引張強度試験は、主に金属材料の伸長時の損傷に対する抵抗力を判定するために使用され、材料の機械的性質を評価するための重要な指標の1つです。
1. 引張試験
引張試験は材料力学の基本原理に基づいています。特定の条件下で材料サンプルに引張荷重を加えると、サンプルが破損するまで引張変形が生じます。試験中、材料の降伏強度、引張強度、その他の性能指標を計算するために、さまざまな荷重下での実験サンプルの変形とサンプルが破損したときの最大荷重が記録されます。
応力σ = F/A
σは引張強さ(MPa)
F は引張荷重 (N)
A は試験片の断面積です
2. 引張曲線
ストレッチプロセスのいくつかの段階の分析:
ａ．荷重が小さいOP段階では、伸びと荷重は線形の関係にあり、Fpは直線を維持するための最大荷重となります。
b.荷重が Fp を超えると、引張曲線は非線形の関係になり始めます。サンプルは初期変形段階に入り、荷重が取り除かれると、サンプルは元の状態に戻り、弾性変形することができます。
c.荷重が Fe を超えると、荷重が取り除かれ、変形の一部が復元され、残留変形の一部が保持されます。これを塑性変形と呼びます。 Fe は弾性限界と呼ばれます。
d.さらに荷重が増加すると、引張曲線は鋸歯状になります。荷重が増加または減少しない場合、実験サンプルが継続的に伸びる現象を降伏といいます。降伏後、サンプルは明らかな塑性変形を開始します。
e.降伏後、サンプルは変形抵抗、加工硬化、変形強化の増加を示します。荷重が Fb に達すると、サンプルの同じ部分が急激に収縮します。 Fbは強度の限界です。
f.収縮現象により、サンプルの支持力が低下します。荷重が Fk に達すると、サンプルが破損します。これを破壊荷重といいます。
降伏強さ
降伏強度とは、金属材料が外力を受けたときに、塑性変形が開始されてから完全に破壊するまでに耐えることができる最大応力値です。この値は、材料が弾性変形段階から塑性変形段階に移行する臨界点を示します。
分類
上部降伏強さ: 降伏が発生して初めて力が低下する前のサンプルの最大応力を指します。
低降伏強度: 初期の過渡効果を無視した場合の降伏段階での最小応力を指します。下降伏点の値は比較的安定しているため、通常、降伏点または降伏強度と呼ばれる材料の抵抗の指標として使用されます。
計算式
上部降伏強さの場合: R = F / Sₒ、ここで F は降伏段階で初めて力が低下する前の最大力、Sₒ はサンプルの元の断面積です。
降伏強度が低い場合: R = F / Sₒ、ここで、F は初期過渡効果を無視した最小の力 F、Sₒ はサンプルの元の断面積です。
ユニット
降伏強度の単位は通常、MPa (メガパスカル) または N/mm² (ニュートン/平方ミリメートル) です。
例
低炭素鋼を例にとると、その降伏限界は通常 207MPa です。この制限を超える外力を受けると、低炭素鋼は永久変形を起こし、復元できなくなります。この制限以下の外力を受けた場合、低炭素鋼は元の状態に戻ることができます。
降伏強度は金属材料の機械的性質を評価するための重要な指標の一つです。これは、外力を受けたときに材料が塑性変形に抵抗する能力を反映します。
抗張力
引張強度は、引張荷重下での損傷に耐える材料の能力であり、特に引張プロセス中に材料が耐えることができる最大応力値として表されます。材料にかかる引張応力が引張強度を超えると、材料は塑性変形または破壊を起こします。
計算式
引張強さ（σt）の計算式は次のとおりです。
σt = F / A
ここで、F は試験片が破断するまでに耐えることができる最大引張力 (ニュートン、N)、A は試験片の元の断面積 (平方ミリメートル、mm²) です。
ユニット
引張強さの単位は通常、MPa (メガパスカル) または N/mm² (ニュートン/平方ミリメートル) です。 1 MPa は 1,000,000 ニュートン/平方メートルに相当し、1 N/mm² にも相当します。
影響を与える要因
引張強さは、化学組成、微細構造、熱処理プロセス、加工方法などの多くの要因に影響されます。材料が異なれば引張強さも異なります。そのため、実際の用途では、材料の機械的特性に基づいて適切な材料を選択する必要があります。材料。
実用化
引張強さは材料科学および材料工学の分野において非常に重要なパラメータであり、材料の機械的特性を評価するためによく使用されます。構造設計、材料の選択、安全性評価などの観点から、引張強度は考慮しなければならない要素です。たとえば、建設工学では、鋼の引張強さは荷重に耐えられるかどうかを決定する重要な要素です。航空宇宙分野では、軽量かつ高強度の材料の引張強度が航空機の安全性を確保する鍵となります。
疲労強度:
金属疲労とは、材料や部品が周期的応力または周期的歪みの下で 1 つまたは複数の場所に局所的な永久的な累積損傷を徐々に生じ、一定のサイクル数の後に亀裂または突然の完全破壊が発生するプロセスを指します。
特徴
