引張強さの説明:主要な定義、重要性、種類、および実際の例

メーカーにとって、引張強さは、製品に適した材料を選択する際に最初に必要となるものの 1 つです。この記事では、それが正確に何であるか、他の同様の仕様との違い、および計算方法について説明します。

引張強度とは何ですか?

材料の引張強さは、材料が永久に伸びたり破損したりする前に、特定の領域にどれだけの荷重または引っ張り力がかかるかを示します。降伏強度は材料が元の形状に戻れなくなるほど伸び始める直前の点ですが、引張強度は材料が破断する点です。スチールのような材料は高い引張強度を持っていますが、輪ゴムはスケールの一番下にあります。 

たとえばバネのように、予測可能な方法で伸びる材料の場合、加えられる力に対する応答、つまりその「弾性」は、その「線形弾性ゾーン」によって決まります。力がこのゾーン内にある場合、力がなくなるとスプリングは元の形状に戻ります。そうしないと、材料が壊れたり、修復不可能なほど損傷したりする可能性があります。以下の図で、引張力が方向に関して他のタイプとどのように異なるかを確認できます。

引張強度試験を実行する重要性は何ですか?

引張試験は、新しい材料配合の強度特性を知るために使用されます。他のプロセスの熱処理の結果をチェックしたり、多くの材料が元の仕様を満たしていることを確認したりするために使用されます。入ってくる原材料の特性の検証は、プロセス制御と故障防止の重要な部分です。これは、サプライヤーがテストを行って顧客がそれを受け入れるかどうか、または顧客が多くの材料に関するサプライヤーの主張を確認することを選択するかどうかです。

部品製造業者の工場では、材料の引張強度のテストがプロセス管理のステップとなる場合があります。これは、熱処理、表面硬化、硬化、または材料の強度と延性を変化させるその他の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。研究開発環境では、引張試験は、提案された配合が新しい用途または既存の用途の改善に求められる特性を備えているかどうかを確認する簡単な方法です。

引張試験は、成形された試験棒または原材料から機械加工された試験棒に対して実行できます。大きな部品の 1 つのセクションの特性を確認する必要がある場合は、実際の鋳造または機械加工されたコンポーネントから機械加工することもできます。

3D プリント部品における引張強度の重要性は何ですか?

引張強度は、特に方向性引張特性の可能性があるため、3D プリンティングでは重要な要素です。たとえば、FDM (溶融堆積モデリング) 技術を使用して 3D プリントされたプラスチック部品は、Z 軸に沿った引張強度が低くなります。Z 軸は部品の垂直高さを指します。これは、個々の層が互いに完全に融合しておらず、小さな表面積でのみ互いに接触しているためです。

3D プリントされた材料の多くの材料データシートには、材料内のさまざまな方向 (通常は Z 方向と XY 方向) の引張強度が示されています。 SLM (選択的レーザー溶解) などの他の 3D プリント技術では、等方性構造のパーツが生成されます。これは、パーツの特性が全方向で等しいことを意味します。

3D プリント材料の理想的な引張強度はどれくらいですか?

理想的な引張強度は、部品の用途、使用される材料、加えられる荷重の大きさと方向によって異なります。たとえば、部品に圧縮荷重のみがかかる場合、引張強度は問題になりません。あるいは、部品が電子機器用の筐体である場合、引張強度は、帯電防止特性や吸湿特性よりも重要です。 3D プリント部品を設計する場合、材料は用途に基づいて選択されます。その逆はありません。 

3D プリントされた材料の引張強度を決定することは重要ですか?

はい、3D プリントされた材料の引張強度を決定することが重要です。ただし、3D プリントされたパーツが機械的負荷にさらされる場合に限ります。たとえば、3D プリントされた ABS パーツを設計する場合、通常の ABS プロパティを使用するのは間違いです。 3D プリント材料は、使用される 3D プリント技術に基づく材料の理論上の引張強度と比較して、引張強度が低い場合があります。

材料の引張強さを計算するにはどうすればよいですか?

引張強さを正確に測定するには、材料の表面全体ではなく、材料の断面積の単位当たりの力を分割します。ただし、応力-ひずみ曲線を最初に知らなければ、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 – 等価 1

• σ =ストレス
• ファ =力
• あ =面積

SI 引張強さの単位は MPa (N/mm2) です。基本的に、強度は材料の破壊点における応力に等しく、この破壊点は単位面積当たりの力によって特徴付けることができます。

引張強さの種類とは何ですか?

引張強さにはいくつかの異なる種類がありますが、この用語は最も役立つものを意味します。たとえば、標準条件下で算出された数値は、材料の配合やロットを比較したいエンジニアや、材料が特定のタスクに適しているかどうかを判断しようとしているエンジニアにとって最も役立ちます。使用される最も一般的なタイプは、降伏強さ、極限引張強さ、および破断強さです。これらについては、以下でもう少し詳しく見ていきます。

1.降伏強さ

前に少し述べたように、降伏強度は、材料の永久 (または塑性) 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すると、通常は応力-ひずみ曲線上の直線として見られます。アルミニウムなど、明確な降伏点がない材料の場合、降伏強度は 0.2% のひずみに一致する応力として報告されます。ほとんどの場合、金属部品は使用環境における応力を降伏強度以下に保つように設計されています。セラミックのような非常に脆い材料の場合、非常に小さな変形で破損し、まったく降伏しません。エラストマーなどの他の素材は、破損することなく元の長さの何倍にも引き伸ばすことができ、荷重が取り除かれた後はわずかな永久変形のみを示します。

2.破壊強度

これは破壊強度としても知られ、材料がそれ以上の荷重に耐えられなくなり、破損する点を指します。これは、応力-ひずみ曲線の終点、つまり点「ε」とみなすことができます。 上の降伏強さ図の「」。破断点は、総伸びの測定に使用される点でもあります。

3.究極の力

これは、材料が引張荷重を受けて破損する前に処理できる最大応力です。一部の金属は降伏点を超えた後にひずみ硬化が起こり、材料の極限引張強度に達するまで応力が増加すると変形し続けます。プラスチックなど、すべての材料が明確に定義された極限引張強さを持っているわけではありません。

最も高い引張強度を持つ材料は何ですか?

