金属材料の種類
金属材料は通常、鉄金属、非鉄金属、特殊金属材料に分類されます。

(1) ブラックメタルとは、鋼材とも呼ばれ、鉄含有量が 90% 以上の工業用純鉄、炭素含有量が 2% ～ 4% の鋳鉄、炭素含有量が 2% 未満の炭素鋼、および構造用鋼が含まれます。ステンレス鋼、耐熱鋼、高温合金、ステンレス鋼、精密合金等の各種用途に使用されます。大まかに言って、黒色金属にはクロム、マンガン、およびそれらの合金も含まれます。

(2) 非鉄金属とは、鉄、クロム、マンガンを除くすべての金属およびその合金を指し、通常は軽金属、重金属、貴金属、半金属、レアメタル、レアアースメタルに分類されます。非鉄合金の強度と硬度は一般に純金属よりも高く、高い抵抗と低い抵抗温度係数を持っています。

(3) 特殊な金属材料。目的に応じた構造用金属材料や機能性金属材料を含む。その中には、急速凝縮プロセスによって得られるアモルファス金属材料、準結晶、微結晶、ナノ結晶金属材料などが含まれます。金属基複合材料だけでなく、ステルス性、耐水素性、超電導性、形状記憶、耐摩耗性、振動低減、減衰などの特殊な機能性合金もあります。

金属材料の特性
一般に、プロセス パフォーマンスと使用パフォーマンスの 2 つのカテゴリに分類されます。いわゆるプロセス性能とは、機械部品の機械加工および製造プロセスにおける、指定された冷間および熱間加工条件下での金属材料の性能を指します。金属材料の技術的性能の質によって、製造プロセスにおける加工や成形への適応性が決まります。加工条件の違いにより、鋳造性、溶接性、展性、熱処理性、切削性など、求められる加工性能も異なります。

いわゆる性能とは、機械部品が使用条件下で発揮する金属材料の機械的性質、物理的性質、化学的性質などの性能を指します。金属材料の性能は、その使用範囲や寿命を決定します。機械製造業では、一般に機械部品は常温、常圧、腐食性の高い媒体中で使用され、使用中に各機械部品にかかる負荷は異なります。荷重下での金属材料の破損に対する耐性は、機械的特性と呼ばれます (以前は機械的特性とも呼ばれていました)。金属材料の機械的特性は、部品の設計と材料選択の主な基礎となります。金属材料に必要な機械的特性は、加えられる荷重の性質 (引張、圧縮、ねじり、衝撃、周期荷重など) によっても異なります。一般的な機械的特性には、強度、可塑性、硬度、衝撃靱性、多重衝撃耐性、および疲労限界が含まれます。

金属材料の特徴
1. 疲労
多くの機械部品やエンジニアリングコンポーネントは、交流負荷の下で動作します。交流荷重が作用した場合、応力レベルは材料の降伏限界より低いにもかかわらず、長期間にわたって応力サイクルを繰り返すと、金属材料の疲労と呼ばれる突然の脆性破壊が発生することもあります。金属材料の疲労破壊の特徴は次のとおりです。
(1) 負荷応力が交互である。
(2) 負荷の動作時間が比較的長い。
(3) 破壊は瞬間的に起こります。
(4) プラスチック材料も脆性材料も疲労破壊領域では脆くなります。したがって、疲労破壊は工学分野で最も一般的で危険な破壊形態です。

金属材料の疲労現象は条件により次のような種類に分類されます。

#1.高サイクル疲労
これは、低応力条件（材料の降伏限界よりも低い、ま​​たは弾性限界よりも低い作動応力）下で 100000 を超える応力サイクルによる疲労破壊を指します。これは最も一般的なタイプの疲労破壊です。高サイクル疲労は一般に疲労と呼ばれます。

#2 低サイクル疲労
高応力（材料の降伏限界に近い作動応力）または高ひずみ条件下での、10000 ～ 100000 未満の応力サイクルによる疲労を指します。このタイプの疲労破壊では交互塑性ひずみが重要な役割を果たしているため、塑性疲労またはひずみ疲労としても知られています。

