金 属 材 料 の 引 張 試 験 の 基 礎 1.はじめに 金 属 材 料 の 強 度 試 験 引 張 試 験 金 属 材 料 の 強 度 評 価 によく 利 用 される. ( 引 張 強 度, 降 伏 点, 伸 び, 絞 り など) その 他 圧 縮 試 験, 曲 げ 試 験,せん 断 試 験, 硬 さ 試 験, 衝 撃 試 験, 疲 労 試 験 など. 引 張 試 験 圧 縮 試 験 曲 げ 試 験 せん 断 試 験 2. 関 連 JIS 2. 1 金 属 材 料 の 引 張 試 験 に 関 する 基 本 的 な JIS Z2201 金 属 材 料 引 張 試 験 片 Z2241 金 属 材 料 引 張 試 験 方 法 ( 溶 接 材 の 引 張 試 験 に 関 する JIS) Z3040 溶 接 施 工 方 法 の 確 認 試 験 方 法 Z3111 溶 着 金 属 の 引 張 及 び 衝 撃 試 験 方 法 Z3121 突 合 せ 溶 接 継 手 の 引 張 試 験 方 法
2. 2 JIS Z2201 金 属 材 料 引 張 試 験 片 の 概 要 ( 抜 粋 ) 金 属 材 料 の 引 張 試 験 に 用 いる 引 張 試 験 片 について 規 定 対 応 国 際 規 格 ISO 6892 Metallic materials Tensile testing 試 験 片 の 分 類 種 々の 試 験 片 の 分 類 および 使 用 区 分 の 目 安 ( 表 1および 表 2) 2 号 試 験 片 ( 比 例 試 験 片 ) 棒 材 をそのまま 使 用 する 図 1 2 号 試 験 片
4 号 試 験 片 ( 定 形 試 験 片 ) 板 材, 棒 材 の 両 方 でよく 使 用 される 試 験 片 図 2 4 号 試 験 片 8 号 試 験 片 ( 定 形 試 験 片 ) 鋳 造 品 の 引 張 試 験 に 使 用 伸 び 値 を 必 要 としない 場 合 に 用 いる 図 3 8 号 試 験 片 10 号 試 験 片 ( 定 形 試 験 片 ) 4 号 試 験 片 とともによく 使 用 される 試 験 片 図 4 10 号 試 験 片
13 号 試 験 片 ( 定 形 試 験 片 ) 金 属 材 料 の 引 張 試 験 の 基 礎 図 5 13 号 試 験 片 14A 号 試 験 片 ( 比 例 試 験 片 ) 図 6 14A 号 試 験 片 14B 号 試 験 片 ( 比 例 試 験 片 ) 図 7 14B 号 試 験 片
2. 3 Z2241 金 属 材 料 引 張 試 験 方 法 の 概 要 ( 抜 粋 ) 金 属 材 料 の 引 張 試 験 方 法 について 規 定 対 応 国 際 規 格 ISO 6892 Metallic materials Tensile testing 用 語 の 定 義 破 断 伸 び 破 断 後 の 永 久 伸 びを 原 評 点 距 離 に 対 して 百 分 率 で 表 した 値.(%) 絞 り 試 験 中 に 発 生 した 断 面 積 の 最 大 変 化 量 で, 破 断 後 の 断 面 積 を 原 断 面 積 に 対 して 百 分 率 で 表 した 値.(%) 応 力 試 験 片 に 負 荷 された 力 を 断 面 積 で 割 った 値.(N / mm 2 ) 引 張 強 さ 試 験 中 に 加 わった 最 大 の 力 に 対 応 する 応 力.(N / mm 2 ) 降 伏 応 力 金 属 材 料 が 降 伏 現 象 を 示 すときの 応 力.(N / mm 2 ) 上 降 伏 点 最 初 に 力 の 減 少 が 観 測 される 瞬 間 の 応 力 値.(N / mm 2 ) 下 降 伏 点 過 渡 的 影 響 を 無 視 した 塑 性 降 伏 する 間 の 応 力 の 最 小 値.(N / mm 2 ) 原 理 試 験 片 に, 引 張 力 による 破 断 に 至 るまでのひずみを 与 えることによって 材 料 の 機 械 的 性 質 を 決 定 する. 