令和4年度 I-1-1

解説

この問題で問われていること

金属材料の一般的性質に関する4つの記述(A)〜(D)について、疲労破壊が起こりやすくなる平均応力の方向、クリープが顕著になる条件、変形しやすさと縦弾性係数の関係、応力集中の大小を問う問題。

解き方

① 金属材料の基本: 平均応力が引張側に寄るほど疲労強度は下がる、クリープは高温で顕著、縦弾性係数が小さいほど変形しやすい、形状が急変する部分は応力集中で応力が大きくなる
② ア=引張で①②⑤。ウ=小さいで①。エ=大きくも①で一致
③ 引張・高温・小さい・大きく(①)

正解が正しい理由

(A)疲労限度線図では、繰り返し応力の平均応力を引張方向に大きくするほど、少ない繰り返し回数で疲労破壊しやすくなる(圧縮方向の平均応力はむしろ疲労寿命を延ばす傾向がある)。(B)クリープ(長時間一定荷重下でひずみが時間とともに増加する現象)は材料の温度が高い状態で顕著になる。(C)弾性変形下では縦弾性係数(ヤング率)の値が小さいほど、少しの荷重でも変形しやすい。(D)部材の形状が急に変化する部分では応力集中により局所的にvon Mises相当応力が大きくなる。したがってア=引張、イ=材料の温度が高い状態、ウ=小さい、エ=大きくの組合せである①が正しい。

各選択肢について

• ① ア=引張、イ=材料の温度が高い状態、ウ=小さい、エ=大きくの組合せが、疲労・クリープ・弾性変形・応力集中に関する材料力学の基本的性質と一致しており、これが正答。
• ② ウが「大きい」、エが「小さく」となっている点が誤り。縦弾性係数が小さいほど変形しやすく、形状急変部では応力は集中して大きくなる。
• ③ アが「圧縮」となっている点が誤り。疲労破壊が起こりやすくなるのは平均応力を引張方向に変化させた場合である。
• ④ アが「圧縮」、イが「引張強さが大きい材料」となっている点が誤り。疲労破壊は平均応力を引張方向にすると起こりやすく、クリープは温度が高い状態で顕著になる(引張強さの大小とは直接関係しない)。
• ⑤ イが「引張強さが大きい材料」となっている点が誤り。クリープが顕著になるのは材料の温度が高い状態であり、引張強さの大小そのものではない。

覚えるべきポイント

疲労限度線図では引張側の平均応力が疲労寿命を縮め、圧縮側はむしろ有利に働く。クリープは高温状態で顕著になる現象であり、常温での引張強さの大小とは別の話である点を区別しておく。