質問: 機械工学において、 S45Cの 許容引張応力 許容ねじり応力 許容曲げ応力 の算出方法を教えて下さい。 jisなんかで決められた安全率があるんですか?
回答: 基本的なのことだけ、回答します。 許容引張り応力は、引っ張り強さ(壊れる強度)に対して、安全を考慮したものになります。 引っ張り強さは、その材料を供給する会社・製品ごと情報供給される保障基準で決まります。 その他に、降伏応力というのがあり、一般的にその材料のねじり強さ(せん断応力)に近い面があります。 ↓ 強度を考える場合に、3つの考え方を使います。 引っ張り強さ→一回で壊れないか?引っ張り強度に対して安全率を取ります。 降伏応力→その材料が変形をしないか。降伏応力に対して安全率を取ります。 疲労応力→その材料に繰り返し応力を加えた時の、許容値を実験的に読み取り、それに対して安全率を取ります。 疲労応力を見る場合の、簡易の手段として、疲れ強さ(無限遠寿命)の一般論もできつつあり、生材(純鉄)の2倍くらいというくらいの強さになります。 安全率は、JISなどで決めた一般論はなくて、引っ張り強さ&せん断強さ(降伏点)にかなり大きなもの(2/3とか)を掛けた値とかで低く見る。いう簡易な見方も有りますが中強度鋼にしか使えません。 金属によって特性がかなり状況が変わるので、 まず、発生応力を正確に見積もる。(部材の応力集中、表面の切欠きなど) あと、上記3種類の強度を考慮しつつ、少し(1.1~1.3倍とか)取るとかいうことが合理的だと考えられますが、強度設計のゾーンなので、参考です。 ねじり応力については、前述のように、降伏点そのものに相当するので、降伏という概念だけがキャンセルをされてきます。 曲げ応力は、引っ張り強さと同様ですが、材料の表面からの深さに対して変化をするので、深さをパラメータにして、許容応力と比較をする。ということをします。 せん断応力の降伏応力の関係を考えるのには、耐力のモール応力円みたいなことを考えないと分かりません。 焼き入れ焼き戻しがされた材料では、金属組織の結晶間が滑らなくなるので、降伏をしにくくなります。 その見方を変えると、たとえば単純引っ張り(2軸応力)だと、それに直行する方向に圧縮応力が発生しますが、それによって滑りはじめないσYが、σBに対して、発生できる比率が、材料によって異なり、焼き入れ鋼;83.5%(原理値)、中炭素鋼70%くらい、低炭素鋼55~60%くらいとかで違います。 ちょっとイメージがわきにくい絵なので(学校で教えていない)、写真でイメージを添付しますから、興味があれば、自分で書かれてみると良いと思います。 マイナス側に取っているのは、引っ張り応力にポアソン比を掛けたもので、その耐力円を書く(絵は降伏応力・せん断応力の方から決める)とその時のせん断応力・降伏応力の比率が実感できるという見方の提案です。 S45Cで色んな強度がどれくらい?とかを考えると、こんな感じです。 引っ張り強さ;800MPaくらい(表面近く・小部材)、730MPaくらい(大部材) 降伏応力&せん断応力;800MPa*65(弱め材)~70%=520~560MPaくらい 疲れ強さ(∞寿命);500MPa(片振り)、350MPa(両振り)くらいかな? (降伏点より幾らか低い~更に70%とか、イメージですけれど) JFE S45c で検索したWEBを参考添付します。 専門領域の分ですから、この辺からは教科書にない領域も出始めますから、興味があれば、回答はヒント位に捉えて、考えてみてください。 【多少追加で思い出したので、補足です】 単純せん断の絵を点線で追加しておきます。なお、斜めの線は、破断線;黒線・降伏&せん断線;赤線みたいなものだったと思います。 なお、単純引っ張りでの破断の実せん断応力~降伏の相当せん断MAX応力を一緒にして良い理由は、何だったか? これもアバウトな記憶ですが、こんなだったと思います。 1降伏点までは、材料の粒界が滑っていないから、それに相当するせん断応力までが耐えられる。 ということなのですが、 2単純引っ張りだと、引っ張り応力成分が一緒に入るので、粒界が長い時間をかけて引き離される場合には、その分だけ弱くなる。 その辺が、引っ張り試験を、ゆっくり行う理由だったのじゃなったかな? 以上が思い出したことの全てです。 あとは、他の方の回答を待つか。学校の詳しそうな方に聞いてみてください。