引張応力を解説：定義、式、単位、実例

引張応力は、材料の強度と実世界での荷重耐性を理解する上で不可欠な概念です。伸張力と材料の断面積の比率です。この記事では、引張応力の定義、式、計算時の測定単位について説明します。

引張応力とは

引張応力は、材料に作用する伸張力とその材料の断面積の比率です。物体を引張状態にする単位面積あたりの力です。引張応力は標準化された材料試験で測定され、引張強度（破断前の材料が耐えられる最大応力）を示します。材料選択の重要なパラメータであり、伸張力が材料に作用する、つまり物体が「引張」状態にあるときに発生します。

引張応力が発生する条件

引張応力は伸張力が材料に作用する、つまり物体が引張状態にあるときに発生します。

引張応力が材料に作用すると何が計算できるか

引張応力が材料に作用すると、以下のような重要な特性を計算できます：

1. 靭性率（レジリエンス率）

靭性率は材料に弾性的に蓄えられる単位体積あたりのエネルギー量です。靭性は引張応力-ひずみ曲線の下の面積として計算され、弾性限度まで（材料が塑性変形を開始する前）です。靭性は応力下にある材料に蓄えられたエネルギーを示し、エネルギーは力（応力）と距離（ひずみ）の積として計算できます。靭性率は特に単位体積あたりです。

2. 弾性率

弾性率（ヤング率、縦弾性率とも呼ばれる）は、材料に引張応力を加えることで計算できます。弾性率は引張応力と縦ひずみ（伸び）の比率です。引張応力曲線の弾性領域での勾配として計算されます。弾性率は、特定の引張応力を受けたときに材料がどれだけのひずみを経験するかを推測します。

3. 破断応力

破断応力は材料が破壊（破断）する引張応力です。引張試験では、破断応力は破壊が起こった試験終了時の応力として記録されます。延性材料では、材料試験片でネッキングが発生するため、破断応力は極限引張応力より低くなります。

4. 極限引張応力

極限引張応力は、材料が破断前に耐えられる最大引張応力です。試験中（フックの法則に従って）、応力は弾性変形領域ではひずみ（伸び）に比例します。ひずみが増加すると、材料は塑性変形（不可逆）を開始します。最大引張応力は塑性変形の一点で材料に発生し、これが極限引張応力です。この点を超えてひずみが増加すると、引張応力は破断まで低下します。

引張応力の式

引張応力の式は単純に力を面積で割ったもので、以下のように書かれます：

σ = F/A

引張応力は、印加された伸張力と張力を受ける材料の断面積の比率です。

引張応力の単位

引張応力の単位はパスカル（Pa）です。これは力/面積で圧力と同様のため、引張応力は圧力と単位を共有します。単位はN/m²やpsiでも表せます。一般的な材料の引張強度の大きさから、最も一般的に使用される単位はMPa（1×10⁶Pa）です。

引張応力の記号

引張応力の記号はギリシャ文字の小文字シグマσです。

引張応力の計算方法

引張応力を計算するには、まず式から始めます：

σ = F/A

引張応力は、印加された引張力を断面積で割ったものとして計算されます。第二ステップは、材料に作用する力をニュートンまたはポンド力で確立することです。第三ステップは、引張応力の方向に垂直な断面積を計算することです。引張応力が作用することによる物体の変形の可能性を考慮することが重要です。張力により材料が伸び、薄くなり、断面積が減少します。したがって、理想的には応力下で測定すべきです。最後に、力を断面積で割って引張応力を計算します。

引張応力曲線の理解

引張応力曲線を理解するには、まず曲線がどのように作られるかを学ぶことが重要です。テストされる材料をダンベル（またはドッグボーン）形状にし、両端を把持するマシンにセットします。把持部がゆっくり離れ、材料のひずみ（変位）を増加させ、応力を誘発します。材料が破断するまでひずみを増やし、応力を継続測定します。応力とひずみの関係をプロットし、常に増加するひずみをX軸、結果の応力をY軸とします。

第二に、引張応力曲線上の重要なポイントを特定する必要があります。図1を参照してください：