Others ゴム酸化物 Rubbers Oxides シリコンゴム窒化物 Silicones Nitrides ポリウレタン炭化物 Polyurethanes Carbides ガラス Glasses 黒鉛 Graphite ダイヤモンド Diamonds 強化プラスチック Reinforced plastics 金属基複合材料 Metal-matrix セラミックス基複合材料 Ceramic-matrix 積層材 Laminates
5 素材から形状を創成する方法 Forming from material 変形させて ( または液体にして ) 目的の形状を形成する Form a certain shape using deformation or fluidization of materials ( ) 材料の塊から余分な部分を除去して形状を形成する Form a certain shape by removing excess parts from a block material いくつかの部分をあわせて ( 接合して ) 形状を形成する Form a certain shape by joining some parts 形状創成のためには 材料のさまざまな特性を理解する必要がある
6 材料特性 Behavior and manufacturing properties of materials 材料特性 Behavior and manufacturing properties of materials 材料構造 Structure of materials 機械的特性 Mechanical properties 物理的 化学的性質 Physical and chemical properties 特性改質性 Property modification 結合様式 : 金属, 共有, イオン結合など Atomic bonds: Metallic, covalent, and ionic 結晶性 Crystalline 非晶性 Amorphous 部分結晶性 Partly crystalline 高分子鎖 Polymer chains 強度 Strength 延性 Ductility 弾性 Elasticity 硬さ Hardness 疲労 Fatigue クリープ性 Creep 靱性 Toughness 破壊靱性 Fracture 密度 Density 融点 Melting point 比熱 Specific heat 熱伝導率 Thermal conductivity 熱膨張性 Thermal expansion 電気伝導率 Electrical conductivity 磁性 Magnetic properties 耐食性 Corrosion 熱処理 Heat treatment 析出効果 Precipitation hardening 焼きなまし Annealing 焼き戻し Tempering 表面処理 Surface treatment 合金化 Alloying 複合化 Composites 積層化 Laminates 充填剤 Filelrs
7 金属材料 Characteristics of metals 鉄系材料 Ferrous 金属材料 Metals 非晶質材料 Amorphous 鉄鋼 Steels ステンレス鋼 Stainless steels 工具鋼 Tool and die steels 鋳鉄 Cast irons 非鉄金属 Nonferrous アルミニウム Aluminum 銅 Copper チタン Titanium タングステン Tungsten その他 Others した結晶 Crystal with 弾性率が高く, 延性に富み, High elastic modulus; ductile; を有する High しやすい Low
8 熱可塑性 熱硬化性樹脂 Thermoplastic and thermosetting resins 樹脂材料 ( 高分子材料 ) Plastics 熱可塑性 Thermoplastic アクリル Acrylics ABS 樹脂 ABS ナイロン Nylons ポリエチレン Polyethylenes 塩化ビニル PVC その他 Others 熱硬化性 Thermosets エポキシ Epoxies フェノール Phenolics ポリイミド Polyimides その他 Others 分子量が大きい( 以上 ) 有機化合物 Organic compounds with large molecular weight (> ) 高分子鎖が( ) によって結合されている Molecular chains are bonded with ( ) 弾性率は低い Low elastic modulus 成形が容易( 複雑な形状でもによって1 回の操作で成形可能 ) Ease of forming; complicated shape is easily formed with として利用されつつある Substitute for エンジニアリングプラスチック Engineering plastics
9 エラストマー Elastomer 樹脂材料 ( 高分子材料 ) Plastics を有する高分子材料 Polymer materials with エラストマー Elastomers ゴム Rubbers シリコンゴム Silicones ポリウレタン Polyurethanes 高分子鎖同士がところどころでつながっている ため 伸びても元に戻る性質がある Extremely elastic deformation is allowed due to, which connects molecular chains. 乾燥時に高い摩擦係数を示す High friction coefficient under dry conditions
10 セラミックス Ceramics セラミックス Ceramics 酸化物 Oxides 窒化物 Nitrides 炭化物 Carbides ガラス Glasses 黒鉛 Graphite ダイヤモンド Diamonds 性の結晶 Crystals with ( ) bonds 系 系 系 に分類される Classified into,, and 剛性が高く 硬い High stiffness and hardness に優れる ( 工具など ) High ( ); used in tools 高温強度に優れ 耐食性に優れる High strength at high temperature; high corrosion resistance である ( もろい ) ガラスは非晶質構造を有する Glass : amorphous
11 複合材料 Composites 複合材料 Composites 強化プラスチック Reinforced plastics 金属基複合材料 Metal-matrix セラミックス基複合材料 Ceramic-matrix 積層材 Laminates 異なる材料の長所を併せ持ち 短所を排除した材料 A material in which several materials is combined to have advantages of law materials and remove their disadvantages エポキシなどのポリマーを母材とし ( ) などを強化材とした材料 FRP: CFRP: 軽量 高強度 高靱性 Light weight; high strength; high toughness コスト : 高 Expensive
12 自動車構成材料比の推移 Change in ratio of materials used in automobiles 鉄鋼材料鉄鋼材料 Steel 非鉄 ( 主としてアルミニウム ) および が年々増加し, 鉄系材料, 特に鋼板の比率が低下 藤根学ほか :TOYOTA Technical Review, Vol.53, 219(2004), p.40.
