第章

機械材料とは第章

す︒ 一概に機械といっても︑使用する環境や使用条

機械材料は︑さまざまな機械に使用される材料でその指示された機械材料をもとに︑部品が加工され︑るもので︑最終的に部品図の材料欄に記載されます︒

材料の選定は︑機械設計の過程において決められ機械を構成する部品が必要な条件を満たす材料件は異なります︒ そのため︑高い信頼性のもと安全
必要に応じて焼入れなどの調質やめっきなどの表面機械材料とはに使用するためには︑最適な材料を選定することがい︑できるだけ安価な機械材料を選定する必要もあ
そのため︑新しい正確な情報を入手し続けることもている一方︑研究や改良によって日々進歩しています︒

機械材料はさまざまな機械に古くから使われてき処理がされます︒

ります︒ そのためには︑あらゆる種類の機械材料に大切です︒

また︑コストを抑えるために︑入手性や加工性が良重要になります︒

対する正しい知識を持った上で︑実績や経験︑実際強度︑価格︑重量︑寿命︑安全性︑信頼性︑振動︑どのような機械材料を使うかによって︑機械の性能︑騒音︑リサイクル性などへの影響は非常に大きくなりの評価結果などによって慎重に決定します︒
機械材料は金属系と非金属系に大きく分類され︑以上より︑機械材料とは﹁機械を構成する部品が金属系では鉄鋼と非鉄金属に分けられます︒ 非鉄金があります︒ 非金属系の機械材料としては︑プラス
必 要な条 件を満たす材 料 ﹂といえます︒ そのため︑ます︒

チック︑セラミックス︑ゴム︑ガラスなどがあります︒
うに機能しているかを︑常に意識するようにしましょう︒

さまざまな機械材料がどのように使用され︑どのよBOX

属としては︑アルミニウム合金や銅合金︑チタンなど

またその他にも黒鉛︑ダイヤモンド︑木材︑コルク︑材料の選定

機械の性能、強度、価格、重量、寿命、安全性、信頼性、振動、騒音、リサイクル性などに影響を及ぼす●さまざまな機械に使用される●最適な機械材料を選定することが重要●研究や改良により日々進歩している10
11

フェルトなど︑さまざまな材料があります︒

機械材料

使用箇所は？
どんな特性？

組織・構造は？
どんな種類がある？

要点

1
機械材料とその選定

機械材料とは●第1章

機械材料の組織・構造
マクロな現象はミクロ構造の理解から

イオン結合は︑電子が不足している︑または余ってオン結合﹂﹁共有結合﹂﹁金属結合﹂に大別されます︒
る引力によって３次元的に間隔が保たれています︒こです︒ 原子核同士は正の電荷による斥力と電子によ原子の並び方もまた︑その物質を特徴づける要素の引力による結合を金属結合と呼びます︒

いることでイオン化した︑プラス電位とマイナス電位方晶の体心立方格子や面心立方格子︑六方晶のちゅの原子配置は結晶格子と呼ばれます︒ 金属では︑立物質のミクロ構造は︑原子間の結合の仕方で﹁イ分子はその電位を中和しています︒イオン結合には︑の原子同士が結びついたもので︑結合によってできる共有結合は︑原子同士がお互いの価電子を出し合子周りの斥力と引力のバランスが崩れ︑再び元の位を受けてその位置から動かされると︑動かされた原う密立方格子が代表的です︒ 格子上の原子が外力って共有することで︑非常に強く結びついたものです︒
置へ戻ろうとする力が生じます︒ 材料が持つ弾性変金属と非金属との結合の多くが該当します︒

分子同士が何度も連続して同じ結合をする﹁重合反形の正体は︑この原子の復元力によるものです︒
ミクロ構造はまた︑結晶格子の並び方でも分類で応﹂によって数千以上の原子が結びつくと︑プラスチッBOXクなどの高分子化合物になります︒

亜鉛
チタン
コバルト
マグネシウムγ鉄
銅
アルミニウム
ニッケル

α鉄
クロム
モリブデン
バナジウム

きます︒ 結晶格子の乱れがなく配列したものを単結

0.68

金属原子の場合︑価電子を原子核へと引き寄せる0.74晶と呼び︑ランダムなサイズで粒状に単結晶化して0.74力がとても弱いです︒ 原子同士の距離が十分に縮ま充填率結びついたものを多結晶と呼びます︒このほか︑ガラ2個ると︑価電子は特定の原子核から引き離されてしま-- -- -- -- -- -- - - ---- - -- - -- --- -- -＝-- -＝-＝＝＝- -- - -＝＝＝

- -4個のもあります︒

BCC（体心立方格子）-＝6個

スのように結晶構造をとらない非晶質と呼ばれるも＝++●物質の違いは原子間の結合の違い●原子は3次元的に格子状に配列●弾性変形は結晶格子の復元力の現れ単位格子中の原子数び回る自由電子となってこれらを引き寄せます︒こ-- -- - - -- -- -- --- --- --＝--＝＝＝-＝＝-

FCC（面心立方格子）-結晶格子の構造eいます︒ そして︑周りにある全ての原子核の間を飛

HH HH
H HH
H HH
H H
AlAl Al AlAl Al-C-C-C-C
OO O OO O OO O -C-C-C-C-C-C-C -C
HH HH
H HH
H HH
H H++++++
++
FeFe
FeFe
FeFe
FeFe
Fe+e-ee-

