圧縮試験の完全ガイド：定義、目的、用途、試験方法

圧縮試験は、材料が圧縮荷重を受けた際の挙動に関する貴重な知見を提供する広く用いられる機械試験です。この試験は、航空宇宙、自動車、建設などの産業におけるさまざまな用途に適した材料選定に不可欠です。本記事では、圧縮試験の定義、目的、用途、仕組み、実施手順について詳しく解説します。

圧縮試験とは？

圧縮試験とは、材料が圧縮荷重を受けた際の挙動を決定するための機械試験です。圧縮試験から得られるデータは、さまざまな材料の機械的特性に関する有益な知見を与え、特に建設およびエンジニアリング業界において、さまざまな用途に適した材料選定において極めて貴重です。

圧縮試験の仕組み

圧縮試験では、試験片を試験機の2枚のプレートまたはジョーズの間に配置します。これはロードセルで加えられる力を測定する万能試験機の形をとることができます。試験片に圧縮力を加え、特定の変形に達するか、破壊するまで続けます。デフレクトメーターやエクステンショメーターなどの追加装置を用いて、試験片のたわみや圧縮ひずみを測定することもできます。

圧縮セット試験のイラスト。

圧縮試験の目的

圧縮試験の目的は、ひずみ、応力、変形といった主要パラメータを測定することにより、材料の圧縮荷重に対する挙動や応答を確認することです。圧縮試験により、材料の圧縮強度、最大荷重耐力、降伏強度、弾性率、弾性限度などの特性を決定できます。

これらの各種要因と特定材料に関連する値を理解すれば、その材料が与えられた用途に適しているか、与えられた応力下で破壊するかを判断できます。

圧縮試験が用いられる場面

圧縮試験は、材料が圧縮にどう応答するかを示すために用いられます。材料の塑性流動挙動や延性破壊限界を評価するのに使用できます。また、材料が粉砕荷重にどう応答するかを決定します。圧縮試験は、脆性材料や低延性材料の弾性および圧縮破壊特性を評価する上で不可欠です。

弾性率、圧縮降伏点、比例限度、圧縮強度、最大圧縮強度はすべて圧縮実験によって決定できます。これらの特性は、材料が与えられた用途に適しているか、与えられた応力セットで破壊するかを判断する上で重要な役割を果たします。

圧縮試験が適用される産業

圧縮試験が用いられる産業は複数あります。主な産業を以下に示します：

1. 航空宇宙および自動車産業

圧縮試験は航空宇宙および自動車産業の不可欠な部分です。エンジン部品、構造部品、その他の重要部品に使用される材料の圧縮強度を測定するために用いられます。例えば、航空宇宙産業では、航空機の翼、胴体、エンジン部品の製造に使用される材料の強度試験に圧縮試験が用いられます。自動車産業では、エンジンブロック、クランクシャフト、スプリング、その他の部品製造に使用される材料の強度試験に用いられます。

2. 建設産業

建設産業では、コンクリート、セメント、その他の建築材料の圧縮強度を決定するために圧縮試験が用いられます。これらの試験は、建築材料が要求される強度基準を満たし、構造物の重量と圧力に耐えられることを確認するために極めて重要です。圧縮試験はまた、ルーフィングパネル、断熱ボード、建築用シート材の圧縮性能測定、プラスターボード、パイプライン、吹き付けコンクリートの押し込み試験にも使用されます。

3. 化粧品産業

圧縮試験は化粧品産業の重要な部分であり、以下のように使用されます：

• スプレーとディスペンシングポンプのアクチュエータ力試験
• 口紅、リップバーム、アイライナーの破壊強度試験
• アイシャドウとパウダーコンパクトの圧縮時の強度
• ボトルやサシェからクリームやローションを押し出すのに必要な力の測定

4. 電気・電子産業

電気・電子産業では、絶縁体、コネクタ、LCD画面、キーパッド、その他の部品の圧縮強度を試験するために圧縮試験が用いられます。これらの試験は、部品が他の部品やデバイスの圧力と重量に耐え、時間経過とともに破損や劣化しないことを保証するために重要です。

5. 医療機器産業

医療産業も圧縮試験の用途が多い産業の一つです。主な用途には：

• 針の三点曲げ試験
• 定量吸入器とペン型注射器のアクチュエータ力試験
• メスと針の鋭さ、刺入、貫通力試験
• シリンジプランジャーの作動と「移動」力の評価

6. 包装産業

包装産業では、段ボール、厚紙、その他の包装材料の圧縮強度を試験するために圧縮試験が用いられます。これらの試験は、包装が中身の製品の重量と圧力に耐え、破損や破れないことを保証するために重要です。

