アルミのヤング率

Question

製品設計においてアルミを使用する予定です。
当然ながら計算をしておおまかな強度を決めるのですが、どの材料にすればよいか？で困っています。
アルミでも色々な材料があります。5000系、6000系、7000系、、、。
今までは5000系だったのですが、これだと弱いというので強度アップをしなければなりません。
そこで7000系を使用すればとの案が出ているのですが、ヤング率は全部同じです。（およそ70GPa）。これだとどの材料でも何も変わらない結果です。
世間一般でも7000系（ジュラルミン）は強度が強いと言われています。
さて、計算するにはどうすればよいのでしょうか？

Accepted Answer

ヤング率の定義のおさらい
　　http://www.toa-inc.co.jp/yang.html

木材ならヤング率大なものを選びようがあるが、ご指摘のようにアルミではみなほぼ同じ。
鉄のなかどうしでも同じで、釘のような軟鋼も焼入れした硬い針もヤング率は同じ。

ヤング率は荷重をかけたときの変形がいかほどかの指標。
ヤング率同で同じ太さ（断面形状）なら、軽い荷重を掛けると釘も針も同じ曲がり方。

しかし荷重の限度が小さい釘はすぐにグニャと変形。いっぽう針は大きな荷重に耐えて荷重を抜くと曲がりが元に戻る。この性質を『強さ』と言います。硬さとほぼ同じ。

なのでヤング率同じ、（断面）形状同じなら変形は同じながら、強さがある材料は大きな荷重に耐える。

強さは『引張強さ』または『耐力』の指標。
　　http://www.zairyo-ya.com/info/zaisen_tebiki_2.html
7000系の代表A7075の引張強さはたしかに大きく（軟鋼より大）5000系、6000系のほぼ倍。純アルミ1000系とでは５倍の違い。

アルミと鉄鋼の比較では重さ1/3。しかしヤング率も1/3。でも7000系の引張強さは同等。要は使い方＝設計次第で、冒頭資料のように、形状で工夫するのキモです。

最後の２行のふこし不正確な点を修正。

7000系の引張強さは560 N/mm2　　軟鋼の代表SS400は 400 N/mm2
　〃　　　耐力は　490　　　　　　　〃　　　　　　245

引張強さとは伸びて千切れて破壊する値なので、そのまま設計には使えない。耐力とは荷重で変形しても元へ戻る瞬間風速的なギリギリの値。なので設計では更にこれを安全係数で割った値を限度とします。

数字だけの比較なら7000系のほうが強い。
鉄鋼は硬鋼や合金鋼を熱処理すると遥かに上回る強さにはなるが、重量３倍のデメリットは変えようがない。
7000系は鉄鋼比ヤング率1/3なので変形が３倍（荷重を抜くと元へ戻る）

そうです。

しかし、両者の　×線径範囲内　○線形範囲（荷重－変形が比例し除荷すると復元する範囲）は約６倍も違うから、
弱い純アルミには軽い荷であっても背負わせるには要注意です。

Answer

「強度」と一口にいっても何を指すのか。

塑性変形してしまうのが問題なら耐力を向上すれば良いので、
高力アルミへの変更は有効でしょう。

撓みなどの弾性変形を減らしたいなら剛性を上げなければならないので
高ヤング率の材料に変えるか、形状を見直す必要があるでしょう。

もう少し具体的に書いて下さらないと、当事者でない者には
状況がよく分かりません。

> 応力は線形範囲内でおさめるが、変形は大変形

応力が小さいなら材料の引張強度（耐力）の高さは関係してこないので
高力アルミに変えても特に効果は無いでしょうね。

ヤング率の高い材料（CFRP、鋼、チタンなど）に変えるか、
形状を見直すしか無いんじゃないでしょうか。

一応航空機用にアルミ・リチウム合金などのヤング率を高めた（75～80GPa）
物もありますけど、まず入手できませんし、改善効果は一割程度。

アルミのヤング率と製品設計における選び方