衝撃強度:定義、重要性、および正確な測定技術
衝撃強度は、突然の激しい衝撃や衝撃荷重下での亀裂、破壊、または塑性変形に耐える材料の能力の尺度です。これは、突然の力に耐える材料の能力を決定する重要な特性です。大きな衝撃や衝撃荷重を受けるコンポーネントの設計は、潜在的な故障を考慮して、これらの測定値を理解するかどうかにかかっています。材料の衝撃強度は通常、IZOD 試験またはシャルピー試験を使用して定量化されます。これらは指標となる標準化されたテストであり、教材を採点するために使用されます。ただし、これらは実際の使用を表すものではなく、周期的または現実世界の負荷に関する限られた情報しか提供しません。この記事では、衝撃強度、その計算方法、その重要性、衝撃強度に影響を与える要因、およびさまざまな種類の衝撃強度破壊について説明します。
衝撃強度とは何ですか?
衝撃強度は、衝撃および衝撃負荷下での材料の破壊に耐える能力の尺度です。脆性破壊を起こす材料にのみ適用されます。また、温度依存性および/または衝撃依存性の脆性-延性転移を示す延性材料の試験にも使用されます。 「通常の」荷重および動作条件下では延性がある多くの材料は、低温および/または突然の衝撃を受けると脆性挙動を示す可能性があります。これらの動作を評価することは、製品設計と材料の選択に役立ちます。
衝撃強度の重要性は何ですか?
材料の衝撃挙動を理解することは、材料の選択と詳細な設計の両方を推進する設計情報の重要な部分です。高い衝撃（つまり、短期間）の衝撃を受ける可能性のあるコンポーネントは、それが引き起こす可能性のある壊滅的な影響に耐えるように作られている必要があります。
弾性のある製品を適切に設計するには、基本的な衝撃強度に加えて、さまざまな挙動を理解する必要があります。疲労、微小破壊、延性/脆性の混合挙動などの特性を理解することは、使用中に早期に故障する製品の製造を削減/回避することにも役立ちます。耐用年数は多くの分野で特に重要です。これにより、予防メンテナンスが可能になり、故障を防ぐための検査プロセスとスケジュールの理解を促進します。
衝撃強度はどのように計算または測定されますか?
以下に、衝撃強度を計算する 2 つの方法を示します。
1.シャルピー衝撃試験
シャルピー試験は IZOD 試験ほど一般的には使用されず、吸収されたシャルピー V 衝撃エネルギーをジュール単位で測定します。これは、スイング ハンマーを振り続けると残りのエネルギーが消散するため、ハンマーの衝撃後の移動量によって測定されます。
詳細については、シャルピー衝撃テストに関する完全なガイドをご覧ください。
材料の衝撃強度に影響を与える要因は何ですか?
材料の衝撃強度に影響を与える要因を以下に示します。
1.材料の厚さ
材料が厚いと、破壊するために破壊する必要がある構造/結合が増えるため、強度に影響します。
2.温度
多くの材料は、温度が変化すると特性に大きな変化が見られます。これらの変化の特性を評価することは、材料定義/試験プロセスの重要な部分であり、IZOD 試験とシャルピー試験は両方とも標準温度範囲で実行されます。
特に金属には焼きなまし温度があり、その温度では自己修復がさらに強くなります。たとえば、アルミニウムは 570°F で焼きなまされるため、すべての結晶境界が互いに溶け合い、材料は非常に延性が高くなります。一部の材料は低温で脆化します。多くの材料は高温になると弱くなり、ガラス転移の開始などの温度で異常な転移が明らかになります。
3.ノッチ半径
応力集中は材料強度の主要な要素です。先端が鋭いノッチは応力を点に集中させて破壊を促進するため、同様の材料のテストを比較する際にはノッチの半径が非常に重要です。
衝撃強度破壊にはどのような種類がありますか?