13 相対的重要度 Degree of importance 工業材料の変遷 Historical development of materials ポリマーエラストマー Polymers Elastomer 金属 Metals 金属 Metals 複合材料 Composites ポリマーエラストマー Polymers Elastomer 複合材料 Composites セラミックス ガラス Ceramics; ガラス Glasses セラミックス ガラス Ceramics; Glasses 西暦年 Year M.F. Ashby, 機械設計のための材料選択, 内田老鶴圃 (1997)
14 工業材料の変遷 金属 :Metals 金 銅 青銅 鉄 鋼 軽合金 超合金 gold copper bronze iron steel alloy superalloy ポリマー エラストマー :Polymers; Elastomers 木材 皮革 天然繊維 人工ポリマー timber leather natural fibre artificial polymer セラミックス ガラス :Ceramics; Glasses 石器 土器 陶器 セラミックス ガラス stone tool earthen vessel pottery ceramics;glasses 複合材料 :Composites 日干しレンガ 土壁 FRP CMC bricks clay wall FRP CMC 材料から使われ, 発展してきた. was first developed and used.
15 素材の価格と入手しやすさ Material cost and accessibility 用途分野 use 材料 Materials トン当たりの価格 ( /tons) 基本構造物木材, コンクリート, 構造用鋼 Structure Timber, concrete, structural steel 大量に使われる large amount used 中 軽工業 航空機, 自動車, 器具用金属 合金 Middle/light Metals and alloys for airplane, automobiles industry usage is not restricted due to economic reason 特殊材料 タービンブレード用合金, 先進複合材料 Special materials Alloys for turbine blades, advanced composites 貴金属など サファイアベアリング, 銀接点, 触媒用白金 Rare metals Sapphire bearing, silver contact, platinum catalyst 工業用ダイヤモンド, 切削工具, 研磨工具など Diamond for engineering, cutting tools, grinding tools 材料選択にあたっては, が必要. should be considered to select suitable materials.
16 設計に制約を及ぼす材料特性 Material properties that constrain product design 性質 Properties 単位 Unit 一般 相対価格 Cost ( ー ) General 密度 Density Mg/m 3 機械的特性 GPa Mechanical 強度 Strength MPa properties KJ/m 2 MPa m 1/2 熱的特性 熱伝導率 Thermal conductivity W/mK Thermal 熱拡散率 Thermal diffusivity m 2 /s properties 比熱 Specific heat J/kg K 融点 Melting point K K K -1 熱衝撃抵抗 Thermal shock resistance K クリープ抵抗 Creep resistance (-) 腐食 酸化特性 腐食速度 Corrosion rate (-) Corrosion 酸化速度定数 Oxidation rate m 2 /s Oxidation
17 Elastic modulus E, GPa 材料間の特性比較 Material properties of materials Strength s f, MPa 軽量 (light) 高弾性率 composites (high elasticity) Fine ceramics Alloys 軽量 (light) 高強度 (high strength) composites Fine ceramics Alloys Polymers Polymers elastomers elastomers Density r, Mg/m 3 Density r, Mg/m 3 M.F. Ashby, 機械設計のための材料選択, 内田老鶴圃 (1997)
18 材料を変形させるには? How to deform materials あらゆる物質は応力を加えたり温度を変えたりすると形状または容積が変化する Materials deform or change their volume when stress is applied or temperature changes 変形の分類 曲げても元に戻る Elastic recovery: When unloaded, the specimen still returns to original shape 曲げた後 元に戻らない ( 永久変形 ) わずかに戻るのは弾性変形分 Permanent (plastic ) deformation remains when unloaded.