#3.熱疲労
温度変化による熱応力が繰り返し作用することにより生じる疲労損傷。

#4 腐食疲労
交互の負荷と腐食性媒体（酸、アルカリ、海水、活性ガスなど）の複合作用下での機械コンポーネントの疲労破壊。

#5 接触疲労
機械部品の接触応力が繰り返し作用することにより、機械部品の接触面に孔食剥離や表面潰れ剥離が発生し、部品の故障や損傷を引き起こすことを指します。

2. 可塑性
可塑性とは、金属材料が外部荷重下で破壊されることなく永久変形 (塑性変形) を受ける能力を指します。金属材料に張力がかかると、長さと断面積が変化します。したがって、金属の塑性は、長さの伸び（伸び）と断面の収縮（断面積の減少）の 2 つの指標で測定できます。

金属材料の伸びと断面収縮が大きいほど、その可塑性は優れています。これは、材料が損傷することなく大きな塑性変形に耐えることができることを意味します。伸びが 5% を超える金属材料は一般にプラスチック材料 (低炭素鋼など) と呼ばれ、伸びが 5% 未満の金属材料は脆性材料 (ねずみ鋳鉄など) と呼ばれます。塑性特性に優れた材料は、巨視的な広い範囲で塑性変形を起こすことができると同時に、塑性変形により金属材料を強化し、材料の強度を向上させ、部品の安全な使用を確保します。さらに、可塑性が良好な材料は、プレス、冷間曲げ、冷間引抜、矯正などの特定の成形プロセスをスムーズに行うことができます。そのため、機械部品として金属材料を選択する場合は、特定の塑性指標を満たす必要があります。

3. 耐久性
建築金属の主な腐食形態は次のとおりです。
(1) 均一な腐食。金属表面の腐食により、断面が均一に薄くなる。そのため、腐食性能（腐食速度）の指標としては、年平均減肉値がよく使われます。鋼は通常、大気中で均一な腐食を示します。
(2) 毛穴侵食。金属は点状に腐食し、深い穴が形成されます。孔食の発生は、金属とその媒体の性質に関連しています。細孔腐食は、塩化物塩を含む媒体で発生しやすいです。孔食の評価指標としては最大穴深さが一般的に用いられます。パイプラインの腐食では、孔食の問題が考慮されることがよくあります。
(3) ガルバニック腐食。異なる金属の接触点における異なる電位によって引き起こされる腐食。
(4) 隙間腐食。金属表面の局所腐食は、さまざまな部品間の媒体の組成と濃度の違いにより、隙間やその他の隠れた領域で発生することがよくあります。
(5) 応力腐食。腐食性媒体と高い引張応力の複合作用により、金属表面は腐食を受け、内部に拡大して微小亀裂が生じ、多くの場合、突然の破壊につながります。コンクリート中の高張力鋼棒（鋼線）はこのような損傷を受ける可能性があります。

4. 硬度
硬度は、表面に押し込まれる硬い物体に抵抗する材料の能力を表します。金属材料の重要な性能指標の一つです。硬度が高いほど耐摩耗性が向上します。一般的に使用される硬度指標には、ブリネル硬度、ロックウェル硬度、およびビッカース硬度が含まれます。

ブリネル硬度 (HB): 一定の大きさ (通常直径 10 mm) の硬化鋼球を一定の荷重 (通常 3000kg) で材料の表面に押し込み、一定時間保持し、除荷した後の比くぼみ領域への荷重はブリネル硬度値 (HB) であり、キログラム/平方メートル (N/mm2) で測定されます。

ロックウェル硬度 (HR): HB>450 またはサンプルが小さすぎる場合、ブリネル硬度試験は使用できず、代わりにロックウェル硬度測定を使用する必要があります。頂角120°のダイヤモンドコーンまたは直径1.59および3.18mmの鋼球を試験材料の表面に一定の荷重で押し込み、その深さから材料の硬さを計算します。インデント。試験材料の異なる硬度に応じて、異なる圧子と総試験圧力を使用して、いくつかの異なるロックウェル硬度スケールを形成できます。各スケールは、ロックウェル硬度記号 HR の後の文字で示されます。一般的に使用されるロックウェル硬度スケールは、A、B、および C (HRA、HRB、HRC) です。その中でもCスケールが最も広く使われています。

