構造力学）「応力」「歪み」「降伏」の意味が分からん

質問

建築の勉強をしている者です。

応力-歪み曲線　ってありますよね。
参考➡（http://jikosoft.com/cae/engineering/strmat08.html）
これの意味がイマイチ分かりません。
降伏までの間、応力（＝荷重？）に比例して歪み（＝変位？）が大きくなっていくのは分かるのですが、降伏すると、ちょびっと応力が下がって、そのまま歪みだけ大きくなりますよね。何故？
そもそも何故応力（＝荷重？）が下がるのかが分かりません。

なんか質問が下手で恐縮なのですが、どなたか分かり易く解説してくださいませんでしょうか。分かり易い解説サイトのURLでも構いません。
よろしくお願いいたします。
以上

回答No.4

noname#194996 · ベストアンサー

NO.1 です。

＞その「参った！」が感覚的によく分からないんです。
「応力が下がる」っていう状態がどういうことなのかがよくわかりません。。。

上降伏点を過ぎると、材料の組織の中で元に戻ることのできない破壊がはじまるのです。それで、単位面積当たりの「がんばり力」が急激に減り、結果的に全体でのがんばり力も下がって伸びだけが大きくなるということです。がんばり力＝単位面積での応力の全面積分　です。

＞応力という概念に対する理解が足りないのでしょうか。
どのテキストを読んでも「部材内部に生じる力」的な抽象的な表現

応力という概念がわかりにくいようですので、ちょっと噛み砕いて説明します。

力がかかってきたときに、その材料は一見何の変化もないように見えますが、考え方として、その材料ではそのとき、その力に対抗して、その真逆の力を内部に発生させてその力に対抗している、と考えるのです。それが応力です。そのために材料は平気でがんばれるのだと考えるわけです。それができなくなった材料は目に見えて伸びるか、引きちぎれてしまうということです。そういうことが鉄鋼でも実際に起きるということです。

お礼

なるほど！！
この「がんばり力」という表現、今まで聞いた説明の中で一番分かり易いです。
ご回答どうもありがとうございました。

回答No.5

foomufoomu

この「応力ひずみ線図」を作るための「引っ張り試験機」は、力をかけて引っ張っているのでなく、ジャッキで物を持ち上げるように、「まず変形を作って、そのときにどれだけの引っ張り力が発生しているのかを計る装置だ」ということを考えると、分かるのではないでしょうか。
http://www.sisco.kobelco.com/act/materials/mtri_002.html
（装置には4本柱がありますが、そのうち2本はねじになっています。これが回転して変形をうみます）

フックの法則では応力（物体にかかる力）と変形は比例するとなっていますが、これに従って変形する物質は、あまりありません。ぎざぎざとのこぎり状に変化したり、うねうね曲がった曲線になったり、といった変則的に変化する物質のほうが多いです。

鋼が降伏より大きな変形をしたときも奇妙な曲線を描くわけで、「それが現実」と納得するしかないと思います。

お礼

なるほど！！
ご指摘のとおり、力をかけて引っ張っている装置　だと思ってました。
とても勉強になりました！
ご回答ありがとうございました。

回答No.3

ko-riki

力は目に見えませんから現象を見て理解するしかありません。

まず、YouTubeの鋼材の引張試験のサイトをご覧ください。
http://www.youtube.com/watch?v=pe_fNvIENDM
http://www.youtube.com/watch?v=TLD_sdKwU_c

引張試験は万能試験機で行います。これは、鋼材の上下を強く挟んで、
油圧ジャッキの要領で、上下の間隔を少しずつ開いていくことで、
鋼材に引張力を与える試験機です。

弾性域では、上下の開き（伸び）と比例して、引張力（応力）が上昇します。
塑性域に入ると伸びが先行して、引張力がかからなくなるので、
グラフのような曲線となります。
この伸びる様子は先ほどの動画で見ることができます。

参考文献：「計算の基本から学ぶ　建築構造力学」　第８章の１　鋼材の引張試験
上田耕作・著　オーム社

お礼

こんな動画をアップロードしている人もいるんですね。
参考になりました。
ご回答ありがとうございました。

回答No.2

ayataichi

木材をイメージしてみると、解りやすいかもしれません。

　一本の梁の真ん中に荷重をかけると、中央がたわみます。
　加力を０にすると、元に戻る。

　ところが荷重を増やし続けると、材中央で木材の繊維が切れていき、加力を０にしても完全には元に戻らなくなります。

　荷重をかける前の健全な材と、元に戻らなくなった（一部分が折れ曲がった、と言うのか）材とでは、例えば同じ１００ｋｇの荷重をかけたとき、それが健全な材はたわむけれど折れない荷重でも、一部が折れ曲がった材はボッキリと折れてしまうかも知れない訳です。
　つまりこれが、材の応力が減ってしまった状態。

　物理の説明に相応しくないかも知れませんが、１００ｋｇの荷物を持った腕がその荷物を支えていられたら、その腕は１００ｋｇと同等の応力を発揮している、支えきれなくなったら荷重に負けた、ということですよね。
　そして１００ｋｇを延々と支えた結果、疲労した腕は、８０ｋｇの荷物を支えられなくなる。
　それが、応力が下がった状態。
　疲れた腕は、もうあと＋１ｋｇの力が支えられず、荷物を落としてしまう　→　破断

　ということです。

お礼

おっしゃる通り、鋼材で考えるよりも、木材で考えると分かり易いですね。
参考になりました。
ご回答ありがとうございました。

回答No.1

noname#194996

直線的に力とひずみ（伸び）が比例しているところは、材料ががんばっているところです。
そこでは、力を抜くと完全に伸びが元に戻るのです。
降伏点（上降伏点）で、はじめて材料が「参った！」といって中で鉄の原子構造の結晶組織が壊れ始めるのでしょうね。
引っ張り力で急に伸びが大きくなって、下降伏点で一旦持ちこたえ、あとはさほど力を加えなくてもチュウインガムのように伸びはじめ、×のところでぷつん、と千切れてしまうわけです。

降伏点から右では、力を抜いても組織が壊れた分永久ひずみが残って、元の形にはなりません。

補足

丁寧なご回答ありがとうございます。
その「参った！」が感覚的によく分からないんです。
「応力が下がる」っていう状態がどういうことなのかがよくわかりません。。。
応力という概念に対する理解が足りないのでしょうか。
どのテキストを読んでも「部材内部に生じる力」的な抽象的な表現なためイマイチ理解できません。