ひずみ　Strain

ひずみとは、材料力学の用語で、材料に外力が加わり、内部に応力を受けて変形することをいう。「変形量/もとの長さ」で表される。単位がない無次元量である。荷重によって引張、圧縮、縦ひずみ、横ひずみ、せん断ひずみ、弾性ひずみ、塑性ひずみ等がある。また、熱応力によるひずみを熱ひずみという。

ひずみによる変形

変形には、大きく引張り、圧縮、せん断、曲げ、ねじりである。

引張　tension

引張とは、引張方向に力が加わることでおこる変形で材料は伸びる。

圧縮　compression

圧縮とは、圧縮方向に力が加わることでおこる変形で材料は縮む。

せん断　shearing

せん断とは、せん断方向に力が加わるこでおこる変形で材料はゆがみ、せん断される。

曲げ　bending

曲げは同一面から一方向に加わる変形で材料は曲がる。

ねじり　torsion

ねじりは回転方向に加わる変形で、材料はゆがむ。

縦ひずみ

縦ひずみ(垂直ひずみ)とは、材料（ここでは丸棒）の軸方向に荷重Pが作用したときにできるひずみで、 引張りに対応したひずみが正、圧縮ひずみが負で表される。

横ひずみ

横ひずみとは、縦ひずみの長さの変化と同時に起こる直径の変化である。（ここでは丸棒を想定）。縦ひずみが負(圧縮変形)の場合は、横ひずみは正となる.

せん断ひずみ

せん断ひずみとは、せん断荷重によって生じるひずみである。高さに対するずれの比率で表され、ずれ/高さで示される。

ひずみの単位と値

ひずみの単位はなく無次元量である。また、ひずみの値は、×10⁻⁶で小さな値である。鉄鋼では2000×10⁻⁶の範囲(0.2%)がおおよそ弾性範囲で考慮する。

ポアソン比

荷重の方向により縦ひずみと横ひずみに区別されるが、その比をポアソン比という。またその逆数がポアソン比であり、多くの材料において、弾性限度の範囲では一定の値を示す。

熱ひずみ

熱ひずみとは、熱応力によるひずみである。材料に熱が加わると熱膨張を起こし、あるいは冷却すると熱収縮を起こす。その際に材料にひずみが起る。異なる材料を重ねて使うときや高温下で使用するときに、熱ひずみに注意しなければならない。

ひずみ測定

• ひずみゲージを用いた電気的測定
• レーザー変位計や光学的方法による非接触測定
• 有限要素法による数値解析
• デジタル画像相関法による表面変形の可視化

特殊なひずみ

熱ひずみは、温度変化によって物体が膨張・収縮するときに生じる。これにより応力が発生し、構造物に損傷を与えることがある。また、加工や溶接によって生じる残留ひずみは、長期的な変形や破壊の原因となるため、評価や対策が必要である。

\ひずみ\ \

工学および材料力学において、\ひずみ\（歪み、Strain）とは、物体に外力が加わった際に生じる変形の度合いを表す無次元量である。物体に力を加えると、その内部には\応力\が発生し、同時に形状や寸法の変化が引き起こされる。この寸法の変化量を元の寸法で割った比率が\ひずみ\であり、材料の強度や変形特性を評価する上で極めて重要な指標となる。一般に、\ひずみ\はギリシャ文字のイプシロン（ε）などで表され、引張や圧縮、せん断などの力が加わる方向や形態によって細かく分類される。機械設計や建築物の構造計算においては、材料が破壊に至る限界を正確に予測し、安全な設計を行うために、外部から加わる力と内部で生じる\ひずみ\の関係を詳細に把握することが求められる。
\

\

ひずみの定義と基本概念\ \

\ひずみ\は、対象となる物体の変形量を元の長さで除算することによって求められる基本的な物理量である。例えば、元の長さがLの棒材に対して引張荷重を加え、長さがΔLだけ伸びた場合、その引張\ひずみ\εは「ε = ΔL / L」として計算される。この値は長さ同士の比率であるため、単位を持たない無次元量として扱われる。ただし、金属やコンクリートなどの硬質な材料における\ひずみ\は非常に微小な値となるため、実用上の便宜からパーセント（%）や、さらに小さな変形を示すマイクロストレイン（10のマイナス6乗を表すμε）といった補助的な単位が頻繁に用いられる。このように初期の寸法を基準として定義される\ひずみ\を「公称\ひずみ\」と呼ぶ。一方で、プラスチックの延伸や金属の塑性加工など、大変形を伴う現象を解析する場合には、変形途中の瞬間的な長さを基準として微小変形を積分して求める「真\ひずみ\（対数\ひずみ\）」という概念が不可欠となる。\材料力学\の基礎として、解析対象の変形規模に応じてこれら二つの\ひずみ\を適切に使い分けることが重要である。
\

\

ひずみの種類と分類\ \

\ひずみ\は、物体に対する外力の加わり方や変形の形態に応じて、いくつかの主要な種類に分類される。引張荷重または圧縮荷重によって生じる変形を示すのが「縦\ひずみ\（垂直\ひずみ\）」であり、軸方向の伸縮を評価する。この縦方向の変形に伴って、それに直交する方向に生じる寸法の変化を「横\ひずみ\」と呼ぶ。また、物体に対してはさみ切るようなせん断力が加わった際に、直方体の微小要素が平行四辺形に歪むような角度の変化を表すものが「せん断\ひずみ\（γ）」である。さらに、全方向から均等な水圧などを受けた際に見られる、物体の体積そのものの変化率を示す「体積\ひずみ\」という概念も存在する。現実の機械部品や構造物においては、これらの\ひずみ\が単独で発生することは稀であり、多くの場合、複雑な荷重条件のもとで複合的に発生する。そのため、三次元的な変形を正確に評価するためには、主\ひずみ\テンソルなどを利用した高度な数学的解析が用いられる。
\

