鋼材の力学的性質とは？弾性が先で塑性があと、応力ひずみ曲線の4点を整理

弾性と塑性の違い

弾性とは、力を加えて変形しても、力を抜けば元の形に戻る性質です。輪ゴムを軽く引っ張って離すと戻るのと同じです。

塑性とは、力を抜いても元に戻らない性質です。針金を大きく曲げると、手を離しても曲がったままになります。

鋼材はこの両方の性質を持ち、加える力の大きさによって切り替わります。

弾性が先、塑性があと

切り替わる境目が弾性限度です。

• 弾性限度まで……弾性。応力度とひずみが比例し、力を抜けば元に戻ります。
• 弾性限度を超えると……塑性。応力度とひずみが比例しなくなり、力を抜いても永久ひずみが残ります。

出題では、この順序を入れ替えてきます。「弾性限度までは塑性を示し、それを超えると弾性を示す」という書き方です。弾性が先と覚えれば見抜けます。

簡単に言えば、そっと押している間は戻る（弾性）、押しすぎると曲がったまま（塑性）ということです。

構造物の鋼材は弾性域の中で使うのが前提です。「塑性領域内で使用する」という記述も、同じ理由で誤りになります。

応力ひずみ曲線の4点

鋼材に引張力を加えていくと、応力度とひずみの関係が曲線で表せます。試験ではこの曲線上の点の名前が問われます。

「点YUは弾性変形をする最大限度である」という記述は誤りです。弾性変形の最大限度は弾性限度（点E）で、上降伏点YUとは別の点です。曲線上ではEのほうが手前にあります。

炭素の量で何が変わるか

鋼は炭素の含有量で性質が変わります。

• 炭素が少ない……延性・展性が向上する（よく伸び、よく広がる）。ただし硬さ・強さは低下する。
• 炭素が多い……硬く強くなるが、粘りは失われる。

低炭素鋼は延性・展性に富むため、橋梁等に広く用いられます。粘りがあるほうが、急に壊れにくいためです。

疲労は急激な破壊。耐候性鋼材は防食用

鋼材が劣化する原因は2つあり、対策も別々です。

耐候性鋼材は腐食対策であって、疲労対策ではありません。疲労が心配な場面で耐候性鋼材を持ち出す記述が、誤り肢として出ています。

種類と用途もセットで問われる

同じNo.17の枠では、鋼材の種類とその用途の組合せも出ます。力学的性質と交互に出題される形です。

引っかけは2つあります。ひとつは棒鋼と線材の用途を入れ替える形。太い棒はコンクリートの中へ、細い線はより合わせて使う、と分けられます。

もうひとつが鋳鉄と鋳鋼の取り違えです。橋梁の支承や伸縮継手に使うのは、もろい鋳鉄ではなく、ねばりのある鋳鋼です。地震時の力や車の衝撃を受ける部位なので、粘りが要ります。

ここでも判断の軸は同じです。衝撃や繰り返しを受けるところには、粘りのある材料。炭素が少ないほど延性・展性が上がるという話とつながっています。

施工管理での確認ポイント

• ミルシートで材質と強度を照合する。納入された鋼材の種類が設計と合っているかを、規格記号で確かめます。
• 曲げ加工した部材の戻りを見る。塑性域まで曲げた部材は元に戻りません。加工後の寸法を実測します。
• 溶接部と断面変化部を重点的に見る。疲労は応力が集中するところから進みます。目視とあわせて記録を残します。
• 耐候性鋼材の初期の錆を落とさない。表面にできる緻密な錆が保護層になります。錆びているからと磨くと逆効果です。

過去問でどう問われたか

鋼材は2級の第一次検定で毎年出ます。力学的性質では弾性と塑性の入れ替えが3年続けて出題されました。

理解度チェック

まとめ

• ★弾性限度までが弾性、超えると塑性。弾性が先、塑性があと。
• 塑性域では応力度をゼロに戻しても永久ひずみが残る。構造物は弾性域で使うのが前提。
• 応力ひずみ曲線の点は比例限度P → 弾性限度E → 上降伏点YU → 引張強さUの順。
• 引張強さUは曲線の頂点＝最大応力度。弾性変形の最大限度は点Eであって点YUではない。
• 炭素が少ないほど延性・展性が向上し、硬さ・強さは低下する。低炭素鋼は橋梁等に広く使う。
• 劣化の原因は腐食と疲労。耐候性鋼材は防食用で疲労対策ではない。疲労は急激な破壊に至る。

鋼材の接合は鋼材の接合、防食の方法は鋼橋の防食で確認できます。