シャルピー衝撃試験：材料靭性の測定方法、手順、解釈

シャルピー衝撃試験は1900年代に開発され、材料がなぜ早期に破壊するのかを理解するために発展しました。シャルピー試験は、破壊時に材料が吸収するエネルギー量、すなわち衝撃エネルギーを測定し、材料のシャルピー衝撃強度を評価するために使用されます。この試験は比較試験であり、同じ規格を使用して試験された様々な材料の衝撃強度を相互に比較することを意味します。シャルピー衝撃試験手順では、ノッチ付き試験片を振り子で打撃します。衝撃前後の振り子の高さ差から、試験片が吸収したエネルギー量を算出します。この試験はノッチ靭性を評価するのに役立ち、これはノッチ部での材料の破壊抵抗を示します。

シャルピー衝撃試験は、材料試験において衝撃強度を測定する手法であり、「シャルピー試験とは何か？」という問いに答えるもので、破壊時に材料が吸収するエネルギー量を測定することで定義されます。試験中に吸収されるエネルギーは、衝撃前後の高さ差で測定され、結果はシャルピー衝撃試験片の特性に依存します。

シャルピー衝撃試験とは

シャルピー衝撃試験は、材料の破壊時におけるエネルギー吸収能力を測定するために使用されます。シャルピー衝撃試験は、ノッチ付き試験片を振り子で打撃することで実施されます。衝撃時に吸収されるエネルギー量は、振り子の衝撃前後の高さ差によって決定されます。この試験の目的は、材料の衝撃強度、特に高ひずみ速度下での脆性破壊に対する抵抗を評価することです。シャルピー衝撃試験は、材料が実環境（極端な温度や突然の衝撃下）でどのように振る舞うかを理解するために不可欠です。シャルピー試験は、突然の力に対する材料の応答を試験することで、材料の靭性を測定します。

衝撃試験の定義には、標準化された条件下で異なる材料が吸収するエネルギーを比較することが含まれます。

シャルピー衝撃試験の歴史

シャルピー衝撃試験の歴史は、突然の衝撃下での材料破壊をよりよく理解するために開発された20世紀初頭に遡ります。シャルピー衝撃試験は、1901年にGeorges Augustin Albert Charpyによって発明されました。この試験は、機械（蒸気ボイラー、蒸気機関、軍用兵器）がなぜ早期に破壊するのかを発見するために作られました。Charpyは、S.B. Russellによって最初に開発された振り子ベースのアプローチを改良しました。彼は、試験片にノッチを追加することで、試験の精度と感度が向上することを発見しました。この試験は、Charpyが様々な標準化努力と技術的改良を担当したため、彼の名を冠して命名されました。

シャルピー衝撃試験の重要性

シャルピー衝撃試験の重要性は、材料が突然の力や衝撃に耐える能力に関する貴重な洞察を提供することにあります。この試験は材料工学において必要不可欠であり、急速な荷重や温度変動のある環境における材料の靭性と信頼性を決定するのに役立ちます。3Dプリンティングにおいてプリント材料のシャルピー衝撃強度を理解することは、プリント部品が実環境のストレスに耐え、破壊せずに済むことを保証します。この試験は機械設計において役割を果たし、予期せぬ荷重下で破壊に抵抗する能力を持つ材料を選択する必要があります。シャルピー衝撃試験はノッチ靭性を評価し、これはノッチ部位でのクラック伝播抵抗能力を測定するもので、破壊が大惨事を招く用途での材料選定に不可欠です。

シャルピー衝撃試験の計算方法

シャルピー衝撃試験を計算するには、4つのステップに従います。まず、シャルピー衝撃試験片を振り子の下に固定して試験をセットアップします。次に、振り子を解放し、ノッチ付き試験片に打撃させます。第三に、衝撃前後の振り子の高さを測定し、試験片が吸収したエネルギー量を決定します。最後に、シャルピー衝撃試験式を使用して、試験片が吸収したエネルギーを計算します。これは位置エネルギーの差から、摩擦と空気抵抗によるエネルギー損失を差し引いたものです。衝撃試験式を使用し、振り子の質量と高さ差を含め、摩擦と風圧によるエネルギー損失を考慮して行います。

シャルピー衝撃試験の式

シャルピー衝撃試験の式は、衝撃時に試験片が吸収したエネルギーを計算するために使用されます。
衝撃試験式は以下の通りです。

E = mgΔh

Eは試験片が吸収したエネルギー（ジュール）、mは振り子の質量（kg）、gは重力加速度（9.81 m/s²）、Δhは衝撃前後の振り子の高さ差（メートル）です。

例えば、質量1.5kgの振り子が2メートルの高さから振り下ろされ、試験片を打撃した後1メートルまで下がったとします。

式は以下の通りです。

E = 1.5 ⋅ 9.81 ⋅ ( 2 - 1 )