以下に、さまざまなタイプの衝撃強度破壊を示します。
1.脆性破壊
脆性破壊とは、材料のサンプルが 2 つ以上の部分に分かれた破壊です。これらの部品を一緒に再取り付けして、部品の元の形状/輪郭を形成することができます。クラッカーは、新鮮でパリパリしているときは脆性破壊を起こします。
2.延性破壊
延性破壊はまれに発生します。延性破壊モードは、材料が不可逆的にネック状になる (つまり、塑性変形を受ける) ときに、広範囲に発生します。一般に、引張試験片における大規模な延性破壊は、首を形成するために引っ張られた粘土のように見えます。通常、この後に小さな脆性破壊が発生しますが、髪の毛ほどの細さの糸にまで伸びるのではなく、きれいに元に戻ることができます。
3.譲歩
降伏は、弾性限界に達した後に塑性変形が生じる弾性材料の特徴です。降伏点以下の力を受けた場合、力が解放されると材料は元の形状/寸法に戻ります。一方、降伏点または降伏強度を超えると、材料はある程度の塑性変形（つまり永久変形）を受けます。力が解放されると、材料は弾性歪みを回復しますが、プラスチック コンポーネントは回復しません。
4.わずかな亀裂
シャルピー試験と IZOD 試験は両方とも、正しく実行された場合の目的は、材料サンプルを 2 つ以上の部分に分割または破壊することです。サンプルがわずかに損傷しているか、部分的に破損しているだけの場合は、より高いエネルギーまたはより深いノッチ試験が適切である可能性があります。破壊は、せん断、延性、脆性などのモードの混合によって発生する可能性があります。故障タイプは、完全な破損、ヒンジ付きの破損、不完全な破損、および非破損としてリストされます。
衝撃強度は 3D プリントにどのように関係しますか?
ほとんどの 3D プリントされたプラスチックは、同じ材料の成型または機械加工されたブロックよりもかなり低い衝撃強度を示します。これは、3D プリントに使用される構築方法の異方性特性の関数であり、ビルドの向きに大きく関係する可能性があります。たとえば、FDM 部品は一般に優れたインターを提供します。 - 層間の結合は内部よりも優れています。 したがって、モデルはビルドの X-Y 平面では適度な強度を持っていますが、Z 軸に沿っては非常に弱くなります。この変化/方向性は、程度の差はあれ、他のモデル タイプにも当てはまります。
3D プリント素材の理想的な衝撃強度はどれくらいですか?
3D プリント素材の理想的な衝撃強度は、素材の特性によって異なります。一般に、PLA などの FDM 印刷部品の衝撃強度は、シャルピー テストで Z 軸方向ではゼロに近く、X-Y 軸方向では最大 23 kJ/m2 です。
衝撃強度の用途は何ですか?
衝撃強度試験はコンポーネントの設計において絶対的な基準点を提供することはできませんが、必要なスケーリング測定です。以下に、衝撃強度の応用例をいくつか示します。
<オル>いくつかの材料の衝撃強度の例は何ですか?
材料衝撃試験は、さまざまな結果が得られる分野です。すべてのテストが必要なほど厳密であるわけではありません。材料の製造では、故障するまで明らかでないばらつきが生じる可能性があります。金属では、熱処理とその結果として生じる結晶構造の変化が、理解や定量化が難しい広範囲にわたる影響を与える可能性があります。合金化剤も同様に重要ですが、それほど隠されていません。最後に、製造プロセスによって性能が著しく変化する可能性があるため、基本的な材料テストでは役に立たない可能性があります。良い例は、同じ材料で作られた鍛造鋼部品と鋳鋼部品の違いです。原材料は同じですが、鍛造部品は桁違いに硬く、強度があり、耐破壊性が高くなります。
プラスチックの衝撃強度とは何ですか?
