降伏強度を解説：定義、重要性、チャート、計算方法

材料が経験するさまざまな応力を理解することは、それが製品となり、現実世界で圧力と張力に直面したときにどう反応するかを知る鍵です。それがどう耐えるかの見当がつけば、材料選択に科学的根拠に基づいた安心感が得られ、何かがどれだけ伸び、曲がり、圧縮されれば破壊・変形するかを正確に知れます。この傘下にある便利な概念の一つが降伏強度の測定で、これから詳しく探ります。

降伏強度とは

降伏強度は、材料が弾性変形から塑性変形へ移行するポイントをエンジニアに伝えます。前者は材料が跳ね返るべきもので、後者は元の形状や形に戻れなくなるポイントです。特定の式で計算できますが、まずグラフ上でどう見えるか、応力-ひずみグラフ上に他のどんなポイントがあるかを理解することが重要です。

降伏強度と3Dプリンティングの関係

降伏強度は3Dプリンティングに関連します。なぜなら3Dプリントパーツの強度は材料、プリント方向、プリント品質に大きく基づくからです。3Dプリントパーツは、積層された層のスタックを横切る方向より、各プリント層の平面内でより強くなります。層間の分子結合は層内より弱いため、横方向に過剰な力が加わると剥離する可能性があります。パーツを層内強度を活かす方向に配向させることで、パーツ全体の降伏強度を向上させられます。

詳細は「3Dプリンティングのすべて」の完全ガイドをご覧ください。

降伏強度は3Dプリント材料の性能に影響するか？

はい、3Dプリント材料の降伏強度はその性能に大きな影響を与えます。不十分な降伏強度を持つ3Dプリントパーツは、用途での通常使用荷重で塑性変形する可能性があります。塑性変形はパーツの耐荷重能力を低下させるだけでなく、破壊発生の可能性を高めます。

降伏強度の応力-ひずみ曲線グラフの理解

降伏強度の視覚的表現を得るには、応力-ひずみ曲線上にポイントをプロットします。しかし、降伏強度だけがこのグラフ上で計算・特徴付けられるわけではありません。以下にその見た目の例を示し、気づく他の特徴を分解します。

詳細は「応力-ひずみ曲線」の記事をご覧ください。

降伏強度の応力-ひずみグラフを説明するさまざまな方法

降伏点は応力-ひずみ曲線上の一点に過ぎません。そのポイントを取り囲む、説明・測定可能な他の特徴があります。これらの注目ポイントと領域は以下のリストで説明します：

1. 降伏点

これは塑性変形が始まるポイントを示し、メーカーとエンジニアに材料が引張強度下でどう耐えるかの見当を与えます。自分でプロットする場合、式計算後、応力-ひずみ曲線の線形部分が終わり、非線形部分が始まる場所に存在することがわかります。興味深いことに、一部の材料（軟鋼など）には「2つの」降伏点があることもわかります。

2. 弾性限界

このポイントを見ると、材料が永久変形する直前まで耐えられる最大ひずみ量がわかります。応力が解除されれば元の形状に戻りますが、この限界を超えると変形が起こります。降伏点が現れる前の変形への道の最後の停留所です。

3. 比例限界

このポイントは応力-ひずみ曲線の線形部分の終端にあり、応力とひずみが互いに直接比例しなくなるポイントを共有します。この数値を見つけるには、ヤング率（弾性率）を使用します。

4. 真の弾性限界

このポイントはあまり使用されませんが、材料の結晶構造が応力下でシフトし始めるポイント、具体的にはこれが起こり始める最低応力量を示します。検出が難しいため、めったに示されたり深く考えたりされません。

5. 上降伏点と下降伏点

上降伏限界は材料の結晶格子が構造内で転位を見始めるポイントを示しますが、ひずみへの微小な影響や使用テスト装置によって大きく影響されるため、設計とエンジニアリング選択の面からは完全には信頼できません。一方、下降伏点はテストで繰り返しやすく、ルーダースバンドがテスト区間に現れ、ひずみ硬化が始まる直前の期間です。