E = 1.5 ⋅ 9.81 ⋅ (1) = 14.715 J

E = 14.715 J

試験片は衝撃時に14.715ジュールのエネルギーを吸収しました。シャルピー衝撃試験では吸収エネルギーを通常ジュールで表し、衝撃強度は単位面積あたりのエネルギー（J/cm²またはkJ/m²）として計算されることが多いです。

シャルピー衝撃試験の単位

シャルピー衝撃試験結果はジュールで測定され、これはエネルギーのSI単位です。この単位は、1ニュートンの力が1メートルの距離に及ぼすときに行われる仕事の量です。この値は、ジュール値を試験片ノッチでの断面積で割ることで、J/m²単位の衝撃エネルギーを計算するために使用されます。

シャルピー衝撃試験のステップバイステップ手順

シャルピー衝撃試験のステップバイステップ手順は以下の通りです。

1. 試験片準備：材料試験片を必要な寸法（標準的な長方形形状）に切断し、表面欠陥がないことを確認します。試験片は、ノッチ側が振り子の振り下ろし方向と反対側を向くように試験機に配置する必要があります。適切な試験片準備は、シャルピー試験手順における正確な結果に不可欠です。
2. ノッチ配向：ノッチは正確に位置合わせする必要があります。その位置と配向が結果に影響するためです。ノッチは試験片の中央に配置し、衝撃方向から離れる向きにする必要があります。正しいノッチ配向は、材料のシャルピー衝撃試験手順をテストするために不可欠です。
3. 振り子打撃：既知の高さから振り子を解放し、ノッチ付き試験片に打撃させます。衝撃時に試験片に加わる力により破壊が生じ、振り子の高さはそれに応じて低下します。このステップは、材料に突然の力をシミュレートするための衝撃試験手順の一部です。
4. エネルギー測定：衝撃後の振り子の衝撃前後の高さ差を測定します。試験片が吸収したエネルギーは、高さ差、振り子の質量、重力を使用して計算されます。このステップでシャルピー衝撃試験手順が完了し、材料の靭性と衝撃抵抗が決定されます。

シャルピー衝撃試験で使用される機械

シャルピー衝撃試験機は、試験片の衝撃強度を試験するために使用されます。この機械は比較的シンプルで、振り子を試験片に振り下ろして破壊させる仕組みです。試験片が吸収したエネルギーは、機械のダイヤルから読み取られます。

この機械は比較的シンプルで、振り子を試験片に振り下ろして破壊させる仕組みです。試験片が吸収したエネルギーは、機械のダイヤルから読み取られます。

シャルピー衝撃試験の規格

シャルピー衝撃試験規格は、試験手順の一貫性と信頼性を確保するための特定のガイドラインによって定義されます。最も認知されている規格はASTM E23とASTM D6110です。ASTM E23は金属材料の試験に使用される規格で、金属の衝撃特性測定方法（試験片準備、試験手順、装置要件）を提供します。ASTM D6110はプラスチックに適用され、シャルピー試験を用いたポリマー材料の衝撃強度決定方法を規定しています。ASTM E23とASTM D6110は、異なる材料と試験条件間で試験結果が正確かつ比較可能であることを保証するために不可欠です。

シャルピー衝撃試験の温度

シャルピー衝撃試験の温度は23°Cです。しかし、これらの試験は材料の延性-脆性転移温度をプロットするために、多くの温度範囲で実施されます。

シャルピー衝撃試験結果の2つのタイプ

シャルピー衝撃試験結果の2つのタイプは以下の通りです。

1. 定量的結果：定量的結果は、ジュールで表される測定可能なデータを提供し、衝撃時に試験片が吸収したエネルギー量を表します。この値は、材料のシャルピー衝撃強度と、応力下での破壊抵抗能力を決定するために使用されます。定量的結果は、靭性と衝撃抵抗の観点から異なる材料を比較するのに役立ちます。
2. 定性的結果：定性的結果は、材料が脆性的に破壊するか延性的に破壊するかなど、材料の挙動に関する洞察を提供します。これらは試験後に視覚的に観察され、破壊面の記述（塑性変形/横方向拡大の兆候があるか、結晶質の平坦な面か）を提供します。シャルピー衝撃試験手順は、これらの結果タイプの取得に役立ち、衝撃下での材料性能の完全な理解を提供します。

1. 定量的結果

定量的結果は数値に基づくデータです。定量的データは通常、シャルピー衝撃試験における試験片破壊時の吸収エネルギーです。延性-脆性転移温度（DBTT）は、複数のサンプルを複数の温度で試験し、必要な衝撃エネルギーが劇的に増加するポイントを見ることで推定されます。

シャルピー衝撃試験式は以下の通りです。

E = m g (h₁ − h₂)

