引張強度試験は主に金属材料が伸張過程において損傷に耐える能力を測定するために使用され、材料の機械的特性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、サンプルが破断するまで引張変形が生じます。試験中は、異なる荷重下における試験サンプルの変形量と、サンプルが破断した際の最大荷重を記録し、材料の降伏強度、引張強度、その他の性能指標を計算します。
応力 σ = F/A
σは引張強度（MPa）
Fは引張荷重（N）
Aは試験片の断面積である
2. 引張曲線
伸張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、伸びは荷重と直線関係にあり、Fpは直線を維持できる最大荷重です。
b. 荷重がFpを超えると、引張曲線は非線形関係を示し始め、試料は初期変形段階に入り、荷重が除去されると元の状態に戻り、弾性変形できるようになります。
c. 荷重がFeを超えた後、荷重が除去され、変形の一部は回復しますが、残留変形の一部は保持されます。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. 荷重がさらに増加すると、引張曲線は鋸歯状になります。荷重が増加も減少もしない場合、試験サンプルは連続的に伸びる現象を降伏と呼びます。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、試料は変形抵抗、加工硬化、変形強度が増加します。荷重がFbに達すると、試料の同じ部分が急激に収縮します。Fbは強度限界です。
f. 収縮現象により、試料の支持力は低下します。荷重がFkに達すると、試料は破断します。これを破壊荷重と呼びます。
降伏強度
降伏強度とは、金属材料が外力を受けた際に、塑性変形の開始から完全な破断に至るまでに耐えられる最大応力値です。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
上降伏強度: 降伏が発生したときに力が初めて低下する前のサンプルの最大応力を指します。
下降伏強度：初期の過渡的影響を無視した場合の降伏段階における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、通常は材料の抵抗の指標として使用され、降伏点または降伏強度と呼ばれます。
計算式
上降伏強度の場合：R = F / Sₒ、ここで F は降伏段階で力が初めて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 は初期の過渡的影響を無視した最小の力 F であり、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
低炭素鋼を例に挙げると、その降伏限界は通常207MPaです。この限界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。一方、この限界未満の外力を受けると、低炭素鋼は元の状態に戻ります。
降伏強度は、金属材料の機械的特性を評価する重要な指標の一つです。これは、外力を受けた際に材料が塑性変形に抵抗する能力を反映しています。
抗張力
引張強度とは、引張荷重下での材料の損傷に対する抵抗力であり、具体的には、引張過程において材料が耐えられ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
引張強度（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られる最大引張力（ニュートン、N）であり、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
引張強度の単位は通常、MPa（メガパスカル）またはN/mm²（ニュートン毎平方ミリメートル）です。1 MPaは1,000,000ニュートン毎平方メートルに等しく、1 N/mm²にも等しくなります。
影響要因
引張強度は、化学組成、微細構造、熱処理プロセス、加工方法など、多くの要因によって影響を受けます。材料によって引張強度が異なるため、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。
実用化
引張強度は、材料科学および工学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用いられます。構造設計、材料選定、安全性評価などにおいて、引張強度は考慮すべき要素です。例えば、建設工学においては、鋼材の引張強度は荷重に耐えられるかどうかを判断する重要な要素であり、航空宇宙分野では、軽量・高強度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な応力または周期的な歪みを受けると、1 か所または数か所に徐々に局所的な永久的な累積損傷が生じ、一定数のサイクルの後に亀裂または突然の完全な破損が発生するプロセスを指します。
特徴
時間的な突然性: 金属疲労による破損は、明らかな兆候もなく、短期間のうち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感受性: 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、疲労プロセスを加速させる可能性があります。
影響要因
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: 金属が周期的な応力や歪みを受ける回数が増えるほど、疲労損傷の蓄積は深刻になります。
予防策
材料選択の最適化: 疲労限界の高い材料を選択します。
応力集中の軽減: 丸みを帯びた角の遷移の使用、断面寸法の拡大などの構造設計または処理方法によって応力集中を軽減します。
表面処理：金属表面に研磨、スプレー塗装などを施し、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て、ひび割れなどの欠陥をすぐに検出して修復します。また、摩耗した部品を交換したり、弱い部分を補強するなど、疲労しやすい部品をメンテナンスします。
金属疲労は、突発性、局所性、環境に対する敏感性といった特徴を持つ、一般的な金属破壊モードです。応力振幅、平均応力の大きさ、およびサイクル数が、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における材料の疲労寿命を表します。ここで、S は応力、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曲線の数式：
（\sigma^m N = C）
ここで、(\sigma) は応力、N は応力サイクル数、m および C は材料定数です。
計算手順
材料定数を決定します。
実験または関連文献を参照して、m と C の値を決定します。
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、キー溝などによって生じ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 曲線と応力集中係数に基づき、部品の設計寿命と動作応力レベルと組み合わせて、疲労強度を計算します。
2. 可塑性：
塑性とは、材料が外力を受けると、その外力が弾性限界を超えても破断することなく永久変形を起こす性質を指します。この変形は不可逆であり、外力を除去しても元の形状に戻りません。
可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セクションの合計変形量の割合です。
計算式：δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
ここで、L0は試料の元のゲージ長さです。
L1は試験片が破断した後のゲージ長さです。
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に破断された後のネック ポイントでの断面積の最大減少率のパーセンテージです。
計算式: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
ここで、F0 は試料の元の断面積です。
F1 は、試験片が破断した後のネックポイントでの断面積です。
3. 硬度
金属硬度は、金属材料の硬さを測定する機械的特性指標です。金属表面における局所体積の変形に対する抵抗力を示します。
金属硬度の分類と表示
金属の硬度は、試験方法の違いに応じて様々な分類・表示方法があります。主なものは以下のとおりです。
ブリネル硬度（HB）：
適用範囲: 非鉄金属、熱処理前または焼きなまし後の鋼など、材料が柔らかい場合に一般的に使用されます。
試験原理：一定の大きさの試験荷重をかけ、一定直径の硬化鋼球または超硬合金球を試験対象金属の表面に押し付け、一定時間後に荷重を除去し、試験対象表面の圧痕の直径を測定します。
計算式：ブリネル硬度値は、荷重を圧痕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：熱処理後の硬度など、硬度の高い材料に一般的に使用されます。
テスト原理: ブリネル硬度に似ていますが、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(高硬度材料用)、HRA、HRBなどのタイプがあります。
ビッカース硬度（HV）：
適用範囲：顕微鏡分析に適しています。
試験原理：120kg未満の荷重と頂点角136°のダイヤモンド四角錐圧子で材料表面を押し、材料の圧痕ピットの表面積を荷重値で割ってビッカース硬度値を算出します。
リープ硬度（HL）：
特徴: 測定が簡単なポータブル硬度計。
試験原理：衝撃ボールヘッドが硬度表面に衝突した後に発生する跳ね返りを利用し、サンプル表面から1mmの位置でのパンチの反発速度と衝突速度の比で硬度を計算します。
投稿日時: 2024年9月25日