6. オフセット降伏応力（耐力）

これは耐力とも呼ばれ、材料の降伏強度を記述する最も一般的な方法です。応力-ひずみ曲線の線形部分に平行な線を引くことで見つけられます。この点と応力-ひずみ曲線が交わるところが降伏強度です。

降伏強度試験におけるネッキングと破壊の意味

これらは曲線上のポイントではなく、材料が降伏強度試験中に経験する現象です。ネッキングはピークエンジニアリング応力レベルで破壊前に起こる変形の一種で、通常材料の特定部分に限定されます。その後破壊または破断が起こります。ネッキングが起こると、試験片の断面積が減少したため応力が低下します。

降伏強度の重要性

降伏強度は、永久変形が起こる前に材料が耐えられる最高応力を特徴づけるため重要です。材料の降伏応力は、エンジニアが設計パーツや構造物が耐えられる最大許容荷重を決定するためによく使用されます。材料の降伏強度を知ることで、エンジニアはより安全で耐久性のあるパーツを設計できます。

降伏強度の式

降伏強度を計算するには、一般的に応力を決定するために常に使用される式に頼れます。以下に式の書き方を示します。

この式の記号Fは印加力を、A₀はテストする材料試験片の断面積を表します。

値は通常パスカル（Pa）、応力のSI単位、または平方インチあたりポンド（psi）で表されます。降伏強度は通常σYと書かれ、ギリシャ文字シグマがエンジニアリング応力を、Yが降伏を表します。SYと書かれることもあります。

降伏強度の単位

降伏強度は通常パスカル（Pa）、応力のSI単位、または平方インチあたりポンド（psi）で表されます。

降伏強度の記号

降伏強度の記号はσYです。ギリシャ文字σはエンジニアリング応力の記号として使用され、下付き文字「Y」は「降伏」を意味します。時々「SY」も降伏強度を表すために使用されます。

応力-ひずみグラフから降伏強度を読み取る方法

降伏強度グラフ（応力-ひずみ曲線）を読み取るには、まずY軸上の応力値を選びます。第二に、選択したY軸上の点から応力-ひずみグラフの線まで水平線を引きます。第三に、引いた線と降伏強度グラフの交点をマークします。次に、マークした点からX軸まで垂直線を下ろします。垂直線がX軸と交わる点が、Y軸で選択した応力に対応するひずみです。

降伏強度の例

材料を比較すると、降伏強度の表現と典型的な値の見当がつきやすくなります。いくつかの例を示します：

1. 鋼： 鋼の鍛造・成形・製造方法によりますが、熱間圧延A36鋼は約220MPaと低く、油焼入れや焼き戻しされた鋼は最大1,570MPaの高い値を持ちます。
2. ステンレス鋼： ステンレス鋼の範囲はオーステナイト系ステンレス鋼で約250MPaから始まり、析出硬化系ステンレス鋼では最大1,000MPaの降伏強度を持ちます。
3. アルミニウム合金： 鋼より低くプラスチックより高い傾向があります。1100グレードアルミニウムの平均降伏強度は約24MPa、7075アルミニウムでは約483MPaです。
4. プラスチック： 扱うプラスチックによりますが、可塑剤入りPVCのようなもので4MPa、炭素繊維充填ポリアミドで300MPaの降伏強度が期待できます。

降伏強度を測定する装置

万能試験機、別名引張試験機が降伏強度測定に使用されます。これらのマシンは引張試験を実行し、一定のひずみ速度で連続的に増加する引張荷重を試験片に加えます。荷重が加えられると、試験片が経験する応力とひずみがデジタルで取得・グラフ化されます。応力はY軸、ひずみはX軸に表示されます。降伏強度は、応力-ひずみグラフの線形部分から0.2%の正のひずみで平行オフセット線を作成することで決定されます。オフセット線と応力-ひずみグラフの交点での応力が材料の降伏強度です。

詳細は「引張試験機」の記事をご覧ください。

著者：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・技術分野の様々な組織向けに執筆し、エンジニアリングの世界を愛しています。ライターとして活動する傍ら、約10年間パラリーガルとして勤務し、うち7年は船舶金融を担当しました。印刷・オンラインの多くの出版物で執筆実績があります。キングストン大学で英文学・哲学の学士号、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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