引張強さ徹底解説：定義、重要性、種類、実例

メーカーにとって、引張強さは製品に適した材料を選ぶ際に最初に必要となるものの一つです。この記事では、それが一体何なのか、他の類似仕様とどう異なるのか、どう計算するのかを詳しく説明します。

引張強さとは？

材料の引張強さとは、その材料が特定の面積あたりで永久的に伸びたり破断したりする前に耐えられる荷重または引張力の大きさです。降伏強さが材料が元の形状に戻れないよう伸び始める直前の点であるのに対し、引張強さは破断する点です。鋼のような材料は高い引張強さを持ちますが、ゴムバンドはスケールの最下位に位置します。

予測可能な方法で伸びる材料（例えばバネ）の場合、印加力に対する応答、その「弾性」は「線形弾性域」に依存します。力がこの領域内であれば、力がなくなるとバネは元の形状に戻ります。そうでなければ、材料は破断または修復不可能な損傷を受けます。以下の図で引張力が他の力タイプと方向の面からどう異なるか確認できます。

引張強さ試験を行う重要性

引張試験は新材料配合の強度特性を知るために使用されます。熱処理や他プロセスの結果をチェックしたり、材料ロットが元仕様を満たすか検証したりするために用いられます。入荷原材料の特性検証はプロセス管理と故障防止の重要な部分です。これはサプライヤーが試験し顧客が受け入れるか、顧客がサプライヤーの材料ロットに関する主張を自ら確認するかのいずれかです。

パーツ製造工場では、材料の引張強さ試験がプロセス管理ステップになり得ます。熱処理、浸炭、硬化、または材料の強度と延性を変えるその他製造ステップに関して、材料が正しい状態にあることを確認するのに役立ちます。研究開発現場では、引張試験は提案配合が新用途向けに求められる特性を持つか、既存用途の改善に役立つかをチェックする簡単な方法です。

引張試験は、形状鋳造または原材料から切削された試験片で実施可能です。また、大型パーツの一箇所で特性をチェックする重要な必要性がある場合、実際の鋳造または切削コンポーネントから試験片を切削することもできます。

3Dプリントパーツにおける引張強さの重要性

引張強さは、方向性引張特性の可能性があるため3Dプリントで重要な要素です。例えば、FDM（熱溶解積層法）技術を使用する3Dプリントプラスチックパーツは、パーツの垂直高さを指すZ軸方向で引張強さが低くなります。これは個々のレイヤーが完全に融合せず、わずかな表面積でのみ接触しているためです。

3Dプリント材料の多くの材料データシートは、材料内の異なる方向での引張強さ（一般的にZ方向とXY方向）を示します。他の3Dプリント技術、例えばSLM（選択的レーザー溶解）は、等方的構造を持つパーツを生産し、全方向で特性が等しくなります。

3Dプリント材料の理想的な引張強さは？

理想的な引張強さは、パーツの用途、使用材料、印加荷重の大きさと方向に依存します。例えば、パーツが圧縮荷重のみを受ける場合、引張強さは重要ではありません。または電子機器エンクロージャーなら、引張強さより帯電防止と吸湿性が重要です。3Dプリントパーツ設計時、材料は用途に基づいて選択され、逆ではありません。

3Dプリント材料の引張強さを決定することは重要か？

はい、3Dプリント材料の引張強さを決定することは重要です。ただし、3Dプリントパーツが機械的負荷に曝露される場合のみです。例えば、3DプリントABSパーツを設計する場合、通常のABS特性を使用するのは誤りです。3Dプリント材料は、使用される3Dプリント技術に基づき、材料の理論的引張強さより低い引張強さを持つ可能性があります。

材料の引張強さ計算方法

引張強さを正しく測定するには、材料の全表面ではなく、断面積あたりの力で割ります。しかし、応力-ひずみ曲線を知らずに材料の引張強さを直接計算することはできません。

σ = F/A – 式1

• σ = 応力
• F = 力
• A = 面積

SI引張強さ単位はMPa（N/mm²）です。基本的に強さは材料の破壊点での応力に等しく、この破壊点は単位面積あたりの力で特徴付けられます。

引張強さの種類

引張強さにはいくつか種類がありますが、この用語はあなたにとって最も有用なものを意味します。例えば、標準条件下で算出された数値は、材料配合やロットを比較したいエンジニア、または特定タスクに材料が適するか判断しようとする人に最も有用です。最も一般的に使用されるタイプは降伏強さ、極限引張強さ、破断強さで、以下で詳しく見ていきます。

1. 降伏強さ

前述の通り、降伏強さは材料における永久（塑性）変形が始まる点です。鋼の場合、これは比例限界を超えて変形したときで、通常応力-ひずみ曲線上の直線として見られます。アルミニウムのような明確な降伏点を持たない材料では、降伏強さは0.2%ひずみと一致する応力として報告されます。ほとんどの場合、金属パーツは使用環境での応力を降伏強さ以下に保つよう設計されます。非常に脆い材料（セラミックなど）の場合、微小変形で破壊し、全く降伏しません。エラストマーのような他材料は、元長さの何倍にも伸びても破断せず、荷重除去後にわずかな永久変形のみを示します。

2. 破断強さ

破壊強さとしても知られ、材料がこれ以上荷重を負担できず破断する点を指します。これは応力-ひずみ曲線の終点、すなわち上記降伏強さ図の点「ε」として見られます。破断点は全伸び測定にも使用される点です。

