材料科学

Material Science

994538T

45BAMAM121

岸本　哲

Satoshi Kishimoto

2026年度前期

2026年度

①First semester

水曜4限

Wednsday 4th. Piriod

工学部　機械工学科

Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering

2.00単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

設計する機械の機能を十分に発揮しかつ信頼性を保証するためには、目的に合った最適材料を選択して活用することが必要である。あるいは材料を新規に開発して評価し選択する場合もある。そのためには、単に材料の特性を知るだけでなく材料に関する本質的な理解が必要になる。
本講座では材料の性質を理解するための基礎として原子の構造や結晶構造を理解し、強度、硬さ、軟らかさ、寿命などの性質の要因となる基礎知識を学び、種々の材料の性質や特徴を学習する。また多くの、実際に使われている装置に使用されている材料や作動原理を紹介する。

In order to demonstrate the function of the machine to be designed and to guarantee its reliability, it is necessary to select and utilize the most suitable material for the purpose. Alternatively, a new material may be developed, evaluated and selected. For that purpose, it is necessary not only to know the properties of the material but also to have an essential understanding of these material.
In this course, we will understand the atomic structure and crystal structure as the basis for understanding the properties of materials, and learn the basic knowledge that is the factor of properties such as strength, hardness, softness, life, etc.
Also, I introduce the materials and operating principles used in many devices that are actually in use.

材料には金属、セラミックス、ポリマー,複合材料、コンクリートや木材など様々な材料が存在するが、ここでは、材料の科学と特性の基礎を理解することに力点を置く。材料の性質や成り立ち、破壊挙動を、原子構造や結晶構造から解説し、その本質的理解が得られるようにする。また、工学的視点からこれら材料の製造方法を理解する。具体的な材料適用例や事故例もできるだけ紹介する。

Materials include metals, ceramics, polymers, composites, concrete and wood. The properties, formation, and fracture behavior of materials are explained from the atomic and crystal structures to provide an essential understanding of these materials. The course will also provide students with an understanding of how these materials are manufactured from an engineering perspective. Specific examples of material applications and accidents will also be introduced as much as possible.

〔目標〕
１）金属、セラミックス、ポリマー等の性質を理解し、材料の特性が原子結合と結晶構造に由来することを理解し説明できるようになる。
２）金属の曲がる、伸びる、強い、削れるといった機械的性質が金属結晶の「転位」の易動度に関連することを理解し説明できるようになる。
３）金属の延性破壊、脆性破壊、疲労破壊の現象を微視的過程から理解し説明できるようになる。
４）金属の製錬、加工、熱処理の基本原理を理解し説明できるようになる。
５）ポリマー、セラミックス、炭素材料、複合材料、木材などのの特徴を理解し説明できるようになる。用途により最適な材料を選定できるようになる。
６）材料に関連する環境課題やカーボンニュートラルへの影響を理解し説明できるようになる。

Objectives
(1) To understand the properties of metals, ceramics, polymers, etc., and to be able to understand and explain that the properties of materials are derived from atomic bonding and crystal structure.
(2) To be able to understand and explain that mechanical properties of metals such as bending, elongation, strength, and cutting are related to the mobility of dislocations in metal crystals.
(3) Understand and explain the phenomena of ductile fracture, brittle fracture, and fatigue fracture of metals from the viewpoint of microscopic processes.
(4) To understand and explain the basic principles of metal smelting, processing, and heat treatment.
(5) Understand and explain the characteristics of polymers, ceramics, carbon materials, composite materials, and wood. To be able to select the most suitable material for each application.
(6) Understand and explain environmental issues related to materials and their impact on carbon neutrality.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

材料への関心を持って履修すること。
課題（レポート）や小テストの未提出３回で、単位取得の意志がないと判断する。課題、小テストとも採点し成績に反映する。
高等学校での物理学および化学の理解を前提に講義する。

Please take this course with an interest in materials.
Students will be judged as having no intention of earning credits if they fail to submit assignments (reports) and quizzes three times. Both assignments and quizzes will be graded and reflected in the grade.
The lectures will be given on the assumption that students have an understanding of physics and chemistry at the high school level.

課題に対する作文　Essay／小テストの実施　Quiz type test

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シラバスにある教科書の予習範囲を熟読すること。授業終了後は板書を書き写したノートをよく読み理解すること。数回行われる「小テスト」「レポート」は復習を確認するために行う。

Please read the textbook's preliminary reading listed in the syllabus. After class, students are expected to read and understand the notes taken from the board. "Quizzes" and "Reports" will be given several times to confirm the review.

