応力-ひずみ曲線の解読:材料工学に不可欠な洞察

材料が張力に対してどのように反応するか、または張力がどの程度かかるかを知らなければ、設計された製品や構造が故障し、頭を痛める可能性があります。これを回避する優れた方法は、材料の品質と材料がさまざまな応力要因にどのように反応するかを視覚的に説明する応力-ひずみ曲線グラフを使用することです。この記事では、グラフの仕組みとグラフの読み方について正確に説明します。

ストレスとは何ですか?

応力には多くの種類がありますが、エンジニアがどのような種類の応力を発見しようとしているかというと、最も単純な定義は、断面積に加えられる力の量です。これを知ることで、材料が割れたり壊れたりする前にどの程度の処理に耐えられるかを理解できます。これを求める公式は以下のとおりです。

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𝜎 =ストレス

F =加えられる力

A =断面積

詳細については、ストレスに関する記事をご覧ください。

ひずみとは何ですか?

応力とひずみは一緒に語られることが多いですが、後者は元の寸法と比較して材料が受ける変形です。これは、エンジニアが材料についてより深く理解し、特定の材料で作られた構造やアイテムがいつ破損するかを最適に把握するために不可欠なもう 1 つの計算可能な基準点です。ひずみは単位のない値の例です (式内の数値は両方とも長さであるため)。式は次のようになります。

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ε =ひずみ

Lf =変形後の最終的な長さ

L0 =元の長さまたは開始の長さ

詳細については、ひずみに関する完全なガイドをご覧ください。

応力-ひずみ曲線とは何ですか?

次に、応力-ひずみ曲線の測定と、そこからどのような種類の情報を引き出すことができるかを見ていきます。今日の製造現場では、すべての測定を行ってくれる機械がたくさんあります。これらの曲線は通常、最新の引張試験機によって作成され、そのグラフは ASTM International によっていくつかのカテゴリ (金属の場合は E8、プラスチックの場合は D638) に基づいて標準化されています。この曲線を作成するためのテストと測定は次のようになると予想できます。

• あなたまたはオペレーターは、適切な寸法のテスト材料を調達または作成します。
• 次に、試験材料を試験機のジョーにクリップまたは取り付けます。
• 機械は素材に引張荷重を加え、素材が破損するまでその荷重を増加させます。
• これが発生すると、機械はそれらの読み取り値に基づいて応力とひずみの値を記録します。

応力-ひずみ曲線が重要な理由

応力-ひずみ曲線は、エンジニアがあらゆる材料の最も重要かつ基本的な機械的特性のいくつかを迅速に決定できるため、重要です。 1 回の引張試験で応力-ひずみグラフを生成し、材料の次の特性を取得できます。

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ヤング率

降伏強度

極限引張強さ

延性

ポアソン比

応力-ひずみ曲線はどのように生成されますか?

応力-ひずみ曲線は、最新の引張試験機によって自動的に生成されます。これらの機械は、試験片に加えられる力と、その荷重の結果として試験片が受ける変形量を継続的に監視および記録します。引張試験と標準化された応力-ひずみ曲線の作成に最も一般的に使用される試験方法は、ASTM International によって発行された試験方法です。 ASTM E8 は金属材料の引張試験を標準化し、ASTM D638 はプラスチック材料の引張試験を標準化します。応力-ひずみ曲線を作成する手順は、以下のリストで説明されています。

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必要な寸法に試験片を準備します。

試験片を引張試験機のジョーに取り付けます。

試験片が破断するまで、継続的に増加する引張荷重を試験片に加えます。

引張試験機は、ロードセルによって加えられる力の読み取り値と試験片を保持するジョーの変位に基づいて、試験片が受ける応力とひずみを記録します。

応力とひずみを測定するさまざまな方法には何がありますか?

応力-ひずみ曲線には、エンジニアリング応力とひずみ、および真の応力とひずみの 2 つのタイプがあります。 

1.工学的な応力とひずみ

最初のタイプ (エンジニアリング) は公称応力および公称ひずみとも呼ばれ、塑性変形の非常に細かい詳細を考慮せずに計算されます。標準的な引張試験を通じて値を取得し、材料の性能を理解する簡単な方法です。エンジニアリング応力の式は次のようになります。

2.真のストレスと緊張

これは、塑性変形を考慮した場合に得られる実際の応力とひずみの値です。この特定の種類の応力とひずみの計算を行うことは、材料の機械的特性を学習するのに最適です。これを見つけるには、瞬間標点の長さ、断面積、適用荷重に関する実験データを使用する必要があります。真の応力を求める公式は次のようになります。

応力-ひずみ曲線の段階は何ですか?

応力-ひずみ線図には 3 つの段階があります。最初の段階では、材料は弾性変形のみを受けます。加えられた応力が解放されると、材料は元の寸法に戻ります。 

第 2 段階では均一な塑性変形が起こります。この段階は降伏点で始まり、適用される荷重が新たに増加するたびに、材料がひずみ硬化 (冷間成形で発生するのと同じプロセス) によって強化され続けることができる限り継続します。最終的には、材料の安定した塑性変形能力が枯渇します。この段階で許容できる塑性ひずみの量によって、材料の相対的な脆性や延性について多くのことがわかります。

引張試験の最終段階は「ネッキング」と呼ばれます。この段階は、材料の極限引張応力に達した後に発生し、それ以上のひずみ硬化は不可能になります。継続的な安定した変形の代わりに、試験片の断面のどこかに局所的な変形領域が形成されます。過剰な引張応力により、加えられた力に対して垂直な材料の寸法が減少し、面積が大幅に減少します。これにより、マテリアルは「ネック」の形状になります。ネッキングが始まると、材料の工学的応力は減少しますが、真の応力は増加し続けます。  ネッキングが始まるとすぐに材料が破断します。

