鉄について(熱処理、応力ひずみ曲線図)!(機械の基礎知識)

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消防設備士試験の
機械の基礎知識に出てきます「鉄」について、
簡単にご説明していきます。

消火設備の配管や、
避難器具などの材料として広範囲に用いられていますので、
消防設備士試験にも出題される確率が高いです。

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鉄について



純度の高い鉄の融点は、1536℃。

純鉄は非常にサビやすいことに加えて
そのままでは軟らかく強度的に問題がある為、
炭素鋼と呼ばれる、
純鉄に炭素を含有させ硬度を向上させたものが用いられています。

炭素の含有量によって、
低炭素鋼、~0.3%まで
中炭素鋼、0.3~0.45%
高炭素鋼、0.45~2.0%
といった形で分類されています。

この炭素を加えることにより融点が約1200℃ほどに下がります。


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火災時の熱は1000℃近くになりますが、

柱や梁などの構造材を鋼材で組み立てている鉄骨造の建物は、
火災の熱によって強度が低下し、
構造材が折れ曲がる座屈(ざくつ)といった現象が起こります。

この強度の低下は500~600℃あたりで急激に起こると言われています。

その為、
鉄骨造は耐火被覆を施すのが一般的です。



また、
鉄は炭素以外にさまざまな元素を含有させることによって、
合金鋼となり、耐食性や強度、耐熱性、粘り強さを向上させることができます。

クロムとニッケルを加え耐食性を向上させたものが
みなさもよくご存じのステンレスです。

この合金鋼の特徴も時折試験に出ますので覚えておいてください。


熱処理について(重要度・高)



試験によく出る、
焼きなまし、焼きならし、焼き入れ、焼き戻しについて。

鋼製品を加工する際は、
まず鉄鉱石を溶かし、鋼材の材料を取り出します。

この鉄鋼材料は、
伸ばされたり叩かれたり色々な力を加えられ最終的に加工されます。

力を加えられたままでは、
成分元素の偏りがあったり内部組織のバラツキがあったりと材料内に
不具合が蓄積された状態です。

この不具合を解消するため、本格的な加工に移る前に熱処理を行います。



その一つが<焼きなまし>です。

この焼きなましにもさまざまな工程があるのですが、
材料を軟らかくして削りやすくしたりする、加工性の向上と、
一番の目的が、
元素の成分の偏りをなくし、内部の組織を整えることです。

加熱した後に炉の中に入れたまま、徐々に冷却します。



もう一つが<焼きならし>です。

これも焼きなましと似ているのですが、
こちらは主に熱加工によって不均一になった組織の均一化が目的で
焼きなましよりも機械的な強度が強くなります。

焼きなましに比べて早い冷却が必要になる為、
加熱後、炉から取り出し自然冷却します。



この後に行われる<焼き入れ>と<焼き戻し>はセットになります。

<焼き入れ>は、
高温で加熱することによって内部の組織を強い構造に変化させます。
この変化した状態で、水・油・ガスなどを使って急冷することによって
組織の変化を保つことができます。

これにより、
硬さと強度が向上します。


しかし、
このままでは粘り強さがない為、
<焼き戻し>によって再度、加熱し、
冷却します。



応力ひずみ曲線図(重要度・高)



こちらもよく出題されますので、
形を覚えて過去問題を繰り返し解いて覚えてください。


ちなみに、


応力ひずみ曲線図

こんな感じで、

1が<比例限度>で
加えた応力と材料のひずみが比例する限界です。

2が<弾性限度>
加えた応力を取り除くと元に戻る限界です。

3が<上降伏点>、
4が<下降伏点>で
応力を加えなくても勝手にひずみが増加してしまいます。

5が<限界強さ>で
応力に耐えられる一番高い数値です。

6が<破断点もしくは破壊点>で
ここで材料は破壊されてしまいます。


最後に



合金の特性や
鉄以外の銅やアルミニウムなどの金属材料の特徴も
試験に出やすいので、
こちらはテキストを参考に出来るだけ暗記できればと思います。

以上、
鉄についてでした。

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