HRA: 60kg 荷重のダイヤモンドコーン圧子を使用して得られる硬度であり、非常に硬度の高い材料 (超硬合金など) に使用されます。
HRB: 100kgの荷重と直径1.58mmの焼入れ鋼球を使用して得られた硬度であり、硬度の低い材料(焼きなまし鋼、鋳鉄など)に使用されます。
HRC：150kgの荷重とダイヤモンドコーン圧子を使用して得られる硬さで、高硬度の材料（焼き入れ鋼など）に使用されます。

ビッカース硬度 (HV): 頂角 136°、最大 120kg の荷重を備えたダイヤモンド角錐圧子を使用して、材料の表面に押し込みます。ビッカース硬度値 (HV) は、材料のくぼみの表面積を荷重値で割ることによって得られます。硬度試験は、機械的性能試験において最も簡単で最も実行可能な試験方法です。特定の機械的性能テストを硬度テストに置き換えるためには、製造時に硬度と強度の間のより正確な変換関係が必要です。金属材料のさまざまな硬度値の間には、また硬度値と強度値の間にもほぼ対応する関係があることが実践により証明されています。硬度の値は初期の塑性変形抵抗と継続的な塑性変形抵抗によって決まるため、材料の強度が高いほど塑性変形抵抗が大きくなり、硬度の値も高くなります。

金属材料の特性
金属材料の性能は、その適用性と適用の合理性を決定します。金属材料の性能は主に、機械的性能、化学的性能、物理的性能、プロセス性能の4つの側面に分けられます。

1. 機械的性質
応力: 物体の内部の単位断面積あたりにかかる力を応力といいます。外力によって生じる応力を加工応力、外力が加わっていない状態で物体の内部で平衡している応力を内部応力（組織応力、熱応力、加工後に残る残留応力など）といいます。

機械的特性: 特定の温度条件下での外力 (荷重) による変形や破壊に抵抗する金属の能力は、金属材料の機械的特性 (機械的特性とも呼ばれます) と呼ばれます。金属材料が耐えることができる荷重には、引張応力、圧縮応力、曲げ応力、せん断応力、ねじり応力、摩擦、振動、衝撃などの静的荷重または動的荷重など、さまざまな形式があります。それは単独で、または同時に負担することができます。したがって、金属材料の機械的性質を測定するための主な指標は次のとおりです。

1. 強さ
これは、外力下での材料の変形や破損に耐える最大の能力であり、引張強さの限界（ σ b) 曲げ強さの限界（ σ Bb) 極限圧縮強さ（ σ BC) などに分けられます。外力による金属材料の変形から破壊までの規則性を測定するために、通常は引張試験が使用されます。つまり、金属材料を特定の仕様の試験片に作成し、試験片が破断するまで引張試験機で引き伸ばします。測定される強度指標には主に次のものが含まれます。

(1) 強度限界: 材料が外力下での破壊に抵抗できる最大応力。一般に引張力 σ B の下での極限引張強さを指します。 強度限界は、引張試験曲線の最高点 b に対応する強度限界を表し、一般的に測定されます。メガパスカル (MPa)。換算関係は、1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2 または 1kgf/mm2=9.8MPaとなります。

(2) 降伏強度限界: 金属材料試験片に加わる外力が材料の弾性限界を超えると、応力は増加しなくなりますが、試験片は依然として大きな塑性変形を受けます。この現象を降伏といい、材料がある程度の外力を受けると、変形が外力に比例しなくなり、大きな塑性変形が起こることをいいます。降伏が発生する応力は降伏強度限界と呼ばれ、引張試験曲線の S 点に対応する降伏点を表す σ S によって決定されます。塑性が高い材料では引張曲線上に明確な降伏点が存在しますが、塑性が低い材料では明確な降伏点が存在しないため、降伏点での外力に基づいて降伏限界を決定することが困難になります。したがって、引張試験法では通常、試験片の標点距離が0.2%の塑性変形を生じる応力を条件降伏限界としてσ 0.2 を用いて指定します。降伏限界指数は、動作中に部品が大幅な塑性変形を受けないようにするための設計基準として使用できます。ただし、一部の重要な部品については、曲げ強度比（つまり、σ S/σ b）も必要と考えられます。安全性と信頼性を向上させるためには、小さい必要がありますが、現時点では、材料の利用率も低いです。