突然の発生: 金属疲労破壊は、明らかな兆候なしに短期間に突然発生することがよくあります。
位置の局所性: 疲労破壊は通常、応力が集中する局所領域で発生します。
環境と欠陥に対する敏感性: 金属疲労は環境と材料内部の小さな欠陥に非常に敏感であり、疲労プロセスを促進する可能性があります。
影響を与える要因
応力振幅: 応力の大きさは金属の疲労寿命に直接影響します。
平均応力の大きさ: 平均応力が大きいほど、金属の疲労寿命は短くなります。
サイクル数: 金属が繰り返し応力またはひずみを受ける回数が増えるほど、疲労損傷の蓄積はより深刻になります。
予防措置
材料の選択を最適化する: より高い疲労限界を持つ材料を選択します。
応力集中の低減: 丸みを帯びたコーナー移行部の使用、断面寸法の増加など、構造設計または加工方法を通じて応力集中を低減します。
表面処理：金属表面に研磨、スプレー等を施し、表面欠陥を低減し、疲労強度を向上させます。
検査とメンテナンス: 金属部品を定期的に検査し、亀裂などの欠陥を迅速に検出して修理します。摩耗部品の交換や弱いリンクの補強など、疲労しやすい部品のメンテナンスを行います。
金属疲労は一般的な金属の故障モードであり、突発性、局所性、および環境に対する敏感性を特徴とします。応力振幅、平均応力の大きさ、サイクル数は、金属疲労に影響を与える主な要因です。
SN 曲線: さまざまな応力レベル下での材料の疲労寿命を表します。S は応力を表し、N は応力サイクルの数を表します。
疲労強度係数の式:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
ここで、(Ka) は荷重係数、(Kb) はサイズ係数、(Kc) は温度係数、(Kd) は表面品質係数、(Ke) は信頼性係数です。
SN カーブの数式:
(\sigma^m N = C)
ここで、(\sigma) は応力、N は応力サイクルの数、m と C は材料定数です。
計算手順
材料定数を決定します。
m と C の値は、実験または関連文献を参照して決定します。
応力集中係数の決定：部品の実際の形状とサイズ、およびフィレットやキー溝などによる応力集中を考慮して、応力集中係数 K を決定します。 疲労強度の計算：SN 曲線と応力に従って集中係数と部品の設計寿命および作業応力レベルを組み合わせて、疲労強度を計算します。
2.可塑性:
塑性とは、外力を受けたときに弾性限界を超えても破壊することなく永久変形を起こす材料の性質を指します。この変形は不可逆的であり、外力を取り除いても元の形状には戻りません。
塑性指数とその計算式
伸び（δ）
定義: 伸びは、試験片が元のゲージ長さまで引張破壊された後のゲージ部分の全変形の割合です。
計算式：δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
ここで、L0 は試験片の元のゲージ長さです。
L1 は試験片が破壊された後の標点距離です。
セグメント縮小 (Ψ)
定義: セグメント減少率は、試験片が元の断面積まで破壊された後のネッキング点における断面積の最大減少率です。
計算式: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
ここで、F0 は試験片の元の断面積です。
F1 は、試験片が破壊された後のネッキング点の断面積です。
3. 硬度
金属硬度とは、金属材料の硬さを測る機械的性質の指標です。これは、金属表面の局所的なボリュームの変形に耐える能力を示します。
金属の硬さの分類と表現
金属の硬さは、試験方法に応じてさまざまな分類・表現方法があります。主に以下のようなものが挙げられます。
ブリネル硬度 (HB):
適用範囲：一般に、熱処理前または焼鈍後の非鉄金属、鋼など、材料がより柔らかい場合に使用されます。
試験原理：一定の大きさの試験荷重で、一定の直径の焼入れ鋼球または超硬球を試験対象の金属表面に押し込み、指定時間後に荷重を取り除き、くぼみの直径試験する表面上の測定を行います。
計算式：ブリネル硬さの値は、荷重をくぼみの球面面積で割った商です。
ロックウェル硬度 (HR):
適用範囲：一般に、熱処理後の硬度など、より硬度の高い材料に使用されます。
試験原理: ブリネル硬度と似ていますが、異なるプローブ (ダイヤモンド) と異なる計算方法を使用します。
種類：用途に応じてHRC（高硬度材用）、HRA、HRBなどがあります。
ビッカース硬さ (HV):
適用範囲: 顕微鏡分析に適しています。
試験原理：頂角136°のダイヤモンド角錐圧子を用いて120kg未満の荷重で材料表面を押し込み、材料の凹みの表面積を荷重値で割ってビッカース硬さを求めます。
リーブ硬度 (HL):
特長： 簡単に測定できるポータブル硬度計です。
試験原理：衝撃ボールヘッドが硬さ面に衝突した際に発生する弾みを利用し、サンプル表面から1mmの位置でのパンチの反発速度と衝撃速度の比により硬さを算出します。
投稿日時: 2024 年 9 月 25 日