試 験 片 試 験 片 は,JIS Z2201 金 属 材 料 引 張 試 験 片 に 規 定 されているものを 使 用 する. 試 験 機 引 張 試 験 に 用 いる 試 験 機 は,JIS B7721 引 張 圧 縮 試 験 機 - 力 計 測 系 の 校 正 検 証 方 法 による 等 級 1 級 以 上 とする. 試 験 力 の 加 え 方 試 験 片 の 形 状 に 適 したつかみ 装 置 を 用 い, 試 験 片 に 軸 方 向 の 力 だけ が 加 わるようにする. 各 種 結 果 の 求 め 方 原 断 面 積 標 点 間 の 両 端 部 および 中 央 部 の3カ 所 の 断 面 積 の 平 均 値. 規 定 寸 法 の0.5%まで 測 定. 標 点 距 離 規 定 の 寸 法 の0.4%の 精 度 で 測 定. 上 降 伏 点 σs U = F SU / A 0 (N / mm 2 ) 整 数 で 表 記 下 降 伏 点 σs L = F SL / A 0 (N / mm 2 ) 整 数 で 表 記 F SU : 一 旦 下 がる 前 の 最 大 荷 重 (N) F SL : 一 旦 下 がり, 再 び 上 がる 前 の 最 小 荷 重 (N) A 0 : 原 断 面 積 (mm 2 )
耐 力 σ ε = F ε /A 0 (オフセット 法 ) 整 数 で 表 記 F ε : 伸 び 計 を 用 いて 力 と 伸 びた 量 との 関 係 線 図 を 求 め, 規 定 の 永 久 伸 び(ε%)に 相 当 する 伸 び 軸 上 の 点 から 試 験 初 期 の 直 線 部 分 に 平 行 線 を 引 き,これが 線 図 と 交 わる 点 の 示 す 力 (N) A 0 : 原 断 面 積 (mm 2 ) 明 確 な 降 伏 点 が 観 察 されない 場 合 に 適 用. 耐 力 を 算 出 する 方 法 は 他 にもあります. 図 8 オフセット 法 による 耐 力 の 算 出 方 法 引 張 強 さ σ B = F max / A 0 F max : 最 大 引 張 力 (N) A 0 : 原 断 面 積 (mm 2 ) 破 断 伸 び δ = (l-l 0 )/ l 0 100 整 数 で 表 記 l: 試 験 片 の 両 破 断 片 の 中 心 線 が 一 直 線 上 にあるように 注 意 し, 破 断 面 を 突 き 合 わせて 測 定 したときの 標 点 間 の 長 さ(mm) l 0 : 原 標 点 距 離 (mm) 絞 り φ = (A 0 - A)/ A 0 100 整 数 で 表 記 A: 試 験 片 の 破 断 面 を 注 意 し, 突 き 合 わせて 測 定 した 最 小 断 面 積 (mm 2 ) A 0 : 原 断 面 積 (mm 2 ) 円 形 断 面 の 試 験 片 を 用 いる.
2. 4 Z3040 溶 接 施 工 方 法 の 確 認 試 験 方 法 の 概 要 ( 抜 粋 ) 溶 接 構 造 物 の 溶 接 のおいて,あらかじめ 溶 接 施 工 方 法 の 適 否 を 確 認 するための 共 通 的 試 験 方 法 について 規 定. 試 験 片 JIS Z3121 に 規 定 する 試 験 片. 評 価 基 準 ( 継 手 引 張 試 験 : 付 属 書 ) 母 材 の 規 格 による 引 張 強 さの 最 小 値 以 上 とする. ただし, 試 験 片 の 母 材 部 で 破 断 した 場 合 で,その 引 張 強 さが 母 材 の 引 張 強 さの95% 以 上 のときは, 基 準 を 満 たしているものとしてよい. 2. 5 Z3111 溶 着 金 属 の 引 張 及 び 衝 撃 試 験 方 法 の 概 要 ( 抜 粋 ) 溶 着 金 属 の 引 張 および 衝 撃 試 験 方 法 について 規 定. 引 張 試 験 片 JIS Z2201 の10 号 試 験 片 引 張 試 験 片 の 平 行 部 は 肩 部 を 含 めてすべて 溶 着 金 属 でなければならない.( 溶 着 部 から 試 験 片 を 切 り 出 す.)
