変形とひずみ|弾性変形と塑性変形、フックの法則

変形とは、物体にかかる力や圧力によって、その形状が変化することです。ひずみとは、物体の弾力性によって生じる力のことです。変形と歪みは、材料科学で議論される非常に重要な概念である。これらの概念は、材料科学、機械工学、土木工学、さらには生物科学などの分野を理解するために不可欠なものです。これらの科学に対する変形やひずみの貢献度は計り知れず、これらの分野で活躍するためには欠かせない概念である。本稿では、変形とひずみとは何か、その定義、変形とひずみの類似性、そして最後に変形とひずみの相違点について述べる。

ストレイン

固体に外部からの応力が加わると、その物体は引き離されようとする傾向がある。そのため、格子内の原子間距離が長くなる。各原子は隣の原子に近づこうとする。これにより、変形に抵抗する力が生まれます。この力を「ひずみ」といいます。この効果は、結合のポテンシャルエネルギーによって説明することができる。物質の中の結合は、小さなバネのようなものです。原子の中立位置または平衡位置は、物体に力が作用していないことを意味します。力が加わると、ボンドは伸びたり縮んだりする。そのため、結合の位置エネルギーが高くなる。その結果、ポテンシャルエネルギーによって、加えた力と反対の力が発生する。この力を「ひずみ」といいます。

変形

変形とは、物体に作用する力によって、その形状が変化することである。変形には2つの形態があります。それが弾性変形と塑性変形である。応力とひずみのグラフをプロットすると、ひずみの値がある程度小さいとグラフは直線になります。この線状の領域が物体を弾性変形させる領域となる。弾性変形は常に可逆的である。フックの法則を用いて計算される。フックの法則とは、材料の弾性域で加わる応力は、材料のヤング率とひずみの積に等しいというものである。固体の弾性変形は可逆的な過程であり、加えた応力を取り除くと元の状態に戻る。応力-ひずみ関係のグラフが線形であるとき、その系は弾性状態であると言われる。しかし、応力が非常に大きくなると、プロットは軸が小さくジャンプするようになる。これが塑性変形の限界である。この限界値を材料の降伏強度という。塑性変形は、主に2つの固体層が滑ることによって起こる。このスライドプロセスは不可逆的である。塑性変形は不可逆的な変形と言われることがあるが、実は可逆的な変形様式もある。