応力-ひずみグラフの読み方

これらのグラフのいずれかを読み取るための簡単なガイドは次のとおりです。

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Y 軸の応力値を選択します。

Y 軸から応力-ひずみ曲線の線と交差するまで水平線を描きます。その点に点を付けます。 

交点から X 軸に向かって垂直線を描きます。これらの線は一緒に 90 度の角度を形成する必要があります。

ステップ 1 で選択した応力値は、その時点で材料に生じる変形 (またはひずみ) に対応する応力を示します。 

応力-ひずみ曲線グラフのさまざまな領域とは何ですか?

応力-ひずみ曲線を示すグラフを作成したら、そこから解析できる領域、段階、情報を理解する価値があります。 3 つの段階は、弾性変形、均一変形、ネッキングです。弾性変形とは、材料が応力を受けても元の寸法に戻ることができる状態のことです。材料がひずみ硬化による強化に対応できる限り、均一な変形が発生します。これは、その脆性または延性を示しています。ネッキングとは、引張強度が極限に達し、ひずみ硬化が不可能になる状態です。局所的な変形が材料の断面のどこかに現れ、応力が増加するにつれて寸法が減少し、その後、回復不能点を超えて永久に変形または破損します。

ステージを理解したので、領域を理解し、グラフ上の最も重要なポイントを 5 つ選び出すことができます。これについては、以下で簡単に説明します。

1.比例制限

応力-ひずみ曲線上の直線部分の終点。傾きを計算することでヤング率を導き出すことができます。

詳細については、比例制限に関する記事を参照してください。

2.弾性限界

弾性変形の終点。その後、塑性変形が引き継がれます (金属を測定する場合、弾性限界と区別するのは困難です)。

詳細については、弾性制限に関する記事を参照してください。

3.降伏点

弾性限界と同じですが、計算可能であるため、エンジニアにとってより信頼性が高くなります。これを解決するには、曲線の直線部分を水平軸に沿って +0.2% オフセットします。次に、オフセット ラインと元の応力-ひずみ曲線の間の交点を見つけ、降伏強度を求めます。 

詳細については、降伏点に関する完全ガイドをご覧ください。

4.究極のストレスポイント

応力-ひずみ曲線上の最大の応力量で、その後ネッキングが始まります。これはグラフ上では最高点ですが、実際の最高点は材料が破損した瞬間に発生することに注意することも重要です。 

5.破断または破壊点

その名前が示すように、これは、マテリアルが変形しすぎて、最終的に破損または破損した曲線上のポイントです。

詳細については、骨折または破壊点に関する完全なガイドをご覧ください。

応力-ひずみ曲線はどのように作成されますか?

万能試験機を用いて引張試験を行い、応力-ひずみ曲線を作成します。試験機は、荷重が増加して試験片が変形するにつれて、データを自動的に取得して応力-ひずみ曲線を生成します。 

応力-ひずみ曲線はどのように使用されますか?

応力-ひずみグラフは、弾性率、ポアソン比、降伏応力、極限引張強度など、材料のさまざまな機械的特性を決定するために使用されます。これらの特性は、エンジニアが耐荷重能力が重要な用途向けの材料を選択するのに役立ちます。

延性材料の応力-ひずみ曲線とは何ですか? 

延性材料の工学的な応力-ひずみ曲線は、降伏点に達するまで直線が増加するという特徴があります。降伏点を超えると、応力とひずみの関数は非線形に増加し、極限引張強さに達したときにピークに達します。その後、ひずみが増加し続けるにつれて、工学応力は非線形に減少します。最終的に、材料のひずみが非常に大きくなると、材料は破壊されます。

詳細については、延性に関する完全ガイドをご覧ください。

脆性材料の応力-ひずみ曲線とは何ですか?

脆性材料の応力-ひずみ曲線は、わずかなひずみで応力が急激に増加する急勾配の線です。延性材料とは異なり、脆性材料の応力-ひずみ曲線は、降伏応力 (降伏点) に達した後はほとんど塑性変形を示しません。材料は降伏応力が加わるとすぐに破壊します。 

詳細については、脆性に関する完全なガイドをご覧ください。

工学的な応力-ひずみと真の応力-ひずみの違いは何ですか?

工学的な応力-ひずみと真の応力-ひずみの違いを以下に示します。

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応力-ひずみのエンジニアリングでは、材料の変形は考慮されていませんが、実際の応力-ひずみでは考慮されます。

工学的ひずみは元の長さに対する長さの変化の比率であり、真のひずみは元の長さに対する瞬間的な長さの自然対数です。

応力-ひずみのエンジニアリングは材料の性能を決定するのに理想的ですが、真の応力-ひずみは材料の特性を決定するのに理想的です

応力とひずみの違いは何ですか?

応力とひずみの違いを以下に示します。

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応力は単位面積あたりの力ですが、ひずみは元の寸法の長さを超えた寸法の長さの変化です。

応力には Pa または psi の単位がありますが、ひずみには単位がありません。

応力の記号は 𝛔、ひずみの記号は 𝞊です。

緊張を引き起こすにはストレスが必要です。

応力は直接測定できず、数学的関係を通じて計算されますが、ひずみは直接測定できます。

詳細については、ストレスと緊張に関する完全なガイドをご覧ください。

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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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