科学技術と共に歩む

増補にあたって

本書は多くの大学で材料力学の教科書として使用されてきた。初版では材料力学の基礎に重点を置いて説明したが，機械要素の設計で必要なより多くの課題を解決するための内容を補充するために，増補版ではつぎの項目を追加した。

まず，円形でない断面を持つ棒をねじる場合，横断面は平面を保つことができず，軸方向にもゆがみが生じるため，円形断面の丸軸をねじる場合に用いた仮定は成立せず，解析は複雑になる。6.5節において，楕円形断面と長方形断面を持つ棒について，最大ねじり応力を示す。

つぎに，外径と内径の比が大きい厚肉円筒の場合，応力は半径方向の位置に依存して変化する。7.3節において，厚肉円筒に内圧が作用する場合についての応力分布を示す。

一方，機械では円柱や円筒の形状をした要素が多く使用される。これらの要素の強度を考える場合に必要な円柱座標での応力成分を9.4節において示す。

さらに，機械設計において重要な弾性と塑性，粘弾性，硬さ，残留応力および複合材料，傾斜機能材料，インテリジェント材料，多孔質材料の力学的機能特性について15章において説明する。

なお，追加したこれらの項目の執筆はおもに戸伏と松井が担当した。

増補版が学生および技術者の学習に役立ち，新しい機械の開発に貢献することを期待する。

2020年9月　著者一同


はじめに

機械や構造物などを設計するためには，それらが使用期間中に破損せずに安全に使用できるように考慮する必要がある。このために，強度設計の方法を与える学問として材料力学は発展してきた。人類は，近年，資源・エネルギー問題，地球環境問題など重要な問題に直面している。このような問題に対しても，省資源・省エネルギーや排気ガスの対策などを行う機械を開発するために材料力学の果たす役割は大きい。このようなマクロな課題の解決から，電子機器で使用されるICチップの熱応力による疲労破壊防止などミクロな要素の開発まで，広範囲の分野にわたり材料力学は重要な役割を果たしている。さらに，食品，生物，医療などの分野においても，健康や安全性を考慮した機械や機器を開発するための基礎を材料力学は担っている。

機械設計や，ものづくりにおいて最も基本的で重要な強度設計に必要な情報を材料力学は提供する。したがって，材料力学は新しい機械を創造するために必須の学問である。安全な機械を設計するためには，機械要素の変形解析と応力解析が必要である。

本書は，著者らが大学での教育・研究および企業における実務経験に基づき，材料力学で重要な基本的な内容をわかりやすく解説するように工夫している。このために，本書では，機械の強度設計に必要な材料の変形特性の評価方法と応力解析の考え方，および強度評価の方法に関する基本事項を1章と2章で説明している。機械要素の設計で最も重要な，曲げを受けるはりのたわみと応力解析の方法を3章，4章および5章で詳しく解説している。回転を伝える軸やコイルばねの設計で必要なねじりの問題は，6章で取り扱っている。圧力を受ける容器の応力解析の方法を薄肉円管と薄肉球殻について，7章で紹介している。ひずみエネルギーに関連する定理と応力解析への応用は8章で解説している。複雑な荷重が組み合わさって作用する場合の応力解析の方法と，主応力および最大せん断応力の求め方を9章で説明している。圧縮を受ける細長い部材で大切な座屈などの安定性の問題は，10章で説明している。温度変化を伴う機械要素において重要な熱応力は11章で紹介している。機械要素の強度設計で重要な材料の強度特性を定める破損の法則は12章で説明している。

材料力学の内容を理解し応用力を身に付けるためには，演習問題を解くことが大切である。このために，本書では基本的で重要な例題を提示し，その解答も示した。特に，応力の概念を理解し，使用する仮定や法則の成立する範囲や条件を明確にすることは重要である。また，数値計算の例題を解くことにより，応力解析の手法を学び，単位の大切さを理解することができる。したがって，例題を積極的に解いて内容の理解を深めることを勧める。

本書では，機械設計の応力解析において基本的に重要な弾性変形の問題をおもに取り扱っている。しかし，近年，機械の使用条件はますます過酷になっており，目的の条件を達成するために，非弾性変形の解析が重要になっている。このために，本書では機械の破壊の中で最も基本的で重要な疲労を13章で解説している。さらに，エンジンやガスタービンなどの高温機器の設計で重要である材料の高温における強度特性を，14章で説明している。

本書は高専および大学の教科書としてのみでなく，企業の強度設計においても有用である。本書により材料力学の基礎を学び，さらに先進の材料力学を修得し，これらを応用して人類の発展に貢献する有用な機械や構造物を開発できるように，学生および若い技術者の将来の活躍を期待する。

本書の執筆において各著者がおもに担当した章は，つぎのとおりである。松井：1章と2章，竹市：3章，4章および5章，戸伏：6章と14章，稲葉：7章と12章，池田：8章，10章および11章，小野：9章と13章である。この中で，8章，10章および11章の例題の作成には，名古屋大学の仙場淳彦助教にご協力いただいたことを記して感謝の意を表す。

終りに，本書の出版を快諾され種々のご高配をいただいた株式会社コロナ社の各位に深く感謝申し上げる。

2014年2月　著者一同