シャルピーVノッチ試験：なぜシャルピー試験で重要なのか

シャルピーVノッチ試験が重要なのは、V字型ノッチが制御された応力集中を生み出し、破壊を正確な位置から開始させることで、衝撃靭性の正確な測定を可能にするためです。シャルピーVノッチ試験は、突然の荷重下でのエネルギー吸収が繰り返し可能な条件下で評価されることを保証します。Vノッチ試験は、材料が高速衝撃にさらされたときに、脆性破壊にどれだけ効率的に抵抗するかを明らかにします。ノッチ試験はクラック開始を標準化し、吸収エネルギー値が異なる材料サンプル間で比較可能に保たれます。シャルピー角（Angulo de Charpy）は、応力強度を制御する正確なノッチ角度を定義し、これが衝撃靭性測定の精度と一貫性に直接影響します。

シャルピー衝撃試験図：どのように表現されるか

シャルピー衝撃試験図は以下のステップで表現されます。

1. シャルピー衝撃試験図のレイアウトを提示。シャルピー衝撃試験図は、固定高さで試験片の上に取り付けられた振り子を持つ剛性サポートフレームを示します。設計は、重力位置エネルギーが打撃点で衝撃エネルギーに変換される様子を示します。
2. シャルピー試験図の配置を表示。シャルピー試験図は、定義されたスパンを持つ2つのアンビル上に水平に置かれた試験片を表示します。ノッチは振り子に向いており、衝撃時に最高応力集中点から破壊が開始されます。
3. シャルピー衝撃試験機の動作を描写。シャルピー衝撃試験機のイラストは、解放から試験片接触までの振り子の弧をトレースします。初期高さと反跳高さの差が、破壊時に吸収されたエネルギーを表します。
4. エネルギー測定段階を図示。最終図段階では、振り子軸に接続された機械式スケールまたはデジタルディスプレイを示します。測定されたエネルギー損失は、突然の荷重下での材料の衝撃靭性を直接表します。

シャルピー衝撃試験に影響を与える要因

シャルピー衝撃試験に影響を与える要因は以下の通りです。

• 降伏強度：降伏強度は材料剛性に影響し、高強度は破壊前の変形を減らします。
• ノッチ：ノッチは応力点を生み、溝が破壊を誘導します。
• 温度：温度は脆性または延性挙動に影響し、破壊に必要なエネルギーを変化させます。
• 破壊メカニズム：破壊メカニズムは、材料が衝撃下でどのように分離するかを示し、その内部構造の力に対する抵抗を反映します。

1. 降伏強度

材料の降伏強度が増加すると、衝撃エネルギーは減少します。より高い降伏強度を持つ材料は、より低い靭性を持ちます。究極の破壊前に塑性変形する材料は、より靭性があると見なされます。降伏強度とより高い降伏強度は、シャルピー衝撃試験に影響を与える要因であり、より硬い応答を生み、衝撃時の吸収エネルギー量を減らします。

2. ノッチ

ノッチは制御された応力点を導入し、破壊パスを誘導し、測定される靭性に影響を与えます。脆性材料にはVノッチ試験片が、延性材料にはUノッチ試験片が使用されます。Uノッチ試験片はVノッチ試験片よりも高い応力集中係数を持ちます。正確な結果を得て過去の試験と比較するためには、ノッチが正確に同一でなければならないことに注意が必要です。

3. 温度

温度は、衝撃荷重時の脆性と延性応答のバランスをシフトさせることで材料挙動を変化させます。シャルピー衝撃試験は通常23°Cで実施されます。しかし、より高い温度と低い温度は、材料の延性-脆性転移挙動を表す曲線をプロットするために使用されます。高温は衝撃強度を増加させます。

4. 破壊メカニズム

破壊メカニズムは、材料が突然の力でどのように分離するかを決定し、破壊を完了するために必要なエネルギー量を定義します。2つの破壊メカニズムは、脆性材料で一般的な解理と、延性材料でより一般的な微小ボイド凝集です。解理破壊メカニズムで破壊する材料は、微小ボイド凝集で破壊する材料よりも低い衝撃エネルギーを持ちます。

シャルピー衝撃試験は3Dプリンティングで重要か？

はい、シャルピー衝撃試験は3Dプリンティングで重要です。3Dプリントサンプルでシャルピー衝撃試験を実施することで、エンジニアは様々な3Dプリンティング材料の衝撃強度を決定できます。一部の技術では異方性特性を持つ部品がプリントされるためです。異なるプリント形状のサンプルを試験することで、エンジニアは衝撃強度に向けて設計を最適化する方法を理解できます。シャルピー衝撃試験は、プリント材料が突然の荷重時にどのようにエネルギーを吸収するかを明確に測定するため、3Dプリンティングで重要です。詳細については、弊社の3Dプリンティングについて知っておくべきすべてガイドをご覧ください。

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