強欲な青木
お‥応力！？ひずみ！？
ちょっと何言ってるか分からへん。
学生時代に、ず～っと材料工学を学んでいた管理人が分かりやすく解説します！
管理人
このブログを見たら消防設備士試験の「応力ーひずみ曲線」と「安全率」に関する問題が得点源となるはず！
「ひずみ」の意味
まず「ひずみ」の意味ですが、ざっくり「どれだけ材料が変形したか」を表す数字と捉えて下さい。
強欲な青木
ひずみεは変形量を変形前の長さで除算するので、小数点以下の値をとるのが特徴的だよね。
人間関係の「ひずみ」がも、もともとの関係から少しズレが生じるみたいなニュアンス。
管理人
応力―ひずみ曲線
材料が破断するまで応力を加えると以下の「応力ーひずみ曲線」の様に特徴的な挙動でひずみも大きくなっていき、最終的に破断します。
とっても「応力―ひずみ曲線」は重要である為、何も見なくても書ける＆各点を説明できるように暗記しておきましょう！
塑性変形について バネを例にして説明します。
手で引っ張って離したときに元の形に戻るのが弾性変形、元の形に戻らず変形したままになる変形が塑性変形です。
参考新潟県庁
強欲な青木
管理人
安全率＝引張強さ÷許容応力
材料が耐えられる最大の引張応力である「引張強さ(基準強さ)」に対して、機械や構造物を安全に使用するのに許しうる限界の応力を「許容応力」といいます。
引張強さと許容応力が等しかったら安全率は１になりますが、だいたい許容応力の方が小さく設計されるので安全率は整数となります。
強欲な青木
実際の設計では安全率を3以上に設定するのが普通だよね。
万が一が起こるとマジでやばいものは安全率も高めに設定されます。
管理人
強欲な青木
その分コストがかかったりして不経済にもなるけど…やむを得ず。
材料や製品が壊れない様、安全に使うために「安全率」って指標は大事。
管理人
さて「応力―ひずみ曲線」と「安全率」についてザっと理解したところで、消防設備士試験に出た過去問を使って効果測定してみましょう。
【過去問】応力ーひずみ曲線と安全率
機械の材料に働く荷重に関する次の記述において、文中の【 】に当てはまる語句として、正しいものは次のうちどれか。
「材料は荷重が加わると変形する。この変形量のもとの長さに対する割合を【 】という。」(甲５大阪)
- ひずみ
- 応力
- ヤング率
- 弾性限度
+ 解答・よく分かる解説
１
「ひずみ」の意味ですが、ざっくり「どれだけ材料が変形したか」を表す数字と捉えて下さい。
応力σ（シグマ）とは、荷重を受けた部材の内部に生じる「単位面積当たりの抵抗力」のことです。
ヤング率は縦弾性係数とも呼ばれ、「弾性」とは材料に外力を加えた際、その外力を取り去ると元の形状に戻る性質のことです。 ヤング率が大きいほど、材料の剛性は高くなります。
弾性限度とは「材料が弾性変形をする限界の応力値」のことです。 この弾性限度を超えると材料の塑性変形が始まり、永久ひずみが残るようになります。
金属材料の基準強さと許容応力との比として、正しいものは次のうちどれか。(乙１大阪)
- たわみ
- 安全率
- 弾性係数
- 断面係数
+ 解答・よく分かる解説
２
材料の引張強さ(基準強さ)と許容応力の比で表されるのは安全率です。
金属材料の基準強さ、許容応力および安全率の関係を示す式として、正しいものはどれか。(乙6奈良)
- 許容応力＝安全率÷基準強さ
- 許容応力＝安全率×基準強さ
- 許容応力＝基準強さ÷安全率
- 許容応力＝基準強さ×安全率
+ 解答・よく分かる解説
３
材料の引張強さ(基準強さ)と許容応力の比で表されるのは安全率です。
下図は軟鋼を常温で引張試験したときの応力―ひすみ線図を示したものである。次の文中の【 】に当てはまる語句の組合せとして正しいものはどれか。
「荷重を加えたとき点【ア】の付近の応力では、荷重を除くとひずみもなくなる。点【ア】の応力を【イ】という。」(乙6奈良)
- 【ア】A、【イ】弾性限度
- 【ア】B、【イ】上降伏点
- 【ア】C、【イ】下降伏点
- 【ア】D、【イ】極限強さ
+ 解答・よく分かる解説
１
応力―ひずみ曲線上で問題文の「荷重を除くとひずみもなくなる」点は弾性域を指します。
過去問は点Aが弾性限度になっている為、上の応力ーひずみ曲線の点Aの比例限度と一致していないことに注意。(※丸暗記だと、ひっかけ問題になる。)
降伏点が340MPaの材料について、降伏点を基準強さとし、安全率を５としたときの許容応力として正しいものは次のうちどれか。(甲２奈良)
- 34MPa
- 68MPa
- 850MPa
- 1,700MPa
+ 解答・よく分かる解説
２
許容応力を求める公式は「許容応力＝基準強さ(引張強さ)÷安全率」である。
よって340÷５＝68MPaと求められ、許容応力は選択肢2. 68MPaが正しい。
次の文中の【 】に当てはまる語句の組合せとして、正しいものはどれか。
「金属材料を選定する場合の重要な要素の一つとして、使用される部分の荷重条件により設定する安全率があるが、これはその材料の【ア】と【イ】の比であり、一般に【ウ】の場合は、【エ】の場合よりも大きな数値で設定しなければならない。」(乙５大阪)
| 【ア】 | 【イ】 | 【ウ】 | 【エ】 |
| 1 | 基準強さ | 許容応力 | 静荷重 | 動荷重 |
| 2 | 曲げ強さ | 基準強さ | 静荷重 | 動荷重 |
| 3 | 基準強さ | 許容応力 | 動荷重 | 静荷重 |
| 4 | 曲げ強さ | 基準強さ | 動荷重 | 静荷重 |
+ 解答・よく分かる解説
３
材料が耐えられる最大の引張応力である「引張強さ(基準強さ)」に対して、機械や構造物を安全に使用するのに許しうる限界の応力を「許容応力」といいます。安全率は、材料の「引張強さ」と「許容応力」の比のことです。
一般に、一定の荷重（静荷重）より、繰り返しの動的な荷重（動荷重）の方が安全率を大きくする必要があります。また衝撃の荷重がかかる場合は、さらに安全率を大きくします。
機械に関する基礎的知識の過去問
解説まとめページご活用下さい
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参考【消防設備士】基礎的知識（機械）の過去問まとめ【解答・解説つき】
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強欲な青木
もし、まだ自信がないのであれば繰り返し
「過去問テスト」等を使って類題を解くことをオススメします！
管理人
消防設備士「過去問テスト」は、その名の通り“過去に出た問題” のテストです。
ブログでお馴染みの管理人が過去問に関する情報収集を積み重ね、その中からピックアップして過去問ベースの模擬試験を作成したものです。
上記以外に新傾向問題の情報など提供あり次第、毎年追記して解説を更新していきます。こまめにチェックして下さい。