４．建築材料の力学的性質（１）  外的応力に耐える建築材料の選択・設計  建築材料に要求される性質        弾性係数比弾性係数（弾性係数／密度）強度比強度（強度／密度）破壊靱性疲労強度変形・破壊メカニズム、材料構造依存性の理解は不可欠４．建築材料の力学的性質（１）  弾性変形と塑性変形  弾性変形   応力を取り除いたとき、変形が回復してもとの状態になる塑性変形  応力を取り除いても、もとの状態に回復せず、永久変形が生じる４．建築材料の力学的性質（１）  弾性的性質  一対の原子のポテンシャルエネルギー V  A rn  B rm r：原子間距離 A：引力に対する比例定数 B：斥力に対する比例定数  ２原子間に働く力 F  V a b  N  M r r r a=nA, b=mB, N=n+1, M=m+1  両原子間の平衡距離 r  d0 V=min, F=0 ４．建築材料の力学的性質（１）  弾性的性質４．建築材料の力学的性質（１）  弾性的性質   両原子間距離を変更 d 0  d 0  d 元に戻そうとする力の発生 F '  d  ひずみ d / d 0   応力（単位面積あたりの力）縦弾性係数（ヤング率） F E r r  d 0 ４．建築材料の力学的性質（１）  各種材料の弾性的特徴  結晶性物質（金属・セラミック）   非晶性物質（ガラス）   変形に対して主結合が最初から抵抗する場合→線形弾性非晶性物質（ゴムのような交錯した長い鎖状分子）   線形弾性（弾性変形内で応力とひずみが直線関係）非線形弾性結晶質と非晶質の混在している物質（高分子）   ガラス転移温度Tgを境に変化 Tg以上：粘弾性（粘性と弾性が共存）  軟化分子鎖間のファンデルワールス結合の解除  弾性状態にある分子に取り囲まれた中を粘性的にすべる挙動  ４．建築材料の力学的性質（１）  各種材料の弾性的特徴４．建築材料の力学的性質（１）  弾性論による応力－ひずみの表現  引張変形   E       引張応力縦ひずみ縦弾性係数横ひずみポアソン比   P /(D4 / 4 )   dL / L E  dD / D   ( dD / D ) /( dL / L ) せん断変形   G    せん断応力せん断ひずみせん断弾性係数    dH / H G ４．建築材料の力学的性質（１）  弾性論による応力－ひずみの表現４．建築材料の力学的性質（１）  一般化フックの法則  第１の添字：応力がかかる面、第２の添字：応力のかかる軸方向  xx   xx  (  yy   zz )/ E  yy   yy  (  zz   xx )/ E  zz   zz  (  xx   yy )/ E  xy   xy / G ,  平面応力状態     yz   yz / G ,   yz   zy ,  zx   xz  xy   yx ,  yz   zy ,  zx   xz  zx   zx / G  zz   yz   zx  0 応力が２次元的薄い平板が変形を受けるとき平面ひずみ状態   xy   yx ,  zz   yz   zx  0 ひずみが２次元的長い物体が長さ方向の変形を拘束されて垂直面内で一様な変形を受けるとき４．建築材料の力学的性質（１）  一般化フックの法則４．建築材料の力学的性質（１）  平面応力状態  平面ひずみ状態４．建築材料の力学的性質（１）  各種材料の塑性変形挙動の違い  結晶性物質    転移が塑性変形の原因金属：室温以下でも転移は運動するセラミック：室温では転移は生じにくい、高温では転移は運動する  イオン結合と共有結合→方向性強く結晶構造複雑→すべりが生じにくい  平均原子間距離が大→原子間切断に要するエネルギーが小→転移運動よりも低応力での微小亀裂・空隙での応力集中による破壊  非晶性物質（高分子）  熱可塑性樹脂  高分子鎖のすべりとクレーズ（伸張配向した高分子鎖が内在する空隙）の形成  熱硬化性樹脂  微小亀裂の形成４．建築材料の力学的性質（１）４．建築材料の力学的性質（１）４．建築材料の力学的性質（１）  結晶材料の転移による塑性変形   単結晶の塑性変形＝層状のすべり結晶全体が同時にすべるのに必要なせん断応力   理論値：横弾性係数（G）の約数分の一実測値：理論値の10-3～10-4  転移の運動→部分的なすべりの進行によって全体のすべりを促進  転移    刃状転移らせん転移混合転移４．建築材料の力学的性質（１）４．建築材料の力学的性質（１）  結晶材料の転移による塑性変形４．建築材料の力学的性質（１）  結晶材料の転移による降伏・加工硬化  結晶材の降伏   転移の雪崩的運動：弾性変形領域→弾性限界→塑性変形領域結晶材の加工硬化  塑性変形領域においてひずみの増加とともに応力が上昇する現象  降伏後の変形→転移の増殖→転移の運動の障害→変形に対する抵抗の増大→変形を続けるためにはより高い応力が必要４．建築材料の力学的性質（１）  クリープ     応力がかかった状態で固体が時間とともに変形する現象高温で発生しやすい（金属：融点の40～50%の絶対温度）転移の再配列、結晶粒界のすべりが原因遷移クリープ   定常クリープ   クリープ速度が時間の経過につれて減少クリープ速度が一定加速クリープ  クリープ速度が時間の経過につれて増大し、材料破断につながる４．建築材料の力学的性質（１）  クリープ４．建築材料の力学的性質（１）  クリープ  遷移クリープ   応力負荷直後の転移組織が定常クリープでの一定の組織構造をとるまでの過程定常クリープ   転移の増殖と転移の消滅（熱エネルギーの助けによって起きる）のつり合い→一定の転移組織構造結晶粒に応力が作用→方向性のある拡散（物質移動）→結晶粒の形状変化→ひずみの定常的増加  空孔：引張応力の作用部分からそれに垂直な縮み方向へと移動  原子：空孔と逆方向に移動  加速クリープ   ボイドや亀裂の発生・成長第二相粒子（強化目的）の微細組織（種類・大きさ・空間分布）の変化４．建築材料の力学的性質（１）