2. 6 Z3121 突 合 せ 溶 接 継 手 の 引 張 試 験 方 法 の 概 要 ( 抜 粋 ) 金 属 材 料 の 板 および 管 の 突 合 せ 溶 接 継 手 の 引 張 試 験 方 法 について 規 定. 対 応 国 際 規 格 ISO 4136 Fusion welded butt joints in steel Transverse tensile test 試 験 片 は 溶 接 線 が 試 験 片 の 長 手 方 向 に 直 角 で 中 央 に 位 置 するように 採 取 する. 1 号 試 験 片 図 9 1 号 試 験 片 1A 号 試 験 片 図 10 1A 号 試 験 片
3 号 試 験 片 図 11 3 号 試 験 片 3A 号 試 験 片 図 11 3A 号 試 験 片
3. 引 張 試 験 でわかること 金 属 材 料 の 引 張 試 験 の 基 礎 3. 1 応 力 -ひずみ 線 図 からわかること 引 張 試 験 をすると, 横 軸 に 伸 びもしくはひずみ, 縦 軸 に 負 荷 荷 重 もしくは 応 力 をプロットし たグラフ( 図 12)が 得 られる.このグラフを 応 力 ひずみ 線 図 という.ただし, 図 12の 横 軸 は 引 張 試 験 機 の 移 動 量.このグラフから,いろんなことがわかる. 700 Stress, σ/n/mm2 600 500 400 300 200 1 3 2 4 5 100 0 0 5 10 15 20 25 30 Stroke, /mm 図 12 軟 鋼 の 引 張 試 験 結 果 ( 応 力 - 変 位 線 図 ) 1 弾 性 率 弾 性 変 形 時 の 応 力 とひずみの 関 係. 単 位 は,N/mm 2. 一 次 式 で 表 すこ とができる.1の 線 が 横 に 倒 れていると 低 弾 性 率, 立 っていると 高 弾 性 率 となる. 鉄 鋼 材 料 で,210GPa 程 度. 有 限 要 素 法 解 析 などの 強 度 シミュレーションにおいて 必 須 のパラメータ. 2 上 降 伏 点 弾 性 変 形 から 永 久 ひずみが 蓄 積 される 塑 性 変 形 に 変 わる 際 の,もっ とも 高 い 応 力 値. 単 位 は,N/mm 2. 一 般 的 に 降 伏 点 というと 上 降 伏 点 をさし, 設 計 の 際 の 強 度 計 算 の 指 標 となる 数 値. 降 伏 点 が 高 いと いうことは, 塑 性 変 形 しにくいということ. 3 下 降 伏 点 上 降 伏 点 が 現 れたあとに 出 てくる 応 力 の 低 い 状 態 における 最 低 応 力 値. 単 位 は,N/mm 2. 降 伏 点 が 低 いほど, 塑 性 加 工 の 成 型 能 がよく なる. 4 引 張 強 さ その 金 属 材 料 のもつ 最 大 強 度. 単 位 は,N/mm 2. 5 破 断 点 破 断 した 点. 破 断 強 さということもあるが, 強 度 値 よりは 伸 び 値 のほ うが 重 要. 伸 びを 求 めるときは, 破 断 した 試 験 片 を 突 き 合 わせて 標 点 距 離 を 測 定 する.