(3) 弾性限界: 材料が外力を受けると変形するが、外力を取り除いても元の状態に戻る能力を弾性といいます。金属材料が弾性変形を維持できる最大応力は、引張試験曲線の点 e に対応する弾性限界です。σ E はメガパスカル (MPa) で表します。 σ 方程式 e=Pe/Fo において、Pe は最大外部応力を表します。弾性を維持したままの力（または材料の最大弾性変形時の荷重）。

(4) 弾性率: これは、弾性限界範囲内の材料の応力 σ とひずみ δ 応力に対応する単位変形の比であり、メガパスカル (MPa) 単位で E で表されます: E= σ/δ= TG α。式中 α 引張試験曲線上の oe ラインと横軸 ox の間の角度。弾性率は金属材料の剛性（力が加わったときに金属材料が弾性変形しにくい性質を剛性といいます）を反映する指標です。

2. 可塑性
外力下で損傷することなく永久変形する金属材料の最大能力は塑性と呼ばれ、通常、引張試験中の試験片の標点間距離の伸び δ (%) とサンプル面積減少率 ψ 伸び率 (%) δ によって測定されます。 = [(L1-L0)/L0] x100%。これは、引張試験中に試験片の破面を揃えた後の標点長さ L1 と試験片の元の標点距離 L0 の差（増加分）の割合です。 。実際の試験では、同じ材料で仕様（直径、正方形、円形、長方形などの断面形状、ゲージ長）が異なる引張試験片で測定した伸びが異なる場合があるため、通常は特別な注意が必要です。たとえば、最も一般的に使用される円形断面試験片の初期ゲージ長が試験片の直径の 5 倍である場合に測定される伸びはδ 5 で表され、初期ゲージ長が試験片の直径の 10 倍である場合に測定される伸びは次のように表されます。試験片の断面積の減少率 ψ= [(F0-F1)/F0] x100%。これは、試験片の元の断面積 F0 との差 (断面積の減少) の割合です。破断後の試験片と引張試験中の破断首部の最小断面積 F1 から F0 まで。実際には、最も一般的に使用される円形断面の試験片は、通常、直径測定を通じて計算できます: ψ= [1- (D1/D0) 2] x 100%。 ここで、 D0- サンプルの元の直径。D1 - 試験片を引き離した後の骨折首部の最小直径。δ ψ に関係 値が大きいほど、材料の塑性が優れています。

3. 回復力
衝撃荷重下での損傷に耐える金属材料の能力は靭性と呼ばれます。通常、衝撃試験が使用されます。これは、特定のサイズと形状の金属試験片が衝撃荷重を受けて指定された場所で破壊されたときに、破断面の単位断面積あたりに消費される衝撃エネルギーによって材料の靱性を特徴付けます。衝撃試験機の種類 α K=Ak/F。単位はJ/cm2またはKg・m/cm2、1Kg・m/cm2=9.8J/cm2です。α K は金属材料の衝撃靱性、Ak は衝撃エネルギー、F は元の破壊断面積と呼ばれます。

4.疲労性能
一般に、金属材料の極限疲労強さは、長期にわたる繰り返し応力や交番応力が加わった場合の降伏極限強さよりも低くなります σ s) 大きな変形を伴わずに破壊が起こる現象を疲労破壊または疲労破壊といいますが、その原因はさまざまです。部品の表面に局所的な損傷を引き起こす σ S が σ よりもさらに大きい b の応力 (応力集中) により、局所領域に塑性変形または微小亀裂が発生します。交互応力の繰り返し回数が増加すると、亀裂は徐々に拡大して深くなり（亀裂先端での応力集中）、局所応力が大きくなるまで局所領域の実際の応力負担領域の断面積が減少します。 σ B よりも破損の原因となります。実際の用途では、試験片が繰り返しまたは交互の応力（引張応力、圧縮応力など）下で指定されたサイクル数（通常、鋼の場合は 106 ～ 107 回、非鉄金属の場合は 108 回）以内に破壊することなく耐えることができる最大応力。 、曲げ応力またはねじり応力など）は、通常、疲労強度限界 σ-1 として MPa で表されます。

上記の最も一般的に使用される機械的性能指標に加えて、航空宇宙、原子力産業、発電所などで使用される金属材料など、特に要件が厳しい一部の材料については、次の機械的性能指標も必要となります。

