【材料力学・設計者向け】ヤング率とは？主要な材料のヤング率一覧（高い順・早見表）
「設計で材料を選ぶとき、どのくらい『硬い』あるいは『しなりにくい』かを数値で比較したい…」
「Pythonで構造計算のシミュレーションをしたいけど、各材料のヤング率ってどれくらいなんだろう？」
「ヤング率ってよく聞くけど、そもそも何を表す数値なの？」
こんにちは！ Pythonプログラミング探検隊、隊長のPythonistaです！ 以前の記事で、Pythonを使って材料の応力やたわみを計算するツールを作成しました。その際、plate_young_modulus_Paという重要なパラメータが登場したのを覚えていますか？
今回は、その「ヤング率（縦弾性係数）」とは何かを分かりやすく解説するとともに、様々な工業材料のヤング率を一覧にまとめた、便利な早見表をご提供します。この一覧表があれば、材料選定やシミュレーションの際の大きな助けとなるはずです！
1. ヤング率（縦弾性係数）とは？
ヤング率 (Young's Modulus) は、材料の「硬さ」や「変形しにくさ」を表す指標です。より専門的に言うと、「材料を引っ張ったり圧縮したりした際の、応力（単位面積あたりの力）とひずみ（元の長さに対する変形の割合）の間の比例定数」です。
数式では σ = Eε (応力 = ヤング率 × ひずみ) と表されます。このEがヤング率です。
…というと少し難しく聞こえますが、直感的には以下のように理解してください。
- ヤング率が高い材料（例: 鋼）:
- 非常に「硬く」、変形させるのに大きな力が必要。
- 「しなりにくい」「剛性が高い」材料です。
- ヤング率が低い材料（例: ゴム）:
- 非常に「柔らかく」、小さな力で簡単に変形させることができる。
- 「しなりやすい」「剛性が低い」材料です。
単位は、圧力と同じPa（パスカル）や、その10億倍であるGPa（ギガパスカル）が一般的に使われます。設計やシミュレーションにおいて、材料がどのくらい変形するか（たわむか）を計算する際に、このヤング率は不可欠な物性値となります。
2. まずはコレ！主要な金属材料のヤング率
構造材料として特によく使われる、代表的な金属のヤング率を以下に示します。設計の初期段階では、まずこれらの数値を頭に入れておくと便利です。
主要材料のヤング率 (目安)
- 鋼 (炭素鋼): 約 206 GPa
- ステンレス鋼 (SUS304など): 約 193 GPa
- アルミニウム合金: 約 70 GPa
鋼はアルミニウムの約3倍硬く（変形しにくく）、ステンレス鋼はその中間に位置することが分かりますね。
3.【保存版】様々な材料のヤング率一覧（高い順）
以下に、より多くの材料について、ヤング率（目安）を高い順に並べた一覧表を示します。先に挙げた主要材料も、この表の中に正しい順序で含まれています。
（※これらの値は一般的な参考値であり、合金の種類、熱処理、温度、測定方法などによって変動します。）
| 材料カテゴリ | 材料名 | ヤング率 (GPa) | 備考 |
|---|---|---|---|
| セラミックス | ダイヤモンド | 1050 - 1200 | 最も硬い物質として知られる |
| セラミックス | 炭化ケイ素 (SiC) | 450 | 高硬度・耐熱材料 |
| 金属 | タングステン (W) | 400 - 410 | 高融点・高密度の金属 |
| セラミックス | アルミナ (Al₂O₃) | 370 | 代表的なファインセラミックス |
| 金属 | 鋼 (炭素鋼) | 206 | 最も一般的な構造用金属 |
| 金属 | 鋳鉄 | 190 - 210 | 種類による (ねずみ鋳鉄は低め) |
| 金属 | ステンレス鋼 (SUS304) | 193 | 耐食性に優れる |
| 複合材料 | 炭素繊維強化プラスチック (CFRP) | 70 - 200 | 繊維の方向や種類に大きく依存 |
| 金属 | チタン合金 (Ti-6Al-4V) | 114 | 軽量・高強度・高耐食性 |
| 金属 | 銅 (Cu) | 110 - 128 | 導電性・熱伝導性に優れる |
| 金属 | 真鍮（黄銅） | 100 - 125 | 銅と亜鉛の合金 |
| セラミックス | ガラス | 50 - 90 | 種類による |
| 金属 | アルミニウム合金 | 69 - 79 | 軽量で加工しやすい |
| その他 | コンクリート | 30 - 50 | 圧縮に強く、引張に弱い |
| 金属 | マグネシウム合金 | 45 | 実用金属で最軽量級 |
| 木材 | オーク（楢、樫） | 11 - 12 | 木目方向。硬い木材 |
| 木材 | パイン（松） | 9 - 10 | 木目方向。柔らかい木材 |
| 樹脂 | ポリカーボネート (PC) | 2.0 - 2.4 | 高い耐衝撃性 |
| 樹脂 | ナイロン (PA) | 2.0 - 4.0 | 耐摩耗性、自己潤滑性 |
| 樹脂 | ポリスチレン (PS) | 3.0 - 3.5 | 安価で加工しやすい |
| その他 | ゴム | 0.01 - 0.1 | 非常に弾性がある |
4. ヤング率を使う上での注意点
この一覧表は非常に便利ですが、実際の設計で使う際には以下の点に注意してください。
- 値はあくまで代表値: 同じ「鋼」や「アルミニウム」でも、含まれる成分のわずかな違いや熱処理の仕方によって、ヤング率の値は変動します。正確な設計には、使用する材料のメーカーが提供するデータシートなどを参照するのが最も確実です。
- 異方性: 木材やCFRPのような複合材料は、力の向きによって硬さが全く異なります（例: 木は木目方向には強いが、木目を断ち切る方向には弱い）。このような性質を「異方性（いほうせい）」と呼びます。
- 温度依存性: 材料のヤング率は温度によっても変化します。一般的に、温度が高くなるとヤング率は低下する（柔らかくなる）傾向があります。
まとめ
今回は、材料の「硬さ」「変形しにくさ」を示す重要な指標であるヤング率について解説し、様々な材料の値を一覧表にまとめました。
この表を参考に、以前作成した「材料重量計算スクリプト」の'plate_young_modulus_Pa'の値を、あなたが設計したい材料に合わせて変更してみると、より現実に即したシミュレーションが可能になります。例えば、プレートを鋼からアルミに変えたら、たわみ量は約3倍になる、といったことが簡単に予測できるのです。
ヤング率は、材料力学や構造設計の基本中の基本です。この知識をあなたのPythonスキルと組み合わせることで、より高度で実践的なものづくりやシミュレーションの世界が広がります。ぜひ、この一覧表をあなたのプロジェクトに役立ててください！
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