3. 2 そのほかに 引 張 試 験 をして 得 られるデータ 伸 び 試 験 後 の 試 験 片 を 突 き 合 わせて, 標 点 距 離 を 測 定 し, 原 標 点 で 割 って 百 分 率 で 表 した 値. 材 料 の 延 性 の 評 価 に 用 いる. 伸 びが 大 きいほど 塑 性 加 工 の 際 の 加 工 量 を 大 きくとれる.また, 一 般 的 に 強 度 ( 引 張 強 さ, 降 伏 点 )と 伸 びの 関 係 は 反 比 例 であり, 高 強 度 材 料 ほど 伸 びは 小 さく, 低 強 度 であるほど 伸 びが 大 きくなる. 絞 り 破 断 後 のくびれ 部 の 断 面 積 を 原 断 面 積 で 割 って 百 分 率 で 表 した 値. 伸 び と 同 じように, 材 料 の 延 性 の 評 価 に 用 いる.この 値 が 大 きいほど, 深 し ぼり 加 工 などの 成 型 性 が 良 くなる. ポアソン 比 金 属 材 料 を 引 張 った 場 合, 縦 方 向 に 伸 びて, 横 方 向 に 縮 む.この ときの 縦 方 向 の 伸 び(ε)と 横 方 向 の 縮 み(ε )の 比 は, 材 料 によって 一 定 の 値 をとる.その 値 をポアソン 比 という.ポアソン 比 を 測 定 する 場 合 は, 試 験 片 に2 軸 のひずみゲージを 貼 って, 引 張 試 験 を 行 い,ひずみゲージの 値 を 記 録 する.このときに, 応 力 の 値 も 一 緒 に 測 定 しておくと, 弾 性 率 も 算 出 できる. ν = - ε / ε ε : 縦 ひずみ ε : 横 ひずみ ε = (l - l 0 )/ l 0 ε = (d - d 0 )/ d 0
4. 強 度 が 高 いと 良 いこと, 悪 いこと 金 属 材 料 の 引 張 試 験 の 基 礎 使 用 する 材 料 が 少 なくてすむ 製 品 を 軽 くできる. ( 降 伏 点 が 大 きいほど) 疲 労 に 強 い. ただし 塑 性 加 工 しにくくなる. 5. 強 度 はなにできまるの 強 度 は 何 できまるのか. 転 位 が 動 きやすいか, 動 きにくいか 動 きやすい 強 度 低 動 きにくい 強 度 高 転 位 金 属 材 料 が 変 形 する 際 に, 発 生 する 欠 陥. 転 位 がすべり 線 上 を 移 動 すること で 変 形 する. 6. 金 属 材 料 を 強 くするにはどうすりゃいいの 転 位 を 動 きにくくすればよい 転 位 を 動 きにくくする 方 法 固 溶 強 化 異 種 材 料 を 添 加 して 合 金 化 する. 置 換 型 元 素 原 子 径 の 違 う 元 素 を 添 加 することで 格 子 がひずむ. 侵 入 型 元 素 添 加 した 侵 入 型 元 素 が 転 位 に 偏 析 することにより,コットレル 雰 囲 気 を 作 ることで, 転 位 が 動 きにくくなる. 析 出 強 化 母 相 とは 違 う 第 2 相 第 3 相 を 析 出 させる. ひずみ 時 効 母 相 結 晶 中 に 炭 化 物 や 酸 化 物, 窒 化 物 を 析 出 させることで, 結 晶 の 格 子 がひずむ. 時 効 硬 化 母 相 結 晶 中 に 析 出 物 を 分 散 させることで, 転 位 の 運 動 が 制 限 される. ピン 止 め 硬 化. 加 工 強 化 圧 延 などによって 加 工 ひずみを 導 入 する. 金 属 を 塑 性 加 工 すると 転 位 や 原 子 空 孔, 積 層 欠 陥 などの 欠 陥 が 大 量 に 発 生 し, 転 位 が 絡 まり, 結 晶 の 周 期 性 が 乱 れることで 転 位 が 動 きにくくなる. 結 晶 粒 微 細 化 加 工 熱 処 理 による 再 結 晶. 結 晶 粒 を 微 細 化 すると, 粒 界 が 増 大 する. 粒 界 は 粒 内 に 比 べて 転 位 が 動 きにくいので 強 度 が 上 がる. 特 別 な 添 加 物 など 必 要 としないのが 利 点 の 一 つ.
7. 引 張 試 験 事 例 金 属 材 料 の 引 張 試 験 の 基 礎 7. 1 ねじり 変 形 を 加 えた 軟 鋼 の 引 張 試 験 結 果 700 600 Stress, σ/n/mm2 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 Stroke, /mm Fig.A 引 張 試 験 結 果 青 線 軟 鋼 の 引 張 試 験 結 果 赤 線 ねじり 変 形 を 加 えた 軟 鋼 の 引 張 試 験 結 果 (1 回 転 させた 後,1 回 転 戻 す) ねじり 変 形 を 加 えることで, 加 工 硬 化 により 強 度 上 昇, 伸 び 減 少.