19 各種材料の変形挙動 Deformation behavior of materials 材料 materials 構造 ( 結合様式 )structure 変形挙動 deformation behavior 金属 :metals 炭素鋼 アルミニウムなど carbon steel; aluminum, etc. セラミックス : ceramics アルミナ 窒素化ケイ素など alumina; silicon nitride, etc. ポリマー :polymers プラスチック ゴム エラストマーなど 主に ( ) した結晶 Crystals with 面心立方構造 ちゅう密六方構造 体心立方構造 の結晶 Crystals with 鎖状に共有結合した炭素原子の骨格をもつ高分子 ( ポリマー ) がファンデルワールス力により凝集 plastics, elastomers, etc. したもの Polymer chains are bonded with van der Waal s force. が生じる Both deformation occurs. はほとんど起きず わずかな弾性変形の後に破壊する Fracture after small elastic deformation 極めて大きな弾性ひずみが生じる Extremely large elastic deformation occurs.
20 応力ひずみ線図 Stress-strain curve s Elastic Young s modulus Ds Stress s s T F F De s y Yield stress F F Elastic recovery e = アルミニウム合金の応力 - ひずみ曲線 Stress-strain curve of aluminum alloy e F=0 F=0 Strain e Permanent deformation l 0 A 0
21 Nominal stress F/A 0 [N/m 2 ] Nominal stress F/A 0 [N/m 2 ] 各種材料の典型的な応力ひずみ曲線 Typical stress-strain curves Nominal strain (DL/L 0 ) 100 [%] アルミナ (Al 2 O 3 ) alumina 注意 : ゴムの場合の目盛り For rubber 低炭素鋼 Low-carbon steel 塑性変形 Plastic deformation 弾性変形 Elastic deformation 架橋した天然ゴム Natural rubber with cross-linked ポリメチルメタクリレイト ( アクリル樹脂,122 で試験 ) Acrylic resin Nominal strain (DL/L 0 ) 100 [%] A.G.Guy 材料科学 ( 丸善 )
22 身近な材料の変形挙動 Deformation behavior of materials 素材サンプル アルミニウム aluminum ステンレス鋼 stainless steel ピアノ線 piano wire 銅 copper alloy 真鍮 ( しんちゅう ) brass はんだ solder アクリル acrylic resin 木 Timber ゴム rubber アルミナ alumina これらの材料を使ってどのように形状を作っていくのか? まずは 曲げてみよう! Let s bend the samples! どのような変形が起こるか どのように破壊するか? What deformation is observed? How is the samples broken?
23 各材料の特性の概数 Material properties of samples 融点 ( ) Melting point 密度 (g/cm 3 ) Density 弾性率 (GPa) Elastic modulus 降伏応力 (MPa) Yield stress 最大引張強さ (MPa) Tensile strength 破断伸び (%) Breaking elongation アルミニウム Aluminum ~50 銅 Copper ~55 ステンレス鋼 Stainless steel ピアノ線 Piano wire 約 ~ 約 ~ しんちゅう Brass はんだ Solder 300 ~ アクリル樹脂 Acrylic resin <200 ~ 木 Timber ゴム Rubber <200 ~0.8 - >500 アルミナ Alumina
24 本日のまとめ Today s summary 工業材料は 金属 プラスチック セラミックスとそれらの複合材料に分類される Engineering materials are classified into metals, plastics, ceramics, and their composites 機械設計における材料選定では 機能だけでなく 形状や生産プロセス 経済的考慮を考える必要がある Material selection in mechanical design needs considerations in shapes, manufacturing processes, and economical impact as well as only functions. 形状創成のためには材料の様々な特性 ( 変形特性など ) を理解する必要がある Understanding of various material properties is needed to manufacture products from raw materials.
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13ｦ ｦｵｦｧｦｬｦ ｦｱｦｩｦｲ ｦｳｦｧｦｲ ｦｪｦｴｦ ｦ ｦｱｦｭｦｧｦｲｦ ｦｸｦｲ (ｦｳｦ ｦｴｦｶｦｯｦｲ 6ﾒ2ｦ ｦｴｦｳｦ ｦｱｦｯ) 34309 2009-12-23 ICS: 93.160 1501-08-07-01-05:2009 HELLENIC TECHNICAL SPECIFICATION Manhole steps : 3 08.. 313, 111 45 1334310
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