材料力学

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材料力学（ざいりょうりきがく、英語: strength of materials、mechanics of materials）は、応用力学の一分野で、機械や構造物，固体材料に負荷(荷重)が加わったときの変形(主に弾性変形、塑性変形)、そして破壊の原理を研究する学問である。

目次

1. 広義と狭義

2. 主な内容

3. 脚注

4. 参考文献

5. 外部リンク

広義と狭義

「材料力学」は、必要な環境下での材料の変形・破損・破壊特性を知るための学問である。実際の機械や構造物に、どのような荷重が負荷し、それにより部材にどのような応力や変形(主に弾性変形、塑性変形)が生じるか、を調査・解析し、理論と実験の両面から材料と構造の評価を取り扱うものである^[1]。

　狭義の材料力学は、弾性力学に立脚した固体の弾性解析のうち、棒や軸などの一次元の構造や、一次元の部材を組み合わせた単純な構造物の強度設計、ならびに剛性設計を行うための基礎的な学問分野を指す。棒の引っ張りと圧縮、軸のねじり、はり(梁)の曲げとたわみ、柱の座屈、といった一次元構造物の比較的単純な変形を想定し、荷重やモーメントなどの外力が負荷する場合の構造物の変形を取り扱う^[2][3][4][5]。大学の講義としての材料力学は、概して狭義の定義に従う場合が多い。

　土木工学・建築学における構造力学の内容も、この狭義の材料力学の内容に近い。構造力学と狭義の材料力学との違いは、材料力学では主に一つの構成部材を対象として変形や応力を解析することが多いのに対し、構造力学では複数の連結された部材からなる構造物の変形や応力を主な評価対象とする点である。このため、材料力学は構造力学の基礎の一つといえる。

　広義の材料力学は，二次元・三次元の固体構造物の変形を扱う弾性力学・固体力学や、切欠きやき裂の健全性を評価する材料強度学・破壊力学、材料の非線形・非弾性変形を扱う弾塑性力学・粘弾性力学まで含んだ広い領域を指す。

　近年では固体力学における構造解析にはもっぱら有限要素法が用いられるので，有限要素法や境界要素法などの数値解析を含む学問領域も広義の材料力学に含まれると言える。

　さらには、ひずみゲージやデジタル画像相関法等を用いたひずみ測定理論、超音波やX線を用いた材料・構造の非破壊検査技術、光弾性法や赤外線を用いた応力の可視化技術等も広義の意味で材料力学の範疇に含まれる。

主な内容 (wiki、コトバンク などから引用修正)

• 荷重と変形、応力とひずみ

　物体に作用する力のことを、荷重 という。物体に荷重が加われば、ひずみ が発生して 変形 する。その荷重と変形の関係には、一定の法則がある。また、単位面積当たりの荷重を、応力 という。ひずみとは、物体の変形量を、その物体の基準長さで除することで、無次元化した値である。応力とひずみにも、よく知られた関係がある。

• 弾性変形と塑性変形

　材料が、線型弾性を示すとき、応力 σ は、ひずみ ε に比例し、その比例定数を 弾性率 という。特に一方向に対する引っ張り（圧縮）変形に対する 弾性率 E を、ヤング率 という。このとき、次の法則がある。

σ = Eε（フックの法則）

　たとえば、鋼の 応力－ひずみ曲線 図は、縦軸が応力値で、横軸が、ひずみ を示すが、グラフ左の直線部分が、弾性変形 を示し、残りが、塑性変形 領域。弾性を示す範囲から、応力値が、ある限界を超えると、変形が元にもどらない 塑性変形 を起こす。その際の限界点を、降伏点、または、弾性限界点 という。

• 応力とひずみ

  • 応力-ひずみ曲線

• 材料の機械的性質

• 一次元部材の引張と圧縮

• 熱応力

• 軸のねじり

• はりの曲げ

• 長柱の座屈

• 主応力（モールの応力円）

• ひずみエネルギー(カスティリアノの定理)

脚注

• ^ 「機械工学辞典」pp.467-468

• ^ 『材料力学(上巻)』

• ^ 『材料力学(下巻)』

• ^ 日本機械学会『JSME材料力学』

• ^ 日本機械学会『基礎からの材料力学』

参考文献

• 日本機械学会 編 『機械工学辞典』（第2版）丸善出版、2007年1月20日。ISBN 978-4-88898-083-8。

• 日本機械学会 編 『JSMEテキストシリーズ 材料力学』丸善出版、2007年。ISBN 978-4-88898-158-3。

• 日本機械学会 編 『基礎からの材料力学(JSMEテキストシリーズ)』森北出版、2021年。ISBN 978-4-627-68111-8。

• 『材料力学(上巻)』養賢堂、1965年。ISBN 978-4-8425-0114-7。

• 『材料力学(下巻)』養賢堂、1966年。ISBN 978-4-8425-0115-4。

• 力学

• 静力学

• 材料強度学

• 構造力学

• 破壊力学

• 材料工学

外部リンク

• 材料力学基礎知識 (技術者Web学習システム)