固体と材料強度学

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固体と材料強度学の違い

固体 vs. 材料強度学

固体インスリンの単結晶形態 固体（こたい、solid）は物質の状態の一つ。固体内の原子は互いに強く結合しており、規則的な幾何学的格子状に並ぶ場合（金属や通常の氷などの結晶）と、不規則に並ぶ場合（ガラスなどのアモルファス）がある。 液体や気体と比較して、変形あるいは体積変化が非常に小さい。変形が全く起こらない剛体は理想化された固体の一つである。連続体力学においては、固体は静止状態においてもせん断応力の発生する物体と捉えられる。液体のように容器の形に合わせて流動することがなく、気体のように拡散して容器全体を占めることもない。 固体を扱う物理学は固体物理学と呼ばれ、物性物理学の一分野である。また物質科学はそもそも、強度や相変化といった固体の性質を扱う学問であり、固体物理学と重なる部分が多い。さらに固体化学の領域もこれらの学問と重なるが、特に新しい物質の開発（化学合成）に重点が置かれている。 今まで知られている最も軽い固体はエアロゲルであり、そのうち最も軽いものでは密度は約 1.9 mg/cm3 と水の密度の530分の1程度である。. 材料強度学（ざいりょうきょうどがく、）とは、固体材料に外力が加わったときの変形や破壊などの力学的な挙動を取り扱い、材料の強度を論じる学問である。日本の材料工学・機械工学者の横堀武夫により、材料強度と破壊の学問を体系化するものとして命名された。 材料力学との大きな違いは、量子論、原子論や結晶論（転位論）を意識しつつき裂（転位、空孔、結晶粒界などの材料の微小不連続的な原子の結合部位などもふくめ欠陥と称することが多い）が存在する場合の状態を考慮する事である。材料中にき裂や損傷が、発生・進展（成長）して破壊に至るまでの過程を扱う。 もう一つの大きな違いは、繰返し負荷や温度・湿度の影響によって生じる破壊・損傷を論じる事である。すなわち、引張り強度以下の負荷が与え続けられた場合の材料の破壊や、高温水蒸気中に放置された場合の損傷などである。.

変形

変形（へんけい、deformation）とは、連続体力学における物体の初期状態から最終状態への変換であるTruesdell, C. and Noll, W., (2004), The non-linear field theories of mechanics: Third edition, Springer, p. 48.

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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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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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破壊力学

壊力学（はかいりきがく、英語：fracture mechanics）は、材料力学をベースとしながらもそれでカバーできない分野に考え出された工学の一分野であり、欠陥もしくはき裂を有する部材・材料について、破壊現象を定量的に取り扱う工学的手法の一つである。き裂は曲率半径0 の切り欠きであり、その部位の応力集中係数を従来の材料力学的手法で取り扱うと無限大となる困難が生じていた。これに対する回答をGriffithやIrwimらがみいだしこの分野が確立した。 破壊力学では、欠陥・き裂部位の形状・応力・ひずみの状態などを単純なパラメータに落としこみ、比較的容易に取り扱うことが出来る。材料力学を常用することで解決する分野でなく破壊問題が深刻な最先端領域で多用される。.

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材料工学

材料工学（ざいりょうこうがく、英語：materials science and engineering）または材料科学（ざいりょうかがく）は、工学の一分野であり、物理学、化学等の知識を融合して新しい材料（素材）やデバイスの設計と開発、そして評価をおこなう学問である。 プロセス技術（結晶の成長、薄膜化、焼結、鋳造、圧延、溶接、イオン注入、ガラス形成など）、分析評価技術（電子顕微鏡、X線回折、熱量計測など）および産業上の材料生産での費用対利潤の評価などを扱う。.

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水素

水素（すいそ、hydrogenium、hydrogène、hydrogen）は、原子番号 1 、原子量 1.00794の非金属元素である。元素記号は H。ただし、一般的には「水素」と言っても、水素の単体である水素分子（水素ガス） H を指していることが多い。 質量数が2（原子核が陽子1つと中性子1つ）の重水素（H）、質量数が3（原子核が陽子1つと中性子2つ）の三重水素（H）と区別して、質量数が1（原子核が陽子1つのみ）の普通の水素（H）を軽水素とも呼ぶ。.

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