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技術情報・技術コラム

超硬合金のヤング率とは?計算方法や試験の種類、材料ごとの目安など徹底解説

数ある金属材料の中でも、特に優れたヤング率を誇るのが超硬合金の特徴です。材料の曲げにくさ・曲げやすさを表す指標であるヤング率が高いことで、硬くて曲がりにくく、強度が求められる工業分野の工具(エンドミルやドリルなど)に使用されています。

日常では馴染みのないヤング率ですが、どのように算出されているのでしょうか。計算方法や試験の種類などとともに、材料ごとの目安となる数値も解説します。

超硬合金のヤング率について

超硬合金は耐摩耗性や耐熱性に優れた材料で、高い強度が求められるエンドミルやドリルなどの工具・金型などに用いられています。この超硬合金の重要なパラメーターの一つがヤング率です。

ヤング率とは、材料の弾性的な性質(曲げにくさ・曲げやすさ)を表す値で、縦弾性係数とも呼ばれます。ヤング率が大きい材料は強い力が加わっても変形しにくく、反対にヤング率が小さい材料ほど少しの力で大きく変形してしまいます。

ヤング率は、超硬合金の硬さ・強度を理解するための重要な指標です。ヤング率とはどのような指標なのか、基礎や計算方法について概要を解説します。

応力とひずみの基礎知識

ヤング率は「応力」と「ひずみ」の関係を表した数値で、材料ごとに決まっています。応力・ひずみとは、以下のようなことを指します。

  • ・応力:物体に力を加えた際に、抵抗するように物体の中に生まれる逆向きの力。応力が大きいほど、物体は潰れたり伸びたりしやすくなる
  • ・ひずみ:物体に力が加わって変形した際に、元の形からどれくらい変わったかを表す。ひずみが大きいほど、物体の形は大きく変化している

応力とひずみには相関関係があり、応力が大きいほどひずみも大きくなります。

ヤング率とは?

ヤング率とは、物質の弾性的な性質を数値化したもので、物質が外部から力を受けたときにどれだけ変形するかを示します。数値が大きければ大きいほど、大きな力を加えられても変形しにくい材料です。

前述した応力とひずみの関係をグラフで表した際に、表れる線の傾きを「ヤング率」といいます。例えば、ヤング率が高い金属は硬く力を加えても変形しにくくなっていますが、ヤング率の低いゴムや樹脂などは少ない力でも変形しやすくなっています。

このように物体の硬さ・変形しやすさを表しているのがヤング率です。ただしヤング率が高いほど優れているとは限らず、ヤング率が低いと柔軟性があり力を受け流しやすくなるため破損しにくいといったように、ヤング率の高低には一長一短があります。

金属の中でも特に硬い超硬合金は、ヤング率も高く、強い応力を受けてもほとんど変形しない素材だといえます。

ヤング率で使われる単位

ヤング率の単位は、国際単位系(SI単位)ではパスカル(Pa)が使用されます。より大きな値を表現するためには、メガパスカル(MPa)やギガパスカル(GPa)などもが使用されます。

メガパスカル・ギガパスカルの大きさは、下記の通りです。

  • ・1MPa:10の6乗Pa
  • ・1GPa:10の9乗Pa

また1N/mm2と表すこともあり、1N/mm2は1MPaに相当します。

ヤング率の計算方法

ヤング率の計算方法は、応力をひずみで割ると求められ、以下の計算式で表されます。

E(ヤング率)=σ(応力)/ε(ひずみ)

そのため物質が受ける力(応力)と、その結果生じる変形(ひずみ)の値を測定することで、ヤング率を計算することが可能です。例えば超硬合金の場合、一定の力を加えた際の変形量を精密に測定し、上記の式に代入すればヤング率を求められます。

ヤング率の大小それぞれの特徴

ヤング率が違うことで、どのような違いが生まれるのか、大きい場合・小さい場合それぞれの特徴について解説します。

ヤング率が大きい材料の場合

ヤング率が大きい材料は、一定レベルまでの力を加えられてもほとんど変形しないのが特徴です。例えば鉱物・金属類、セラミックスなどが挙げられます。

建築材料や工業製品の部品など、強度が要求される用途に広く利用されています。特に超硬合金のヤング率は高く、下記のように断トツの強度を誇ります。

  • ・超硬合金:450~650GPa
  • ・鋼(鉄):200~215GPa
  • ・銅:130GPa
  • ・ガラス:80GPa

ただし、加わる力が一定基準を超えると急に破損するため、力を加え過ぎない工夫や変形により危険性が高まるような箇所に使用しないことが大切です。

※参考:あらいど通信.「高いヤング率を有する超硬合金の用途について」.

https://www.allied-material.co.jp/media/hard-metal/20190404 ,(参照 2024-03-18).

ヤング率が小さい材料の場合

ヤング係数が小さい材料は柔軟性があるため、力を加えられても力を分散できるのが特徴です。外部から力を加えられても破損しにくく、すぐに元の形状に戻ります。

例えばゴムや樹脂、木材などが典型的です。簡単には破損しない柔軟性は、調理器具やおもちゃ、タイヤなど日常生活のさまざまな場面で活用されています。

大きな力がかかっても破損しにくいため、高い柔軟性が求められる箇所や万が一破損すると危険な箇所に使用されています。

ヤング率の測定方法の種類

ヤング率の測定方法は複数種類あり、以下の4つが代表的です。

  • ・引っ張り試験
  • ・圧縮試験
  • ・三点曲げ試験
  • ・せん断試験

それぞれの測定方法について解説します。

引っ張り試験

引っ張り試験は、特定の長さのサンプルを引っ張り、どの程度伸びるかを観察する試験方法です。サンプルが受ける力(応力)と生じた伸び(ひずみ)の関係からヤング率を計算します。

