アイゾッド衝撃試験完全解説:定義、意義、計算法、シャルピーとの違い
Xometry協働エンジニアも活用する材料特性評価手法の一つがアイゾッド衝撃試験。材料の破壊直前までの負荷耐性を定量化し、材料選定・安全設計の基礎データを提供します。
アイゾッド衝撃試験とは
ノッチ付き矩形試験片をカンチレバー支持し、振り子ハンマーで衝撃破壊。吸収エネルギーから衝撃靭性(衝撃強度)を求める試験。ASTM D256(プラスチック)、ASTM E23(金属)、ISO 180で標準化。プラスチック・ポリマー評価で最頻用。
必要機器: ノッチ付き試験片、振り子衝撃試験機、バイス(固定具)
意義・必要性
- 材料タフネス定量化→適切な材料・寸法・安全率での設計可能
- 衝撃荷重下での材料挙動把握
- 延性〜脆性転移温度(DBTT)特定。例:一部鋼材は0℃付近で脆性化、船舶・橋梁等安全クリティカル用途で重要
結果計算法
- ハンマー高さ設定→位置エネルギー記録
- ハンマー落下・試験片衝撃破壊
- 破壊後のハンマー上昇高さから残留エネルギー算出
- エネルギー保存則で吸収エネルギー=衝撃強度を算出
単位
J/m(ジュール/メートル)または ft-lb/in。単位厚みあたりの破壊吸収エネルギー。
実測値例
- POM(アセタール/ポリアセタール):平均 90 J/m²
- ナイロン6,6:平均 100 J/m²
ノッチ試験片を使う理由
ノッチ根元に応力集中を作り、破壊位置を固定・再現性確保。応力集中でクラック発生・進展促進、塑性変形最小化。初回ハンマーで破壊せずなら重いハンマーで再試験。
試験手順
- 試験片作製:ASTM/ISO規定寸法に切出し、45° Vノッチ加工(頂点を長さ中心に)
- 試験機セット:バイスでカンチレバー固定、ハンマー打撃位置はノッチ直上
- ハンマー高さ設定(標準24インチ)、位置エネルギー記録、解放
- 破壊せずならハンマー重量増で再試験
- 低温試験時:試験片を平衡温度まで冷却→取出し即試験
- 衝撃値=吸収エネルギー ÷ 試験片厚み(J/m または ft-lb/in)
使用装置
振り子衝撃試験機。可変角度固定機構、ハンマー、試験片固定具、角度目盛搭載。
規格差異(ASTM vs ISO)
| 項目 | ASTM D256 | ISO 180 |
|---|---|---|
| 試験片長さ | 63.5 mm (2.5") | 80 mm (3.15") |
| 幅 | 12.7 mm (0.5") | 10 mm (0.39") |
| 厚み | 3.2 mm (0.125") | 4 mm (0.15") |
| ノッチ下残厚 | 10.2 mm (0.4") | 8 mm (0.31") |
衝撃強度に影響する因子
1. 降伏強度
熱処理で降伏強度向上→延性低下→衝撃強度低下のトレードオフ発生あり。
2. 延性
高延性材料は破壊前塑性変形大→吸収エネルギー大→高衝撃強度傾向。
3. ノッチ形状(根元半径・深さ)
応力集中度を規定。鋭利ノッチほど破壊促進。材料感度異なるため形状厳守必須。
4. 温度・ひずみ速度
低温→脆性化・ひずみ速度低下。材料によって転移温度異なる。
5. 破壊モード
延性破壊(微小ボイド凝集)、脆性破壊(劈開)、混在型。材料組織・構造で決まる。
アイゾッド vs シャルピー試験の違い
共に振り子式だが、支持・打撃位置・主用途材料が異なる。
| 項目 | アイゾッド | シャルピー |
|---|---|---|
| 支持方式 | 片持ち(カンチレバー) | 両端支持(シンプルビーム) |
| 打撃位置 | ノッチ直上(固定端側) | スパン中央(ノッチ下面) |
| 主用途材料 | プラスチック・ポリマー | 金属 |
| 試験片向き | 垂直 | 水平 |
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