機械創成学Ｉ Creation and Production I

平成23年 機械・知能系 ５セメスター

2. 素材の創成：設計と材料の関係 Creation of materials :

relation between design and material

材料と設計 Material and design

新しい材料 新しい機械システム

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.

New materials New mechanical systems

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

ガラスウィンドウ

プラスチックレンズ

タングステン フィラメント

ステンレス鋼， アルミ合金製トリム

鉄鋼製フレーム

鉛バッテリ- スチール，アルミニウム合金製ホイール

プラスチック製風よけ 洗浄液タンク

セラミックス製スパークプラグ

銅製配線

ゴム製タイヤ

S. Kalpakjian and S. Schmid, Manufacturing Engineering and Technology (6th edition),Prentice Hall (2010).

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

非晶質材料 Amorphous

熱可塑性Thermoplastic

熱硬化性Thermosets

エラストマー Elastomers

工業材料の分類 Engineering materials

鉄鋼 Steels

ステンレス鋼 Stainless steels 工具鋼

Tool and die steels 鋳鉄

Cast irons

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 Rubbers

シリコンゴム Silicones ポリウレタン

Polyurethanes

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

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

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。

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

材料特性 Behavior and manufacturing properties of materials

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

金属材料 Characteristics of metals

・( )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 ( )

金属材料 Metals

鉄系材料 Ferrous

非鉄金属 Nonferrous

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

アルミニウム Aluminum 銅

Copper チタン

Titanium タングステン

Tungsten その他 Others

熱可塑性・熱硬化性樹脂 Thermoplastic and thermosetting resins

・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

樹脂材料（高分子材料） Plastics

熱可塑性Thermoplastic

熱硬化性Thermosets

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

エラストマー Elastomer

樹脂材料（高分子材料） Plastics

エラストマー Elastomers

ゴム Rubbers

シリコンゴム Silicones ポリウレタン

Polyurethanes

・( )を有する高分子材料。

Polymer materials with

( )

・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

セラミックス Ceramics

・( )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

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

・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

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

複合材料 Composites

自動車構成材料比の推移 Change in ratio of materials used in automobiles

( ) ( )

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.

鉄鋼材料 鉄鋼材料

Steel

工業材料の変遷 Historical development of materials

セラミックス

ガラス

金属 Metals

金属 Metals 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; Glasses

M.F. Ashby，機械設計のための材料選択，内田老鶴圃(1997)

相対的重要度

D

egr

ee

of

imp

ort

ance

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; Glasses

西暦年 Year

●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．

工業材料の変遷

( ) was first developed and used.

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.

一般 相対価格 Cost (ー)

General 密度 Density Mg/m3

機械的特性 ( ) GPa

Mechanical 強度 Strength MPa

properties ( ) KJ/m2

( ) MPa・m1/2

熱的特性 熱伝導率 Thermal conductivity W/mK

Thermal 熱拡散率 Thermal diffusivity m2/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 m2/s

Oxidation

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

材料間の特性比較 Material properties of materials

M.F. Ashby，機械設計のための材料選択，内田老鶴圃(1997)

Density r, Mg/m3

Ela

stic m

od

ulu

s E

, G

Pa

Density r, Mg/m3

Str

en

gth

sf,

MP

a

軽量 (light) 高弾性率

(high elasticity)

軽量 (light) 高強度

(high strength)

elastomers

elastomers

Polymers Polymers

Alloys

Alloys

Fine ceramics Fine ceramics

composites composites

( )

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 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 Elastic recovery: When unloaded, the specimen still returns to original shape

Permanent (plastic ) deformation remains when unloaded.

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.

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

( )

が生じる。

Both

( )

deformation occurs.

セラミックス：

ceramics アルミナ、窒素化ケイ素など

alumina; silicon nitride,

etc.

( )の結晶

Crystals with

( )

( )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

ポリマー：polymers プラスチック、ゴム、エラストマーなど

plastics, elastomers, etc.

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したもの。

Polymer chains are bonded with

van der Waal’s force.

極めて大きな弾性ひずみが生じる。

Extremely large elastic

deformation occurs.

応力ひずみ線図 Stress-strain curve

De

Ds

e

s

Elastic

recovery

Young’s modulus

Permanent

deformation

Elastic

e

s

×

Strain

Stress

F=0 F=0

l0 A0

F F

F F

アルミニウム合金の応力-ひずみ曲線

Stress-strain curve of aluminum alloy

e = ( )

( )

Yield stress sy

sT

( )

各種材料の典型的な応力ひずみ曲線 Typical stress-strain curves

Nominal strain (DL/L0)×100 [%]

Nominal strain (DL/L0)×100 [%] 注意：ゴムの場合の目盛り

For rubber

Nom

inal str

ess F

/A0 [N

/m2]

Nom

inal str

ess F

/A0 [N

/m2]

アルミナ(Al2O3)

alumina

低炭素鋼

Low-carbon steel

弾性変形

Elastic deformation

塑性変形

Plastic deformation

ポリメチルメタクリレイト （アクリル樹脂，122℃で試験）

Acrylic resin

架橋した天然ゴム

Natural rubber with

cross-linked

A.G.Guy 材料科学（丸善）

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?

各材料の特性の概数 Material properties of samples

融点(℃)

Melting point

密度(g/cm3)

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

660 2.7 40 ～50

銅 Copper 1083 8.9 60 ～55

ステンレス鋼

Stainless steel

約1500 7.8 ～500 40-65

ピアノ線

Piano wire

約1500 7.8 ～1000 20-30

しんちゅう Brass 915 8.4 70-640 5-30

はんだ Solder 300 ～10 10-50 20-80

アクリル樹脂

Acrylic resin

<200 ～0.9 45 －

木 Timber － 0.4-0.8 － －

ゴム Rubber <200 ～0.8 － ＞500

アルミナ Alumina 2050 4 400 5000 － －

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.