ばねと疲労 (材料)

ショートカット: 違い、類似点、ジャカード類似性係数、参考文献。

ばねと疲労 (材料)の違い

ばね vs. 疲労 (材料)

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。. 労（ひろう、Fatigue）は、物体が力学的応力を継続的に、あるいは繰り返し受けた場合にその物体の機械材料としての強度が低下する現象。金属で発生するものは金属疲労(Metal fatigue)として一般に知られているが、金属だけではなく樹脂やガラス、セラミックスでも起こり得る。また、力学的応力だけではなく電圧や温度の継続的または繰り返し負荷によって絶縁耐力や耐熱性が低下する現象を指すこともあるが一般的ではない。こちらはむしろ経年劣化と呼ぶ。.

ASTMインターナショナル

ASTMインターナショナル は、世界最大・民間・非営利の国際標準化・規格設定機関。工業規格のASTM規格を設定・発行している。 旧称は米国材料試験協会。2001年、ASTM規格が国際化したことを反映し改名した。 1898年に鉄道産業の発展に伴い、レールを製造するための鋼の規格をCharles Benjamin Dudley らが制定したのに始まる。本部はフィラデルフィア近郊のペンシルベニア州ウェストコンショホッケン。 主に工業材料規格と試験法規格からなっている。.

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合成樹脂

合成樹脂（ごうせいじゅし、synthetic resin）とは、人為的に製造された、高分子化合物からなる物質を指す。合成でない天然樹脂には植物から採ったロジンや天然ゴム等があり、鉱物質ではアスファルトが代表例である。合成樹脂から紡糸された繊維は合成繊維と呼ばれ、合成樹脂は可塑性を持つものが多い。 「プラスチック」 (plastic) という表現は、元来「可塑性物質」 (plasticisers) という意味を持ち、主に金属結晶において開花したものを基盤としており、「合成樹脂」同様日本語ではいささか曖昧となっている。合成樹脂と同義である場合や、合成樹脂がプラスチックとエラストマーという2つに分類される場合、また、原料である合成樹脂が成形され硬化した完成品を「プラスチック」と呼ぶ場合あるいは印象的なイメージなど、多様な意味に用いられている。よって、英語の学術文献を書く場合、「plastic」は全く通用しない用語であることを認識すべきで、「resin」（樹脂、合成樹脂）などと明確に表現するのが一般的である。.

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不活性気体

不活性気体または不活性ガス（inert gas）は、化学合成や化学分析や反応性の高い物質の保存に利用される反応性の低い気体である。不活性気体の利用に際しては、製造コストや精製コストを考慮しつつ、問題となる化学反応や物質に対して不活性なものを選択する。窒素やアルゴンが最も一般的である。 希ガスとは異なり、不活性気体は単一種類の元素のみからなるとは限らず、化合物の気体の場合も多い。希ガスと同様、原子価あるいは最外殻電子が閉殻となっているため不活性となる。これはそういう傾向があるというだけで、厳密な規則ではない。実際、希ガスと同様に不活性気体であっても化学反応を起こして化合物を形成することがある。 船舶関連では、防爆のためにタンク内の空間やタンク周辺に充填する酸素含有率の低いガスを不活性ガスと呼ぶ。この場合の不活性ガスは窒素ベースのものと煙道ガス（排ガス）ベースのものがある。.

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強度

材料の強度（きょうど）あるいは強さ（つよさ）とは、その材料が持つ、変形や破壊に対する抵抗力を指す。 古くから経験的に把握されていた材料における強度の概念について最初に定量化を試みたのはレオナルド・ダ・ヴィンチであるが、彼の個人的なノートでの記述に限られていた。一般に公開された書物としては1638年に出版されたガリレオ・ガリレイの『新科学対話』における記述が最初である。18世紀に入ると引張試験や曲げ試験など様々な強度試験の方法が確立し、ステファン・ティモシェンコの確立した材料力学の考え方とともに建築分野や機械設計分野の基礎を支えていると一般のエンジニアには思われている。しかしながら、戦場の最前線のごとく、破損した材料の屍を築く領域や、永久には持たないならその寿命を工学的に管理するなど分野においては、破壊力学（靭性）的考え方を採用することも重要で、一般の人々の感覚に還元すると強度と靭性のバランスポイントがありそこが最も強度が高いという認識になる。 強度を表す指標は様々であり、材料の変形挙動の種類によって以下のように用語を使い分ける。; 降伏強さ; 引張強さ; 延性; 破壊エネルギー（靭性）; 曲げ強度（抗折力）; 硬度.

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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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弾性率

弾性率（だんせいりつ、elastic modulus）は、変形のしにくさを表す物性値であり、弾性変形における応力とひずみの間の比例定数の総称である。弾性係数あるいは弾性定数とも呼ばれる。 1807年にトマス・ヤングによって導入された。.

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応力

応力（おうりょく、ストレス、stress）とは、物体連続体などの基礎仮定を満たすものとする。の内部に生じる力の大きさや作用方向を表現するために用いられる物理量である。物体の変形や破壊などに対する負担の大きさを検討するのに用いられる。 この物理量には応力ベクトル と応力テンソル の2つがあり、単に「応力」といえば応力テンソルのことを指すことが多い。応力テンソルは座標系などを特別に断らない限り、主に2階の混合テンソルおよび混合ベクトルとして扱われる（混合テンソルについてはテンソル積#テンソル空間とテンソルを参照）。応力ベクトルと応力テンソルは、ともに連続体内部に定義した微小面積に作用する単位面積あたりの力として定義される。そのため、それらの単位は、SIではPa (N/m2)、重力単位系ではkgf/mm2で、圧力と同じである。.

