き裂とばね

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き裂とばねの違い

き裂 vs. ばね

材料工学においてき裂（亀裂、Crack）とは、材料に生じた欠陥で、その先端の局所的な領域で原子面の分離が生じた破壊の状態をいう。弾性論の観点からは、先端部の曲率半径が半径0である切り欠きとみなせる。破壊力学においては、原子面間隔を曲率半径の下限値として考察する。 き裂を有する材料に荷重を与えると、き裂の先端近傍には著しく高い応力集中が発生する。先端部は降伏し塑性変形する。グリフィス理論によると、き裂に与えられるエネルギー（エネルギー解放率）が、材料の破壊靱性を上回ると、き裂はその長さを伸ばしていく。これをき裂進展という。き裂進展が始まると、き裂は急速に成長していき、短時間のうちに材料を破壊する。 弾性体を仮定して、き裂周囲の理論的な応力分布を求めると先端に特異点が生じるため、き裂の応力集中係数は評価できない。代わりに塑性変形を考慮した応力拡大係数によって、その応力分布が特徴づけられる。この応力拡大係数を創出したのはであり、流体力学で萌芽した座標変換技術を応用し、簡潔なき裂の進展における式を提示した。 図1に示すようにσはその部材にかかる平均的応力であり、その応力方向に垂直に内包された長さaのき裂がもつ駆動力であるK（応力拡大係数）を示すことで、どのサイズの欠陥を検出すれば強度の安全性が守られるかが理論的に示される。. ばねとは、力が加わると変形し、力を取り除くと元に戻るという、物体の弾性という性質を利用する機械要素である。広義には、弾性の利用を主な目的とするものの総称ともいえる。ばねの形状や材質は様々で、日用品から車両、電気電子機器、構造物に至るまで、非常に多岐にわたって使用される。 ばねの種類の中ではコイルばねがよく知られ、特に圧縮コイルばねが広く用いられてる。他には、板ばね、渦巻ばね、トーションバー、皿ばねなどがある。ばねの材料には金属、特に鉄鋼が広く用いられているが、用途に応じてゴム、プラスチック、セラミックスといった非金属材料も用いられている。空気を復元力を生み出す材料とする空気ばねなどもある。ばねの荷重とたわみの関係も、荷重とたわみが比例する線形のものから、比例しない非線形のものまで存在する。ばねばかりのように荷重を変形量で示させたり、自動車の懸架装置のように振動や衝撃を緩和したり、ぜんまい仕掛けのおもちゃのように弾性エネルギーの貯蔵と放出を行わせたりなど、色々な用途のためにばねが用いられる。 「ばね」は和語の一種だが、平仮名ではわかりにくいときは片仮名でバネとも表記される。現在使用されている漢字表記では発条と書かれる。英語に由来するスプリング（spring）という名称でもよく呼ばれる。語源は諸説あるが、「跳ね」「跳ねる」から転じて「ばね」という語になったとされる。 人類におけるばねの使用の歴史は太古に遡り、原始時代から利用されてきた弓はばねそのものである。カタパルト、クロスボウ、機械式時計、馬車の懸架装置といった様々な機械や器具で利用され、ばねは発展を遂げていった。1678年にはイギリスのロバート・フックが、ばねにおいて非常に重要な物理法則となるフックの法則を発表した。産業革命後には、他の工業と同じくばねも大きな発展を遂げ、理論的な設計手法も確立していった。今日では、ばねの製造は機械化された大量生産が主だが、一方で特殊なばねに対しては手作業による製造も行われる。現在のばねへの要求は多様化し、その実現に高度な技術も求められるようになっている。.

塑性

塑性（そせい、英語：plasticity）は、力を加えて変形させたとき、永久変形を生じる物質の性質のことを指す。延性と展性がある。荷重を完全に除いた後に残るひずみ（伸び、縮みのこと）を永久ひずみあるいは残留ひずみという。この特性は加工しやすさを意味し金属が世界中に普及した大きな要因である。またこの特性を結晶学的に説明することに成功したのがOrowanらによる転位論である。 金属材料の展性および延性についての明確な定義は多岐に渡り一言には説明しづらいが、実用的には、次のように考えられている。金属材料の塑性変形抵抗を示す代表的指標に硬さがあり、さらには機械的性質を調べる代表的な方法として、引張試験があるが、低強度域（破壊力学的欠陥の作用しない領域）では硬さと比例関係にある。 この際、得られる特性値として、次のようなものがある。.

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弾性

弾性（だんせい、elasticity）とは、応力を加えるとひずみが生じるが、除荷すれば元の寸法に戻る性質をいう。一般には固体について言われることが多い。 弾性は性質を表す語であって、それ自体は数値で表される指標ではない。弾性の程度を表す指標としては、弾性限界、弾性率等がある。弾性限界は、応力を加えることにより生じたひずみが、除荷すれば元の寸法に戻る応力の限界値である。弾性率は、応力とひずみの間の比例定数であって、ヤング率もその一種である。 一般的にはゴム等の材料に対して「高弾性」という表現が用いられる。この場合の「高弾性」とは弾性限界が大きいことを指す。しかしながら、前述の通り、弾性に関する指標は弾性限界だけでなく弾性率等があって、例えば、ゴムの場合には弾性限界は大きいが弾性率は小さいため、「高弾性」という表現は混同を生じる恐れがある。 英語で弾性をというが、この語源はギリシャ語の「ελαστικος(elastikos:推進力のある、弾みのある)」からきている。また、一般的には弾力や弾力性等の語が使われるが、これらはほぼ弾性と同義である。 現実に存在する物質は必ず弾性の他に粘性を持ち、粘弾性体である。物質が有する粘弾性のうち弾性に特に着目した場合、弾性を有する物質を弾性体と呼ぶ。.

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