\

応力とひずみの関係\ \

材料に生じる応力と\ひずみ\の間には、変形が比較的小さい特定の範囲内において厳密な比例関係が成り立つ。これは17世紀にロバート・フックによって提唱された「フックの法則」として知られる基本原理である。この比例定数は、材料の変形しにくさを示す代表的な物性値であり、縦弾性係数あるいは\ヤング率\と呼ばれている。ヤング率が大きい材料、例えば鋼鉄やセラミックスなどは、同じ応力を受けても\ひずみ\が小さく、剛性が高いと評価される。フックの法則が成立し、荷重を取り除けば\ひずみ\が完全にゼロに戻る領域での変形を\弾性変形\と呼ぶ。しかし、この限界点である降伏点を超えてさらに強い応力を加えると、材料の内部構造に滑りが生じ、荷重を除去しても元の形状に戻らなくなる。このように残留する永久的な変形は\塑性変形\と呼ばれ、金属のプレス加工などに応用される一方で、構造部材としては意図せぬ破壊の予兆となる。
\

\

ポアソン比と材料特性\ \

材料をある一方向に引っ張ると、その軸方向には伸びる\ひずみ\が生じるが、同時にそれと直交する断面方向には縮む\ひずみ\が生じるのが一般的である。この現象は弾性体において普遍的に観察されるものであり、縦\ひずみ\に対する横\ひずみ\の絶対値の比率は\ポアソン比\と呼ばれる。ポアソン比（ν）は材料の種類によって固有の値を持ち、一般的な金属材料においては概ね0.3前後の値を示す。これは、縦方向に1%伸びたとき、横方向には約0.3%縮むことを意味している。一方、ゴムのような体積変化を伴わない非圧縮性材料では、ポアソン比は0.5に近い極限値をとる。さらに近年では、特殊な内部構造を持たせることで引っ張ると横にも広がる「負のポアソン比」を持つメタマテリアルなども研究されている。ポアソン比は、複雑な三次元応力状態にある部材の挙動を有限要素法（FEM）などでコンピュータ解析する際に、極めて重要な入力パラメータとなる。
\

\

ひずみの測定技術\ \

工学の現場や研究機関において、実際の部材や試験片に生じる微小な\ひずみ\を正確に測定することは、設計の妥当性を検証するために不可欠なプロセスである。代表的な測定手段として半世紀以上にわたり広く普及しているのが、\ストレインゲージ\（\ひずみ\ゲージ）を用いた電気的測定法である。\ひずみ\ゲージは、微細な金属抵抗線を極薄の絶縁性樹脂フィルム上にパターニングした構造をしており、これを専用の接着剤で測定対象物の表面に強固に貼り付ける。対象物が変形すると、それに完全に追従して金属抵抗線も伸縮し、断面積と長さの変化に伴って電気抵抗値がわずかに変化する。この微小な抵抗変化をホイートストンブリッジ回路を用いて電圧変化として高精度に検出することで、\ひずみ\量を定量的に測定することができる。近年では、レーザー光を利用した非接触式の測定装置や、カメラで撮影したパターンの移動量から広範囲の\ひずみ\分布を三次元的に解析できるデジタル画像相関法（DIC）などの新しい光学的測定技術も著しい発達を遂げている。
\

\

工業的応用と材料試験\ \

材料の\ひずみ\挙動を基礎から把握するための最も重要で標準的な試験が、\引張試験\である。この試験では、国際規格（ISO）や日本産業規格（JIS）によって厳密に形状が定められた試験片に対し、専用の試験機を用いて一定の速度で引張荷重を加える。その過程で生じる荷重（応力）と試験片の伸び（\ひずみ\）を連続的に記録し、グラフ化する。このグラフは応力-\ひずみ\曲線（S-Sカーブ）と呼ばれ、材料の機械的性質を如実に表す設計の羅針盤となる。この曲線からは、ヤング率、比例限度、上降伏点・下降伏点、引張強さ、破断伸び、絞りなど、機械構造物の設計に必要不可欠な多数の強度パラメータを正確に読み取ることができる。自動車、航空宇宙、船舶、建築・土木構造物など、あらゆる現代の工業製品は、こうした\ひずみ\の緻密な計測と解析に基づく強度設計の上に成り立っており、安全性と軽量化の両立に大きく貢献している。
\

\

主なひずみの分類と特徴\ \

\\分類\\記号\\概要\\ \\縦\ひずみ\（垂直\ひずみ\）\\ε\\引張や圧縮荷重による、軸方向の長さの変化率を示す。\\ \\横\ひずみ\\\ε’\\縦\ひずみ\の発生に伴い、それに直交する方向に生じる寸法の変化率。\\ \\せん断\ひずみ\\\γ\\物体にせん断力が作用した際に見られる、微小要素の角度の変化。\\ \\体積\ひずみ\\\εv\\全方向からの均等な圧力（静水圧など）を受けた際の、体積の変化率。\\ \ \

以上のように、\ひずみ\は材料の変形状態を定量化するための根幹をなす物理概念であり、引張・圧縮・せん断など荷重の形態によって分類される（上表参照）。製造業や構造力学の発展において\ひずみ\の基本原理を深く理解し、適切に計測・評価することは、信頼性の高い次世代のものづくりにおいて極めて重要である。
\

コメント（β版）

ホーム

工学

• メニュー
• ホーム
• 検索
• トップ
• サイドバー