クリープ限界: 材料が一定の温度および一定の引張荷重で時間の経過とともにゆっくりと塑性変形する現象をクリープといいます。通常は高温引張クリープ試験が用いられ、一定温度、一定引張荷重下で規定時間内に試験片のクリープ伸び（全伸びまたは残留伸び）が得られる最大応力、またはクリープ伸びが生じた段階での最大応力をいいます。速度は比較的一定であり、MPa で表されるクリープ限界として特定の指定値を超えません。ここで、τ は実験時間、t は温度、δ は伸び、σ は応力です。あるいは、V はクリープ速度を表します。
高温引張耐久強度限界: 一定の温度および一定の引張荷重下で試験片が破壊することなく指定された持続時間に達する最大応力。

金属ノッチ感度係数: K τ で表します。ノッチのある試験片とノッチのない平滑な試験片との間の同じ持続時間での応力の比 (高温引張耐久試験)。

耐熱性: 高温での機械的負荷に対する材料の耐性。

2. 化学的性質
他の物質と化学反応を起こす金属の性質を化学的性質といいます。実際の応用では、主に考慮すべき点は、金属の耐食性と耐酸化性（耐酸化性とも呼ばれ、特に高温での酸化に対する金属の耐性または安定性を指します）、および異なる金属間で形成される化合物の影響です。金属と金属、および金属と非金属の間の機械的特性。金属の化学的特性、特に耐食性は、金属の腐食疲労損傷に重大な影響を及ぼします。

3. 物性
金属の物理的特性では主に次のことが考慮されます。
(1) 密度 (比重): ρ= P/V、グラム/立方センチメートルまたはトン/立方メートルで表します。P は重量、V は体積です。実際の用途では、密度に基づいて金属部品の重量を計算することに加えて、金属の比強度 (強度 σ B と密度 ρ ) を考慮することが重要です。非破壊検査関連の材料の選択と音響インピーダンス (密度) を支援します。音響検査 ρ 音速 C と、放射線検査における密度が異なる物質は放射線エネルギーなどの吸収能力が異なるという事実との積。

(2) 融点:金属が固体から液体に変態する温度。これは金属材料の溶解および熱間加工に直接影響し、材料の高温性能に密接に関係します。

(3) 熱膨張：温度変化に伴って材料の体積も変化する（膨張または収縮）現象を熱膨張といい、多くの場合、線膨張係数、つまり増加または減少の比率で測定されます。温度が0℃のときの長さから1℃変化したときの材料の長さ。熱膨張は材料の比熱に関係します。実際の用途では、特に高温環境で動作する金属部品の場合、比体積（温度などの外部影響による材料の単位重量あたりの体積の増減、つまり体積と質量の比）も考慮する必要があります。または、寒い環境と暑い環境が交互に起こる場合、その膨張パフォーマンスの影響を考慮する必要があります。

(4) 磁性：強磁性体を引きつける性質を磁性といい、透磁率、ヒステリシス損失、残留磁気誘導強度、保磁力などのパラメータに反映されます。したがって、金属材料は常磁性と反磁性、軟磁性材料と硬磁性材料。

(5) 電気的性能: 電磁非破壊検査における比抵抗と渦電流損に影響を与える導電性を主に考慮します。

4. プロセスパフォーマンス
金属のさまざまな加工方法への適応性を加工性能と呼びますが、これには主に次の 4 つの側面が含まれます。
(1) 切削性能: 金属材料を切削するための切削工具 (旋削、フライス、プレーニング、研削など) を使用する難易度を表します。

(2) 鍛造性：金属材料を一定の温度に加熱したときの塑性の程度（塑性変形のしにくさとして表れる）、熱間加圧加工が可能な温度範囲、熱膨張と収縮の特性、微細構造と機械的特性に関連する臨界変形の境界、熱間変形中の金属の流動性と熱伝導率。

(3) 鋳造性: 金属材料を溶解して鋳物に鋳造することの難しさを反映し、流動性、ガス吸収、酸化、溶融状態の融点、鋳造組織の均一性と密度、冷間収縮率に現れます。

(4) 溶接性：金属材料が局部的に急速に加熱され、接合部が急速に溶融または半溶融し（圧力が必要）、接合部が強固に接合されて全体が形成されることの難しさを表します。それは、融点、溶解中のガス吸収、酸化、熱伝導率、熱膨張および収縮特性、可塑性、接合部および近隣の材料の微細構造との相関関係、および機械的特性への影響として現れます。