数回行われる「小テスト」または「課題レポート」の提出を必須とする。
中間試験(40%)、期末試験(40%)、課題・小テスト(20%)
ただし中間試験を複数回の課題レポートに変えた場合は、課題・小テストを60%とする。
期限を過ぎて提出された課題等は減点する．提出されない場合は0点とする

Submission of several "quizzes" or "assignment reports" is required.
Mid-term exam (40%), final exam (40%), assignment/quiz (20%)
However, if the mid-term examination is converted into multiple assignment reports, the assignment/quiz will be 60%.
Points will be deducted for assignments and quizzes submitted after the due date. If not submitted, a grade of zero will be given.

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

Y

東京化学同人
材料科学・材料工学　ー基礎から応用までー
Ｊａｍｅｓ　Ｎｅｗｅｌｌ　著

教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

参考教科書、②「機械材料学」、日本機械学会　編、　丸善

実物の材料に手を触れていただく．実際の巨大な装置等もできるだけPPT等で紹介する．

１．イントロダクション　材料の選定　　（①１章）
機械工学は総合的「ものづくり」の学である。最近では、環境に配慮するため、材料特性や材料加工処理の知識に加え、素材製造に必要な最小エネルギー、安全な分別廃棄処理や再生方法までを考慮した材料選択と設計が要求されるようになってきた。身近な道具、機械、製品や構造物を通じ,さらには実際の材料に接して、材料選択がどのようにおこなわれているかを考える。イントロダクションであるが身近にある材料の特性（硬い、重い、軟らかい、脆いなど）や問題（マイクロプラスチックや環境負荷問題）を考える。

２．化学結合と物性　　　（①１章）
金属はなぜ曲がるのか、陶器や磁器はなぜ割れるのか、ポリマーはなぜ硬いものから良く伸びるものまであるのかを、物質の基本的性質を決定する構成原子の種類、その配置、原子間の結合の性質から考える。共有結合、イオン結合、金属結合、水素結合、ファンデルワース力の特徴を理解する。また、それらの結合が主となる具体的材料とその特性について知る。高校で学習しているかもしれないが、教科書第1章の原子軌道のエネルギー順位などを予習してくること。

３．物質中の原子の配列　（①２章）
金属中の原子配列と結晶構造の基礎を理解する。とくに金属結晶で基本となる体心立方晶、面心立方晶、最密六方晶の構造と結晶学的特徴を知る。また、実用金属におけるこれらの結晶構造の具体例を知る。結晶面と結晶方位の表し方を理解する。高校で学習しているかもしれないが、教科書第２章の物質の構造、格子構造、平面の表し方を予習してくること。

４．結晶中の欠陥と「転位」　（①２章）
金属の曲がるという性質（塑性変形）が転位の運動によることを理解する。金属の力学的性質がすべり系、転位の増殖、転位密度の増加等によって説明できることを理解する。教科書第２章の点欠陥、転位、すべりなどをよく読み理解してくること。

５．機械的性質の測定　　（①３章）
材料の強さを計る引張試験の応力−ひずみ曲線、荷重−伸び曲線、塑性的変形、真応力−真ひずみ曲線、塑性仕事や硬さ試験などについて知る。各種材料の典型的応力ひずみ曲線について理解する。また、金属材料の応力ーひずみ曲線が転位のミクロな運動と関連づけられることを理解する。教科書第３章の試験方法をよく読み、試験に用いられる言葉をよく理解すること。

６．合金の強化原理と転位　　　（①4章）
2つ以上の金属や金属以外の物質と金属を一緒に溶かして固めた合金の強化機構を考える。侵入型と置換型の固溶強化、析出硬化と分散強化、結晶粒微細化強化、ひずみ硬化、の強化原理と応用例について理解する。多結晶体、結晶粒界、回復、再結晶の意味するところ、材料における粒径制御の重要さと工業的手段を知る。教科書第4章の加工法、合金化の効果を予習してくること。

７．延性破壊と脆性破壊　（①３章）
良く伸びて壊れる延性破壊と伸びずに壊れる脆性破壊、を転位運動に基づいて理解する。また、衝撃破壊、低温脆性の工業的重要さと材料開発における視点についても理解する。教科書第3章の引張試験を熟読しひずみ、応力、破断強度などの用語がわかるようにする。