3. 極限強さ

これは材料が引張荷重下で破断する前に耐えられる最大応力です。一部の金属は降伏点を超えた後で加工硬化を経験し、応力増加と共に変形し続け、材料の極限引張強さに達します。すべての材料（例えばプラスチック）が明確な極限引張強さを持つわけではありません。

最も高い引張強さを持つ材料は？

最も高い引張強さを持つ材料はグラフェンです。グラフェンの極限引張強さは約130GPaで、最近まで最も高い引張強さを持っていたカーボンナノチューブより強靭です。これら材料は、最も強い元素金属であるタングステン（極限引張強さ0.98GPa）や、わずかに強い熱処理インコネル®（極限引張強さ1.034GPa）よりはるかに強いです。ただし、グラフェンもカーボンナノチューブも安価な大量生産は不可能です。

最も低い引張強さを持つ材料は？

プラスチックは金属やセラミックと比較して非常に低い引張強さを持ちます。例えば、LDPE（低密度ポリエチレン）の引張強さは10MPaです。最低引張強さ材料を定義するのは困難です。低引張強度材料は荷重支持用途で実用的応用が限られるためです。低引張強さベースの材料リストアップは一般的ではありません。

引張強さ測定に使用される装置は？

引張試験機が試験片の引張強さ測定に使用されます。このマシンは試験片の両端をグリップし、一定速度で制御された引張力を適用します。マシンは印加荷重とグリップ変位のデータを自動記録し、さらなる分析のために保存します。

詳細については、引張試験機に関する完全記事をご覧ください。

引張強さの応用

引張強さは材料特性であり、応用を持ちません。

材料の引張強さに影響を与える要因

引張強さは様々な要因によって影響を受けます。

1. 温度: 材料の引張強さは通常、温度上昇とともに低下します。室温以下ではほとんどの材料がわずかに強くなりますが、延性も低下します。
2. 加工硬化: このプロセスの全概念は、材料を塑性変形させてより硬くすることです。金属を圧延、鍛造、曲げ、伸ばすことで、結晶構造が微視的変化を経て降伏強さと極限引張強さを増加させ、同時に延性を減少させます。
3. 添加剤: ガラス繊維や炭素繊維を材料に添加すると、ナイロンのような非金属の引張強さを増加させられます。
4. 熱処理: 加工硬化と同様、金属の微細構造を変化させ、処理タイプによって引張強さの増加または減少のいずれかをもたらす可能性があります。
5. 欠陥: 表面と内部欠陥は、亀裂開始の弱点を作るため材料の引張強さを低下させます。

引張強さ破壊の2つのタイプ

引張強さ破壊には主に脆性と延性の2タイプがあります。

1. 脆性破壊

脆性破壊は主に鋳鉄のような硬い材料で発生します。材料は突然破壊する前にほとんど変形しません。

詳細については、脆性破壊に関する記事をご覧ください。

2. 延性破壊

延性破壊は多くの構造用鋼やアルミニウムのような柔らかい材料の主要な引張破壊モードで、瞬時的ではなく漸進的です。材料が降伏し始めた後、塑性変形が継続し、局所化し、材料の最終分離部位となる「ネッキング」を生成します。

詳細については、延性破壊に関する記事をご覧ください。

引張強さに関するよくある質問

引張強さと引張応力の違いは？

材料の引張応力は張力荷重による単位面積あたりの力の量ですが、引張強さはその降伏、極限、または破壊強さです。

引張強さと降伏強さの違いは？

材料の引張強さは、それに印加される張力荷重にどれだけ抵抗できるかを示します。エンジニアにとって価値のある具体的に定義された引張強さ指標がいくつかあります：降伏強さ（材料が塑性変形を始める応力）、極限引張強さ（しばしば単に「引張強さ」と略称）、これは破壊が不可避になる前に材料が維持できる最大応力です。

3Dプリントに最適な引張強さは？

3Dプリントパーツ設計時、材料は用途に基づいて選択され、逆ではありません。また、材料タイプと荷重の方向と量にも依存します。例えば、パーツが圧縮荷重のみを受ける場合や電子機器エンクロージャー（帯電防止と吸湿性がより重要）の場合、引張強さはあまり重要ではありません。パーツが機械的負荷に曝露される場合、引張強さを必ず知る必要があります。

例えば、3DプリントABSパーツを設計する場合、通常のABS特性を使用するのは誤りです。3Dプリント材料は、使用される3Dプリント技術に基づき、材料の理論的引張強さより低い引張強さを持つ可能性があります。3Dプリント材料の多くの材料データシートは、材料内の異なる方向での引張強さ（一般的にZとXY方向）を示します。他の3Dプリント技術、例えばSLM（選択的レーザー溶解）は、等方的構造を持つパーツを生産し、全方向で特性が等しくなります。

Kat de Naoum
Kat de Naoumは英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツスペシャリストで、20年以上の執筆経験を持ちます。製造と技術組織向けの執筆経験があり、エンジニアリングの世界を愛しています。執筆と並行して、ほぼ10年間パラリーガルとして働き、うち7年は船舶金融でした。多くの出版物で印刷とオンライン両方で執筆。キングストン大学で英文学と哲学のBA、クリエイティブライティングのMAを取得。

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