引っ張る力に対して、どのくらい耐えられるかを測定できます。

圧縮試験

圧縮試験は、一定の速度でサンプルを圧縮して、その際の応力とひずみの関係からヤング率を求める試験方法です。

主に鋼球・バネ・タイヤなど、圧縮荷重の下で使われる部品の試験に用いられます。どのくらいの圧力でひずむのか、破砕するのかを確認するために有用です。

ABS樹脂やゴムのような、圧縮しても壊れず平たくなってしまう材料の場合は、一定のひずみが生じたときの応力をデータとします。

三点曲げ試験

三点曲げ試験は、サンプルを中心からの1点と下方向からの2点で曲げて、ヤング率を測定する方法です。

物を曲げる際には、引っ張りや圧縮を含んだ複数の力がかかるため、一度にさまざまな状況での反応を評価できます。ヤング率の測定だけでなく、材料の曲げ加工のしやすさも調べられます。

せん断試験

せん断試験は、サンプルをせん断することでヤング率を測定する試験です。せん断とは、ハサミで紙を切る際のように、物体をねじったり滑らせたりする力のことです。

サンプルの片方は上向きに、反対側は下向きに力を加えることで、中心部分にせん断による応力を加えて、どのような変形・破損が発生するか測定します。押す・引く異なる力が一度に加えられる際や、ねじられた際にどのような反応をするのか確かめられます。

材料ごとの主なヤング率

ヤング率は、材料ごとに異なっています。材料ごとに測定を行うのは現実的ではないので、一般的な目安を把握しておくとスムーズに材料を選びやすくなります。

  • ・金属
  • ・木材
  • ・コンクリート

上記3つの代表的な材料のヤング率の目安を紹介します。

金属

金属はヤング率が高く、変形しにくい材料です。加えて環境による変化が少なく、常に一定のヤング率を保てるのが特徴です。

同じ金属でも種類によってヤング率は異なり、金属の中でも比較的柔らかい素材・硬い素材に別れます。主な金属のヤング率は以下の通りです。

  • ・アルミ:206GPa
  • ・亜鉛:4GPa
  • ・真鍮:6GPa
  • ・ステンレス:193GPa
  • ・鋳鉄:100~180GPa
  • ・鉛:1GPa
  • ・チタン:7GPa
  • ・鋼(鉄):200~215GPa
  • ・銅:130GPa
  • ・超硬合金:450~650GPa

硬いイメージのある金属でも種類によってヤング率は大きく違い、特に超硬合金は飛び抜けて硬いことがわかります。

※参考:トントン.「ヤング係数(ヤング率)とは?求め方や建築材料ごとのめやすを解説」.

https://tonton-job.com/column/4664/ ,(参照 2024-03-18).

木材

木材は比較的ヤング率が低く、柔らかい柔軟性のある材料です。金属と同じく種類によってヤング率は異なることに加え、気温や湿度といった環境や繊維の方向によっても異なります。

主な木材のヤング率の目安は、以下の通りです。

  • ・杉(繊維方向):35GPa
  • ・杉(繊維直交方向):59GPa
  • ・松(繊維方向):35GPa
  • ・松(繊維直交方向)59GPa

このように同じ樹木でも繊維の方向によってヤング率は大きく異なり、繊維直交方向の方がしなやかで柔軟性があることがわかります。硬さが必要な場合と柔軟性が必要な場合など、使用シーンに合わせて木目の向きを選ばなくてはなりません。

また、空気・水分を含む木材は、気温や湿度でヤング率に変化が出るため、室内と屋外では硬さが変化する可能性があります。木材を選ぶ際は、使用する環境による影響を加味することが大切です。

コンクリート

コンクリートのヤング率は、木材より高く金属よりは低い程度で、一般的に22.6GPaほどとされています。最近では強度の高いコンクリートの開発も行われており、構成要素や製造方法によってヤング率が異なります。

コンクリートのヤング率の計算式は他の資材と異なっており、以下の方法で求めることが可能です。

Ec(ヤング係数)= 3.35×10^4×(γ/24)^2×(Fc/60)^(1/3)

γはコンクリートの「単位体積重量」を表し、Fcはコンクリートの「設計基準強度」を表します。Fcが大きいほどヤング率も大きく、強度の高いコンクリートとなります。

まとめ

ヤング率は物質の弾性的な性質(曲げにくさ・曲げやすさ)を表す値で、ヤング率が大きいほど強い力が加わっても変形しにくく、反対にヤング率が小さいほど少しの力で大きく変形します。

数ある金属の中でも、超硬合金は高い硬さ・強度を誇り、変形しにくい材料です。工具や金型などに使用すれば、長期にわたって安定して利用できます。

とはいえ、どのような超硬合金を選ぶべきかわからず迷われる方もいらっしゃるでしょう。「超硬素材・超硬加工ソリューションナビ」では、最適な超硬素材の選定・開発から、超硬加工・完成品まで一貫して提供しております。

超硬合金の選定にお悩みの方は、まずは気軽にお問い合わせください。

この記事を監修した人

エバーロイ商事株式会社

大久保 文正

エバーロイ商事株式会社

昭和33年の設立以来、長年にわたり超硬工具の販売。
その製品はエバーロイの名で、広く多くのお客様からご支持をいただいております。
技術革新の激しい時代の中、お客様のあらゆるニーズに対応すべく、製販一体となって当社のオリジナリティを生かした営業活動を推進して参ります。

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