伸び（Elongation）とは：定義、計算式、材料工学における意義

伸びとは、材料が応力を受けた際に伸長する測定可能な傾向のことです。エンジニアは標準化された試験手順とダンベル型試験片を用いて、所与の材料の特性的な伸び挙動を評価します。試験片の伸びはパーセントで表され、伸長量を元の長さで割り、100を乗じて算出します。

伸びは材料の延性（破断せずに変形する能力）の指標であるため重要です。これは3Dプリント材料においても鍵となる指標で、3Dプリント部品の実用的な耐久性に直結します。本記事では伸びの定義、重要性、計算方法を解説します。

伸びの意味

伸びとは、引張力（ひずみ）を受けた際に材料が永久的に伸長する量です。材料の延性を数値化したもので、応力下でどれだけ容易に変形するかを示します。材料間で定量比較できるよう、厳密に管理された条件下で測定されます。

具体的には、標準化された形状の試験片を既知の引張力で引っ張り、試験片が破断するまでの長さの増加を測定します。

変形物理学における伸び

変形物理学において、伸びは引張応力を受けた際の要素の伸長度合いを示す指標です。新しい長さと元の長さの比として表されます。

天文学における伸び（Elongation）

天文学では、地球から見て太陽系内の天体と太陽の角度的分離を指します。惑星などの天体が、地球と太陽を基準とした相対位置にあることを表します。

幾何学における伸び

幾何学では、幾何学的形状が1つ以上の軸に沿って引き伸ばされることを指します。例えば2次元平面で正方形を1軸方向に伸ばすと長方形になり、3次元空間で立方体を1軸方向に伸ばすと直方体になります。この概念は幾何変換で重要です。

プラズマ物理学における伸び

プラズマ物理学では、核融合プラズマの形状を指します。プラズマ雲は形状制御可能で、その伸びは最長軸の長さと最短軸の長さの比で定義されます。伸びが大きいプラズマは不安定になりやすく、閉じ込めが困難になるため重要な因子です。

生物学における伸び

生物学では、DNAから転写されたRNAを鋳型にタンパク質が合成される翻訳プロセスの一段階を指します。具体的には、翻訳の開始と終了の間にある第2段階（伸長期）で、アミノ酸鎖が伸長していく過程です。

材料の伸びの計算方法

材料の伸びは国際試験規格に従って計算されます。最も一般的なのはASTM D412で、試験片の形状を規定しています。この形状は「ダンベル型」と呼ばれ、両端が幅広（グリップ用）で中央が細い帯状になっており、ここが引っ張られると伸長します。

試験片を試験機で把持し、徐々に増大する引張力（ひずみ）を加えます。試験機はひずみ増大に伴う試験片の長さ増加を測定し、データをグラフにプロットします。伸びは、材料の長さ増加量を元の長さで割り、パーセントで表します。

伸びの計算式

伸びの式は、試験片の変形量（長さ増加）を元の長さで割り、100を乗じてパーセントに変換したものです。

伸び率（%）= 100 × ((最終長さ - 元の長さ) / 元の長さ)

記号で表すと：

伸び率（%）= ε = (ΔL/L) × 100

伸びの単位

伸びはパーセントで報告されるため、厳密には単位を持ちません。これは、破断時の長さ変化量と元の長さの比であり、それをパーセント変換しているためです。

伸びの記号

伸びの記号は、ギリシャ文字の小文字ε（イプシロン）です。

伸びの重要性

伸びを知ることは、材料が応力下でどれだけ変形するかを理解する上で重要です。延性の指標として用いられます。材料の変形挙動と延性は、クラッシュバーリアのようにある程度の変形が想定される用途では重要です。逆に、ドアヒンジのように応力下でほとんど変形を許容できない部品設計でも、伸びは重要な因子となります。

3Dプリントにおける伸び

3Dプリントにおける伸びとは、3Dプリント材料が破断するまで耐えられる変形量です。3Dプリント品の実用的な耐久性を示す指標となります。3Dプリントの普及により、多くのプリント可能材料や技術（FDMやレジン等）の機械的強度が低いことが浮き彫りになりました。

3Dプリント材料選定において伸びは重要？

はい、3Dプリント材料選定において伸びは重要な考慮事項です。材料が破断せずにどれだけ変形できるかの情報を与えるからです。3Dプリント部品の物理的特性は構成材料の特性に依存します。多くの製品は実用的であるために耐久性が求められます。

伸び測定に用いる装置はある？

はい、ASTM D412などの国際規格に準拠して材料の伸びを測定する専用装置があります。これらの試験システムは、特定の材料試験向けに設計された複数のコンポーネントで構成されます。

まず、材料ダンベル試験片の両端を把持するグリップがあります。次に、増大するひずみに伴う試験片の長さ変化を測定する引伸計（エクステンソメータ）を備えます。また、環境チャンバーを備えた装置もあり、グリップ・試験片・引伸計を覆うことで環境条件（温度など）を制御し、極めて特定の条件下で試験できます。

複数の専門サプライヤーが、ASTM D412などの規格に基づく定期試験を行う組織向けにこれらの試験システムを製造・販売しています。

伸び測定の種類

1. 延性

延性とは、材料が破断せずに変形する能力です。延性でない材料は脆性と呼ばれ、ほとんど変形せずに破断します。材料の延性は複数の測定値から推定できますが、最も一般的なのは伸び率です。断面収縮率やカップリング試験も重要となり得ます。

2. 破断時伸び

破断時伸びとは、材料試験片が破断する時点での測定伸びです。引張応力を加えて材料を伸長させます。応力が増大すると、材料の伸長は最初は弾性的（応力解除で元に戻る）であり、次に塑性的（永久変形）になります。塑性伸長後にさらに応力を加え続けると、材料は最終的に破断します。この時点での長さが破断時伸びで、元の長さに対する伸長率としてパーセントで示されることが多いです。

伸び率（Percent Elongation）とは？

伸び率とは、材料が破断する前に元の長さを超えて伸びた割合です。材料試験片の長さ変化量を元の長さで割り、100を乗じてパーセントに変換したものです。

伸び率の計算方法

伸び率は試験システムのデータから計算します。まず、国際規格ASTM D412に従って材料を特定のダンベル形状に鋳造または機械加工します。

次に、ダンベル試験片を試験機に固定し、引張力を加えます。引伸計がダンベル細部の長さ増加を測定し、長さと引張強さの関係をグラフ化できます。試験はダンベル破断で終了します。

最後に、このデータから伸び率を算出します。全長の変化量を初期長さで割り、100を乗じると伸び率が得られます。