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クリープ

リープ(creep)は、物体に持続応力が作用すると、時間の経過とともに歪みが増大する現象。主に高温環境下における材料の変形を説明するために用いられる。.

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セラミックス

伊万里焼の皿 高電圧用セラミック碍子 セラミックスまたはセラミック（ceramic）とは、狭義には陶磁器を指すが、広義では窯業製品の総称として用いられ、無機物を加熱処理し焼き固めた焼結体を指す。金属や非金属を問わず、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物などの無機化合物の成形体、粉末、膜など無機固体材料の総称として用いられている。伝統的なセラミックスの原料は、粘土や珪石等の天然物である。なお、一般的に純金属や合金の単体では「焼結体」とならないためセラミックスとは呼ばれない。.

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産業革命

ワットの改良蒸気機関。ワット式蒸気機関の開発は動力源の開発における大きな画期であり、産業革命を象徴するものである 産業革命（さんぎょうかくめい、Industrial Revolution）は、18世紀半ばから19世紀にかけて起こった一連の産業の変革と、それに伴う社会構造の変革のことである。 産業革命において特に重要な変革とみなされるものには、綿織物の生産過程における様々な技術革新、製鉄業の成長、そしてなによりも蒸気機関の開発による動力源の刷新が挙げられる。これによって工場制機械工業が成立し、また蒸気機関の交通機関への応用によって蒸気船や鉄道が発明されたことにより交通革命が起こったことも重要である。 経済史において、それまで安定していた一人あたりのGDP(国内総生産)が産業革命以降増加を始めたことから、経済成長は資本主義経済の中で始まったとも言え、産業革命は市民革命とともに近代の幕開けを告げる出来事であったとされる。また産業革命を「工業化」という見方をする事もあり、それを踏まえて工業革命とも訳される。ただしイギリスの事例については、従来の社会的変化に加え、最初の工業化であることと世界史的な意義がある点を踏まえ、一般に産業革命という用語が用いられている。.

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黄銅

五円硬貨。銅60-70%、亜鉛40-30%の黄銅製。 黄銅（こうどう、おうどう、）は、銅と亜鉛の合金で、特に亜鉛が20%以上のものをいう。真鍮（しんちゅう）と呼ばれることも多い。.

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金属

リウム の結晶。 リチウム。原子番号が一番小さな金属 金属（きんぞく、metal）とは、展性、塑性（延性）に富み機械工作が可能な、電気および熱の良導体であり、金属光沢という特有の光沢を持つ物質の総称である。水銀を例外として常温・常圧状態では透明ではない固体となり、液化状態でも良導体性と光沢性は維持される。 単体で金属の性質を持つ元素を「金属元素」と呼び、金属内部の原子同士は金属結合という陽イオンが自由電子を媒介とする金属結晶状態にある。周期表において、ホウ素、ケイ素、ヒ素、テルル、アスタチン（これらは半金属と呼ばれる）を結ぶ斜めの線より左に位置する元素が金属元素に当たる。異なる金属同士の混合物である合金、ある種の非金属を含む相でも金属様性質を示すものは金属に含まれる。.

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腐食

腐食（ふしょく、腐蝕とも。corrosion）とは、化学・生物学的作用により外見や機能が損なわれた物体やその状態をいう。 金属の腐食とは、周囲の環境（隣接している金属・気体など）と化学反応を起こし、溶けたり腐食生成物（いわゆる「さび」）を生成することを指す。これは、一般的に言われる、表面的に「さび」が発生することにとどまらず、腐食により厚さが減少したり、孔が開いたりすることも含む。;金属以外の腐食;生物学的な腐食 以下、金属の腐食を中心に述べる。.

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耐熱性

耐熱性（たいねつせい、英語：heat resistance）とは、物質が高温にさらされた際に、物性を維持する性質をいう。.

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材料力学

材料力学（ざいりょうりきがく、）は、応用力学の一分野で、機械や構造物に負荷が加わったときの変形、そして破壊の原理を研究する学問である。.

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残留応力

残留応力 （ざんりゅうおうりょく、residual stress）とは、 外力を除去した後でも物体内に存在する応力のことである。フックの法則により残留応力に対応するひずみを、残留ひずみ（ざんりゅうひずみ、residual strain）と呼ぶ。残留応力の分布は様々だが、物体の平衡状態を満足するため、物体全体では正負の残留応力が釣り合っている。 残留応力の発生は望ましいときと望ましくないときがある。一般的に、圧縮の残留応力は強度を向上させ、引張の残留応力は強度を低下させる。例えば、レーザーピーニングはタービンエンジンファンブレードのような金属部品に有益な圧縮の残留応力を与える。また、スマートフォンのディスプレイに使用されている強化ガラスにも応用され、大きくて薄く、かつ、き裂・擦り傷に抵抗のあるものを実現している。しかし、意図しない残留応力の発生は構造物の早期破壊を引き起こす場合もある。 残留応力は様々なメカニズムで発生する。例えば、塑性変形や温度勾配、物質の相転移などがある。溶接時に発生する熱は局所的な材料の膨張を発生させる。溶接中は、溶接されている部品が移動したり、溶融金属が膨張を吸収するが、溶接完了時には、ある部分は他の場所以上に早く冷却され、残留応力が残る結果となる。.

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