要点

12
原子の積み重なり方

13Fe
Fe

ee-

Fe+++Fe+Fe

Fe++Fe+Fe+Fe+

O

HCP（ちゅう密六方格子）
名称-Al

金属結合
共有結合
イオン結合++++++
++
FeFe
FeFe
FeFe
Fe
Fe
Fe+-e-eee
ee++++++
++
FeFe
FeFe
FeFe
Fe
Fe
Fe++++Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe++++++ +電位が中和された原子同 原子同士で価電子を共有
価電子が原子核の間を自H He Al
H H由に飛んで引き寄せている
HFeFeeH - Fe
HFe HFeFeAlH H AlH H
Al士の結びつきする結びつき
ee +HH+ HHFeH+H H
H+Fe
Fe+Fe
Fe+AlAl-C
AlAlO結びつき
O O -CO O -CFe
O -C
O-C -C-C-C-C-C-C-C+++++ +FeFe
ee- -Ce- FeFee- FeFeOO
OO
OO-C-C-C-C-C-C-C- H
eHe +H H H H
HFeH
HH+ H
e-eFe++Fe+ H Fe+FeFe
HH HH HH HH+ ++ ++ +FeFeFeFeFeFe
金属の結晶構造Al

代表的な金属2
物質のミクロ構造

機械材料とは●第1章

●第1章

ばね鋼(SUP7)

Fe-0.6C-2.0Si0.85Mn

焼入れ,焼戻し---1080 1230 9

フェライト系
ステンレス鋼(SUS430)

Fe-0.12>C0.75>Si1.0>Mn-17Cr焼きなまし

7.8200-205

450

22

オーステナイト Fe-0.08>C系ステンレス鋼 1.0>Si-2.0>Mn- 固溶化処理 8.0(SUS304)
9Ni-19Cr

197

74205

520

40

4502

球状黒鉛鋳鉄(FCD370)Fe-2.5C-2Si

鋳造のまま

7.1

176

69230

370

177/3黄銅(C2600)70Cu-30Zn

完全焼なまし8.5

110

41-28050

りん青銅(C5212P)

Cu-8Sn-0.2P

完全硬化

8.8

110

43-60012

工業用
アルミニウム(A1085P)

Al>99.85

焼なまし

2.7

69

27

1555

30

耐食アルミニウム(A5083P)

Al-4.5Mg-0.5Mn 焼なまし2.772-

195

345

16

ジュラルミン(A2017P)

Al-4Cu-0.6Mg0.5Si-0.6Mn

2.869-

19535515

常温時効（Ｔ４）

出典：平成27年度 理科年表、物34（396）〜物35（397）

機械材料の特性

強度

硬さ

摩擦性

脆性

靱性

要点BOX4●材料特性は数値で表されている●材料による違いをおおまかにでも覚えておく

14

機械材料を選定するための判断材料-

一般的な金属材料の機械的強度を左頁に載せてい40以上のように︑機械の性能を十分に発揮するため100には︑それを実現するのに最も適した材料を選定す7.2る必要があります︒

鋳造のままそれぞれの機械材料の特性を正しく理解し︑さまFe-3.3C-2Si0.5Mn

ざまな特性を考慮して検討するように心掛けましょう︒

ねずみ鋳鉄

3

機械材料の特性12や解析に使用します︒ また︑入手性やコスト︑加工

980

機械を設計するにあたっては︑使用条件や使用環833

性なども考慮して︑これらが最適なバランスとなるよ-境に合わせた設計とするために︑機械材料の特性を-うに検討する必要があります︒ それぞれの材料の特7.8

十分に理解することが大切です︒ 選定した機械材料

焼入れ,焼戻し性については︑どのようなものなのかを正しく理解して︑Fe-0.4C-0.7Mn1.0Cr-0.25Moを適用した機械が︑十分な性能を発揮して問題なく

クロムモリブデン鋼(SCM440)

材料による違いをおおまかにでも頭の中に入れておく

22とよいでしょう︒

828

機能するようにしなければなりません︒ そのためには727

機械材料の特性を正しく理解して︑有効に活用する

82必要があります︒

205ます︒ 材料により比重や︑ヤング率︑引張強さ︑伸7.8

一概に機械材料の特性といっても︑引張強度︑圧焼入れ,焼戻しびといった数値が異なります︒これらに加えて︑第機械構造用中Fe-0.45C炭素鋼(S45C) 0.25Si-0.8Mn

縮強度︑曲げ強度︑疲労強度︑弾性︑靱性︑脆性︑

21

章にて詳述する機械材料の性質も重要となります︒

450

延性︑耐摩耗性︑硬さ︑耐食性︑耐熱性︑熱伝導率︑240

これらの特性を考慮して︑必要に応じて最適な機

79

電気伝導率︑比重など数多くあります︒

206

械材料を選定することが設計作業の第一歩といえま

7.9×
103

Fe-0.1Cす︒

焼きなまし

一般構造用
圧延鋼材
(SS400)機械材料の特性の多くは︑さまざまな試験によっ

伸び(%)

熱処理

それらの値を比較したり︑材料力学の公式への代入

密度
ヤング
ずれ
降伏引張
ρ/kg・率
弾性率
強さ
強さ
m-3E/GPa G/GPa Y/MPa T/MPa

組成 代表値
（質量％）

材料名

15

表の材料名の（ ）内はJIS記号て数値で表されています︒ 実際に設計するときには︑主な金属材料の機械的強度

機械材料とは