８．疲労破壊と前半のまとめと中間試験（資料、①３章）
小さな力でも繰り返し作用することにより破壊する疲労破壊のプロセスと応力-寿命（Ｓ−Ｎ）曲線について理解する。微視的過程を転位運動の観点から理解する。また、疲労破壊防止が工業的に重要であることを説明する。切り欠き、表面応力状態の影響を強く受けることも理解する。また、疲労破壊抑制技術についても知る。実際の疲労破壊の例やこれによる事故例も紹介する。教科書第3章の疲労試験を熟読し疲労減などの用語と破壊に至る経過がわかるようにする。
中間試験を行う．（前後する可能性あり．）

９．金属材料の状態図　製造方法　（①4章）
　金属材料の状態図と組織と素異質の関係を学習する．金属の製造方法，加工方法についても学習する．金属の加工硬化、焼きなましにおける回復と再結晶をミクロ（転位）組織の変化で理解する。
金属素材の製造技術概要を知る。素材製造において、製錬エネルギーが原理的に非常に大きいこと、したがって素材のリサイクルが重要になることを理解する。金属材料を目的の形状・寸法に加工する各種加工法の概略を知る。圧延、押し出し、鍛造、深絞り加工法とそれらの応用例を知る。教科書第4章の金属材料の加工法、合金化の効果を熟読し用語などを理解する。

１０．ポリマー　　（①５章）
構造材料から衣類まで幅広く用いられるポリマーの結晶構造と特性、用途について金属材料と比較しながら理解する。プラスチックスの結合形態、熱可塑性と熱硬化性の各種プラスチックス、代表的製法、加工法と製品例についても理解する。マイクロプラスチックなどポリマーを利用することによる問題未理解する。教科書第5章のポリマーの種類、構造、性質を理解する。

１１．ポリマー・セラミックス　　（①５章）（①６章）
構造材料から衣類まで幅広く用いられるポリマーの結晶構造と特性、用途について金属材料と比較しながら理解する。プラスチックスの結合形態、熱可塑性と熱硬化性の各種プラスチックス、代表的製法、加工法と製品例についても理解する。マイクロプラスチックなどポリマーを利用することによる問題未理解する。教科書第5章のポリマーの種類、構造、性質を理解する。セラミックスについても学習する．

１２．セラミックスと炭素材料　（①６章）
（①６章）。セラミックスの性質や製造方法，用途などについて学習する．炭素材料、とくに最近開発されたフラーレン、CNT、グラフェン等の各種炭素系新素材の構造、特性について学び、宇宙構造物への応用の可能性について知る。教科書第6章のセラミックスの工業的利用を熟読しセラミックスの性質を理解する。

１３．複合材料と生体材料と生物材料　（①７章）①９章）
生態系材料としてどのような材料が使われているかその概要を知る。最近の発展が著しい、生体材料、生物由来材料、生物模倣材料の概要を知る。とくに生体材料に必要な性質を理解する。生物の機能やミクロ構造を模倣した（バイオミメティックス）新規材料の発展も紹介する。教科書第9章を熟読し生体材料に関する用語と性質を理解する。

１４．複合材料と環境課題　（PPT資料、①７章）
金属系、ポリマー系、セラミックス系の複合材料やハイブリッド材料の概念を理解する。またその性質を利用した応用例を紹介する。自動車材料や家電材料を例に、材料への環境要請、ＣＯ２抑制、材料からの環境課題への寄与等の今後考慮するべき課題を理解する。教科書第7章の複合材料の部分や各章のリサイクルの部分を熟読しその種類と性質を理解する。

１５．到達度評価試験と総まとめ
全員での公平な到達度評価試験を行えないときは課題のレポートとする。総まとめは、特に環境問題、マイクロプラスチック，リサイクル，カーボンニュートラル、SDGｓと材料との関係などこれから人類が直面するであろう問題を理解する。

ただし，授業の進展の程度により内容が変わる場合がある．

研究者（国立研究開発法人　材料）
学会・協会（日本機械学会，日本材料学会，減災・サステナブル協会等）役員

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実際の材料を持参します．実際に見て触ってもらいます．重さ，感触（冷たい，温かい，かたい，柔らかい）、加工硬化、疲労破壊などを実際に感じてください．

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