いくつかの一般的なポリマーの衝撃強度を以下の表 1 に示します。
表 1:いくつかの一般的なポリマーの衝撃強度
ポリマー
ABS - アクリロニトリル ブタジエン スチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
200
最大 IZOD 値 (J/m2)
215
ポリマー
ASA - アクリロニトリル スチレン アクリレート
最小 IZOD 値 (J/m2)
100
最大 IZOD 値 (J/m2)
600
ポリマー
HDPE - 高密度ポリエチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
20
最大 IZOD 値 (J/m2)
220
ポリマー
HIPS - 高耐衝撃性ポリスチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
50
最大 IZOD 値 (J/m2)
350
ポリマー
LDPE - 低密度ポリエチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
999
最大 IZOD 値 (J/m2)
999
ポリマー
LLDPE - 直鎖状低密度ポリエチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
54
最大 IZOD 値 (J/m2)
999
ポリマー
PA 66 - ポリアミド 6-6
最小 IZOD 値 (J/m2)
50
最大 IZOD 値 (J/m2)
150
ポリマー
PBT - ポリブチレンテレフタレート
最小 IZOD 値 (J/m2)
27
最大 IZOD 値 (J/m2)
999
ポリマー
PC - ポリカーボネート
最小 IZOD 値 (J/m2)
80
最大 IZOD 値 (J/m2)
650
ポリマー
PET - ポリエチレンテレフタレート
最小 IZOD 値 (J/m2)
140
最大 IZOD 値 (J/m2)
140
ポリマー
PETG - ポリエチレン テレフタレート グリコール
最小 IZOD 値 (J/m2)
50
最大 IZOD 値 (J/m2)
50
ポリマー
PMMA - ポリメタクリル酸メチル/アクリル
最小 IZOD 値 (J/m2)
10
最大 IZOD 値 (J/m2)
25
ポリマー
POM - ポリオキシメチレン (アセタール)
最小 IZOD 値 (J/m2)
60
最大 IZOD 値 (J/m2)
120
ポリマー
PP - ポリプロピレン 10 ～ 20% ガラス繊維
最小 IZOD 値 (J/m2)
50
最大 IZOD 値 (J/m2)
145
ポリマー
PTFE - ポリテトラフルオロエチレン
最小 IZOD 値 (J/m2)
160
最大 IZOD 値 (J/m2)
200
ポリマー
PVC 硬質
最小 IZOD 値 (J/m2)
20
最大 IZOD 値 (J/m2)
110
表のクレジット:https://omnexus.specialchem.com/
衝撃強度に関するよくある質問
衝撃強度が最も強い金属は何ですか?
研究成果では、これまでに達成された最高のシャルピー テスト値は金属複合サンプル (~450J) でした。これは、熱間圧延接合されたフェライト鋼とマルテンサイト鋼の交互シートの積層ブロック用でした。
材料の衝撃強度の測定にはどの装置が使用されますか?
IZOD テストとシャルピー テストの両方で、サンプルはスイング ハンマーで衝撃を受けます。スイング ハンマーのエネルギーは、ボブの重量を増減して調整できます。 IZOD 試験では、サンプルは通常、一端でクランプされ、垂直に取り付けられます。サンプルにはノッチが付いているか、または (一般的ではありませんが) ノッチが付いていません。ノッチはハンマーに面することも、逆にすることもできます。原則として測定値はほとんど変化しないはずですが、どのテストサイクルでも一貫性が重要です。シャルピー試験では、サンプルは、サンプルが置かれている 2 つのサポート間の水平方向の隙間を埋めます。ハンマーはこれらのサポートの間で揺れ、高強度の材料ほど重くなります。
衝撃強さと引張強さの違いは何ですか?
衝撃強度は、横方向から衝撃を受け、一方または両方の端が支持された場合に、部品が歪みや破損に耐える能力を定義します。引張試験では、サンプルの一端に縦方向の荷重を加えますが、もう一方の端は 2D コレットにしっかりと保持されます。引張耐力は、より定量化された出力を備えたより明確な尺度であり、コンポーネントの引張強度を単純かつ計算可能に変換します。
詳細については、引張強度に関する完全ガイドをご覧ください。
概要
この記事では、衝撃強度を紹介し、衝撃強度とは何かを説明し、製造における衝撃強度の意味について説明しました。衝撃強度の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。
Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。
免責事項
この Web ページに表示されるコンテンツは情報提供のみを目的としています。 Xometry は、情報の正確性、完全性、有効性について、明示的であるか黙示的であるかにかかわらず、いかなる種類の表明または保証も行いません。いかなる性能パラメータ、幾何公差、特定の設計特徴、材料の品質と種類、またはプロセスは、Xometry のネットワークを通じてサードパーティのサプライヤーまたはメーカーによって提供されるものを表すものとして推測されるべきではありません。部品の見積もりを求める購入者は、それらの部品の特定の要件を定義する責任があります。詳細については、 利用規約をご覧ください。
ディーン・マクレメンツ
Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。
Dean McClements による記事をもっと読む
3Dプリント
- SLS と FDM 3D プリントの比較。どちらを選ぶべきか、その理由は?
- アディティブマニュファクチャリングにおける製造実行システムのビジネスケースの確立
- レゴを 3D プリントすることは合法ですか?
- 3D プリント パーツの強度を上げる方法
- 販売された3Dプリンターごとに100ポンドのゴミ
- ジュエリーの 3D プリント
- 3D プリント シェル。最適なパラメータの便利なガイド!
- HIPSフィラメントvsPLA、PETG、ABS
- 3D プリントを作成するためのエキスパートのヒント
- すべてのエンジニアが知っておくべき 11 の主要な自動車ファスナー
- ABS はリサイクル可能で生分解性もありますか?