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材料の張力試験と機械的特性

2025-09-10

最新の企業ニュース材料の張力試験と機械的特性

材料の引張試験と機械的性質

引張試験は、材料の機械的性質を決定するための最も基本的な方法です。標準試験片に軸方向の引張力を加え、力-変位曲線を記録することにより、材料の強度、塑性、弾性などの主要な機械的指標をさらに分析します。

1. 引張試験の核心的な目的

軸方向の力の下での材料の変形と破壊プロセスをシミュレーションすることにより、材料が外力に抵抗する能力（強度）と変形能力（塑性）を定量的に取得し、材料選択、構造設計、品質検査の基礎を提供します。

2. 試験から得られる主要な機械的性質指標

引張曲線（応力-ひずみ曲線）に基づいて、以下の主要な指標を抽出できます。それらの物理的な意味と適用シナリオを以下の表に示します:

特性指標	定義（核心的な説明）	物理的な意味/適用シナリオ
弾性係数（E）	弾性段階における応力とひずみの比率（「剛性」指標）	材料の弾性変形に対する抵抗力を反映します。例：機械部品は、寸法安定性を確保するために高いEを必要とします
降伏強度（σy）	材料が塑性変形を開始する最小応力（「塑性変形抵抗」）	部品が塑性変形によって破損するのを防ぐための構造設計の重要な基礎
引張強度（σt）	材料が耐えることができる最大引張応力（「極限強度」）	材料の破壊に対する抵抗の上限を評価し、材料の耐荷重限界を決定するために使用されます
破断後の伸び（δ）	試験片が破断した後の元の長さに対する伸びの割合（「塑性指標」）	材料の塑性を反映します。δが大きいほど、材料は加工しやすい（例：スタンピング、曲げ）
面積減少率（ψ）	試験片が破断した後の元の断面積に対する断面積の減少率	δよりも感度の高い塑性指標であり、特に脆性材料に適しています

3. 典型的な材料の引張挙動の違い

異なる種類の材料の応力-ひずみ曲線は大きく異なり、それらの機械的性質の特徴を直接反映しています:

塑性材料（例：低炭素鋼）: 曲線は4つの段階があります—弾性段階（アンロード後の回復）、降伏段階（ひずみが増加する間、応力は一定）、ひずみ硬化段階（応力とひずみが同時に増加）、ネック-破断段階。破断後の伸びは高い（δ > 5%）。
脆性材料（例：セラミックス、鋳鉄）: 明確な降伏段階はなく、弾性段階の後に直接破断します。破断後の伸びは非常に低い（δ < 5%）であり、引張強度は圧縮強度よりもはるかに低いです。
高弾性材料（例：ゴム）: 弾性変形は非常に大きい（最大1000%）、弾性係数は低く、塑性変形はなく、アンロード後に完全に回復します。

4. 試験の核心的な影響要因

試験結果の精度は、以下の要因の制御に依存します:

試験片の仕様: 試験片の寸法（長さ、直径）を均一にし、試験片の違いによる誤差を避けるために、国家規格（例：GB/T 228.1）に準拠する必要があります。
負荷速度: 過度に速い負荷は、材料に「脆性の増加」を示します（例：低炭素鋼は明確な降伏がない場合があります）。負荷は標準速度（例：1〜5 mm/分）で行う必要があります。
環境条件: 高温は材料強度を低下させ、塑性を増加させます。低温は材料を脆くします（例：低温での鋼の「低温脆性」）。試験温度を明確に指定する必要があります。

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