引張強度が最も高い素材はグラフェンです。グラフェンの極限引張強度は約 130 GPa であり、最近まで引張強度が最も高かったカーボン ナノチューブよりも強度が高くなります。これらの材料は、極限引張強さ 0.98 GPa の最強の単体金属であるタングステンや、極限引張強さ 1.034 GPa のわずかに強力な熱処理されたインコネル® よりもはるかに強力です。ただし、グラフェンもカーボンナノチューブも安価に大量生産できないことに注意する必要があります。 

引張強度が最も低い材料は何ですか?

プラスチックは、金属やセラミックに比べて引張強度が非常に低い傾向があります。例えば、LDPE（低密度ポリエチレン）の引張強度は10MPaです。低引張強度の材料は実際の用途、特に耐荷重用途に制限があるため、引張強度が最も低い材料を定義することは困難です。低い引張強度に基づいて材料をリストすることは一般的ではありません。 

引張強さの測定にはどのような装置が使用されますか?

引張試験機は、試験片の引張強さを測定するために使用されます。この機械は試験片の両端をつかみ、制御された量の引張力を一定の速度で試験片に加えます。  機械は、適用された荷重とグリップの変位に関するデータを自動的に記録し、さらなる分析を可能にします。

詳細については、引張試験機に関する記事全文をご覧ください。

引張強さの用途は何ですか?

引張強さは材料の特性であり、用途はありません。

材料の引張強さに影響を与える要因は何ですか?

引張強さは、次のようなさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。

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温度 :通常、材料の引張強さは温度が上昇すると低下します。室温以下では、ほとんどの素材は若干強度が増しますが、延性も低下します。

加工硬化 :このプロセスの全体的なコンセプトは、材料を塑性変形させて硬くすることです。金属を転がしたり、叩いたり、曲げたり、伸ばしたりすることにより、結晶構造が微細に変化し、降伏点と最大引張強さが増加すると同時に、延性が低下します。

添加物 :材料にガラス繊維やカーボン繊維を追加すると、ナイロンなどの非金属の引張強度が向上します。

熱処理 :加工硬化と同様に、これも金属の微細構造を変化させ、処理の種類に応じて、引張強度の増加または減少を引き起こす可能性があります。

欠陥 :表面および内部の欠陥により、亀裂が発生しやすい弱点が生じるため、材料の引張強度が低下する可能性があります。

引張強さ破壊の 2 つのタイプとは何ですか?

引張強度破壊には、脆性と延性の 2 つの主なタイプがあります。

1.脆性破壊

脆性破壊は主に鋳鉄などの硬い材料で発生します。材料は、突然破損するまであまり変形しません。

詳細については、脆性破壊に関する記事を参照してください

2.延性破壊

延性破壊は、多くの構造用鋼やアルミニウムなどの軟質材料の主な引張破壊モードであり、瞬間的ではなく段階的に発生します。材料が降伏し始めた後、塑性変形が継続し、その後局所的になり、材料の最終的な分離部位となる「ネック」が生成されます。

詳細については、延性破壊に関する記事を参照してください

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何ですか?

材料の引張応力は引張荷重によって材料が受ける単位面積当たりの力の量ですが、引張強さは降伏強度、極限強度、または破壊強度のいずれかです。

引張強さと降伏強さの違いは何ですか?

材料の引張強度は、材料に加えられる引張荷重にどれだけ耐えられるかを示します。特別に定義されたいくつかの引張強さの指標は、エンジニアにとって貴重です。降伏強さ、材料が塑性変形し始める応力、および極限引張強さ（略して単に「引張強さ」と呼ばれることが多い）、破損が避けられなくなる前に材料が耐えることができる最大応力です。

3D プリントに最適な引張強度はどれくらいですか?

3D プリント部品を設計する場合、材料は用途に基づいて選択されます。その逆はありません。材料の種類や荷重の方向や量によっても異なります。たとえば、部品に圧縮荷重がかかるだけの場合、または電子機器用の筐体 (帯電防止特性と吸湿特性がより重要な場合) である場合、引張強度はあまり重要ではありません。パーツが機械的負荷にさらされる場合は、必ず引張強度を知る必要があります。

たとえば、3D プリントされた ABS パーツを設計している場合、通常の ABS プロパティを使用するのは間違いです。 3D プリント材料は、使用される 3D プリント技術に基づく材料の理論上の引張強度と比較して、引張強度が低い場合があります。 3D プリントされた材料の多くの材料データシートには、材料内のさまざまな方向 (通常は Z 方向と XY 方向) の引張強度が示されています。 SLM (選択的レーザー溶解) などの他の 3D プリント技術では、等方性構造のパーツが生成されます。これは、パーツの特性が全方向で等しいことを意味します。

カット・デ・ナウム

Kat de Nagam は、英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツ スペシャリストであり、20 年以上の執筆経験があります。 Kat はさまざまな製造組織や技術組織で執筆した経験があり、エンジニアリングの世界が大好きです。執筆活動の傍ら、キャットはほぼ 10 年間パラリーガルとして活動し、そのうち 7 年間は船舶金融業務に携わっていました。彼女は印刷物とオンラインの両方で多くの出版物に寄稿しています。キャットはキングストン大学で英文学と哲学の学士号を取得し、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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