加工材料の知識がやさしくわかる本

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  • 材料知識の全体像
    • 材料と熱処理の全体像
      • 材料は大きく「金属材料」「非金属材料」「特殊材料」に分類される
      • 熱処理はモノの形状を変える機械加工と異なり、加熱や冷却によって形を変えずに材料の性質を変化させる加工
      • 材料の特徴(コツは鉄を基準に比較
        • 鉄は強さ 80円/kg (ステンレス 300円/kg)
        • アルミニウムは軽さ 580円/kg
        • 銅は電気と熱の伝導性 600円/kg
        • プラスチックは自由度の高さ
        • セラミック(焼き物、茶碗やレンガ、機械部品や電子部品、磁石に使用)は硬くて錆びない

 

    • 材料の選定で大切な要素 → QCD 品質(Quality) コスト(Cost) 納期(Delivery)
      • 品質のばらつき
        • ミルシート
      • 加工のしやすさと製造原価
        • モノをつくるのに現場で費やしたすべてのコストを合わせて製造原価と呼ぶ
          • 材料費
          • 労務費
          • 加工機の費用(減価償却費)
          • 電気代その他
        • 製造原価を最小にするためには、材料費だけの視点で判断するのではなく、加工のしやすさも考慮する必要がある
      • 形状と寸法のバリエーションが揃っていること
      • 入手しやすいこと

 

    • なぜ材料知識は難しいのか
      • 大昔→材料をそのまま 石から鉄 アルミニウムやチタン 数種類
      • 純粋な金属のままでは強さが硬さが低い 使えない 純金属に他の成分を溶かし込むことで強さや硬さが向上 さらに溶かし込む成分の比率を変える 種類は飛躍的に増加
        • ex. 鉄:軟らかさが必要なときには加える炭素量を少なくし、硬さが必要なときには炭素を多く加える
      • 制約をかけることにより、種類が無尽蔵に増えることを防ぐ
        • ①JIS規格 ex. 鉄:SS(一般構造用圧延鋼材)材4つの品種設定
        • ②デファクトスタンダード(強制的なルールではなく市場原理で種類が絞り込まれ、業界標準になること) ex. 鉄:SS400のみ
        • ③標準化

 

      • 最も手ごわいのが結晶構造
        • 「なぜ」の視点

 

  • 材料の性質と機械的性質
    • 材料の3つの性質
      • 機械的性質
      • 物理的性質
      • 科学的性質

 

    • 強さとは何か
      • 弾性:力を取り去れば元に戻る性質 ex. クリップ
      • 塑性:力を除いてもひずみが残り元に戻らなくなる ex.プレス加工
      • 破断 ex.旋盤、フライス盤、ボール盤

 

      • 構造部品の設計基準は弾性範囲で使うこと

 

      • 強さを「剛性」と「強度」に分けて理解する
        • 強い部品すなわち頑丈な部品とは
        • 剛性:変形のしにくさ
          • 縦弾性係数(ヤング率)
          • 変形量
        • 強度:大きな力に耐える度合い
          • 降伏点:弾性の上限 ex. SS400 : 245N/mm² (25kgf/mm²)
          • 引張強さ(耐力):破断の限界  ex.SS400 : 400N/mm² (41kgf/mm²)
          • 引張りの力に対して1mm角当たり25kgfの力までは弾性範囲内なので力を除けば元に戻りますが、25kgfを超えると永久ひずみが残ってしまいます。さらに力が増して41kgfに達すると、破断します。

 

        • 応力とひずみ(応用編)
          • 応力:単位面積当たりの力
          • 「応力ーひずみ線図」
          • 「剛性」と「強度」の違い ← 描いてみる

 

        • 「剛性」は形状と寸法で対応する
        • 一般的な使用条件での「強度」は検証不要
          • 例:SS400
            • 25kgf/mm² →1mm角の面積に25kgfの力
            • 10mm角(1cm角)では面積は100倍 → 25kgf/mm² x 100mm² = 2500kg = 2.5t(乗用車2台分)
            • 20mm角 → 面積4倍 → 乗用車8台分
        • 降伏点は引張り強さと関係
          • 生材(熱処理してないもの)は引張り強さの50%
          • 焼入れ焼戻し材は引張り強さの80〜90%

 

    • 硬さと粘り強さ
      • 強さ:徐々に力が加わった際の抵抗の大小 強いー弱い
      • 硬さ:材料表面に局部的に力が加わった際の抵抗の大小 硬いー軟らかい
      • 粘り強さ(じん性(靭性)):急激な力が加わった際の破壊しにくさ 粘り強いーもろい
        • もろさ(ぜい性(脆性))

 

    • 「軟らかさ」と「粘り強さ」は異なる ← 描いてみる

 

  • 物理的性質と科学的性質
    • 重さ → 密度
      • 1m x 1m x 1m(1立方m)kg
      • 1cm x 1cm x 1cm(1立方cm)g
        • 水→1立方cmあたり1g 鉄は7.85g

 

    • さび

 

  • 鉄鋼材料
    • なぜ鉄は多く使われているか
      • 地球の重さの1/3
      • 鉄鉱石から効率よく鉄を取り出せる
      • リサイクル可能 生産される約3割がリサイクルされる
      • 材料の性質をコントロールしやすい

 

    • 高炉メーカー:原材料である鉄鉱石から鉄鋼材まで高炉を使って一貫して生産するメーカー
      • 日本製鉄(新日鐵住金)
      • JFEスチール
      • 神戸製鋼所
      • 日新製鋼
    • 電路メーカー:鉄スクラップを原料として電気炉を使って生産するメーカー
      • 東京製鐵をはじめ数十社

 

    • 鉄の性質は炭素量で決まる
      • 純鉄 炭素量0〜0.02%
      • 軟綱 炭素量0.02〜0.3%
      • 硬綱 炭素量0.3〜2.1%
      • 鋳鉄 炭素量2.1〜6.7%

 

    • 主要な5大元素
      • シリコン(Si)
      • マンガン(Mn)
      • リン(P)
      • 硫黄(S)

 

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