7. 紙・板紙産業

紙・板紙産業では、段ボールの圧縮強度を試験するために圧縮試験が実施されます。

8. プラスチック、ゴム、エラストマー産業

ゴム、プラスチック、エラストマー産業における圧縮試験は、主に荷重下でのポリマーの圧縮特性の特定を含みます。

9. 安全、健康、フィットネス、レジャー産業

安全、健康、フィットネス、レジャー産業における圧縮試験の用途には：

• テニスボール、ゴルフボール、クリケットボールの性能試験
• チャイルドシート安全ハーネスの圧縮試験

圧縮試験の実施方法

圧縮試験は、材料に圧縮力を加え、特定の変形に達するか破壊するまで続けることで機能します。プロセスは通常以下のステップで構成されます：

• 試験片の準備： 試験対象材料の試験片を選択し、試験規格に従って準備します。試験片は、試験要件に応じて円柱形または立方体形状となります。
• 試験片の取り付け： 試験片を試験機の2枚のプレートまたはジョーズの間に取り付けます。機械は油圧、空圧、または機械的力で試験片に荷重を加えます。
• 力の加荷： 定速で試験片に圧縮力を加え、特定の変形に達するか破壊するまで続けます。試験中、加えられた力とその結果生じた変形を測定・記録します。
• 結果の分析： 試験中に収集されたデータを用いて、圧縮強度、弾性率、変形特性など、材料のさまざまな特性を計算します。

圧縮応力試験のイラスト。

圧縮試験装置とは？

汎用性のある試験装置が圧縮試験に使用されます。0.02 Nから2,000 kNまでの力容量範囲で、幅広いサイズが提供されています。万能試験機にはエクステンショメーター、用途別プレート、試験ソフトウェアが装備されている必要があります。試験対象材料の種類に応じて治具を変更するだけで、単一の機械でその力範囲内のあらゆる材料を試験できるように調整可能です。

圧縮試験では、材料試験片を圧縮試験機の2枚のプレートまたはジョーズで挟み、所定の変形まで圧縮するか、破壊するまで続けます。

一般的な圧縮試験結果

圧縮試験結果は材料によって異なり、またユーザーが試験している目標特性によっても異なります。

圧縮試験の種類

圧縮試験の種類を以下に列挙し、説明します：

1. 単軸圧縮試験

単軸圧縮試験は、最も一般的で基本的な圧縮試験タイプです。万能試験機の2枚の平板の間で、通常は単一軸方向に試験片に圧縮荷重を加えます。この試験は、金属、プラスチック、セラミック、コンクリート、複合材料など幅広い材料の圧縮強度、弾性率、降伏点、変形挙動を評価するために用いられます。

単軸試験は、円柱形または立方体形状の試験片で、制御された変形速度で破壊または規定ひずみに達するまで実施されます。

2. ばね試験

ばね試験は、圧縮コイルばねの性能特性を測定する試験方法です。ばねを圧縮試験機にセットし、すべてのコイルが接触するまで圧縮し、機械が以下の特性を決定します：

• 密着高さ： ばねが完全に圧縮された時の高さ
• 最大荷重： ばねを完全に圧縮するのに必要な力
• 自由長： 無負荷状態でのばねの長さ
• ばね定数： ばねを一定距離圧縮するのに必要な力

3. トップロード/クラッシュ試験

トップロード試験は、試験片に下向きの力を加えて、それが粉砕にどれだけ抵抗するかを測定するものです。あらゆるタイプの試験片で実施可能ですが、包装産業でプラスチックボトル、カートン、瓶などの容器の耐圧潰れ性を試験するのに一般的に用いられます。

圧縮試験規格

圧縮試験には、さまざまな団体によって維持されている多くの業界規格があります：

金属

ASTM E9-89a – 常温における金属材料の圧縮試験方法の標準

常温における金属材料の軸方向圧縮試験の装置、試験片、手順を規定。

プラスチック

ISO 844:2021 – 硬質セラミックプラスチック — 圧縮特性の測定

硬質セラミックプラスチックの圧縮強度、10%相対変形時の応力、圧縮弾性率の測定方法を規定。

ISO 15527:2007 – プラスチック — ポリエチレン（PE-UHMW、PE-HD）の圧縮成形シート — 要求事項と試験方法

充填材や補強材を含まないポリエチレンの固体平板圧縮成形シートの要求事項と試験方法を規定。

ASTM D6713-01 – ポリ（ビニリデンフルオリド）（PVDF）から作られた押出および圧縮成形形状の標準仕様

PVDFから作られた押出および圧縮成形形状の要求事項と試験方法を規定。

ゴムとエラストマー

ISO 7743:2008 – ゴム、硫化または熱可塑性 — 圧縮応力ひずみ特性の測定

標準試験片を用いた硫化または熱可塑性ゴムの圧縮応力ひずみ特性の測定方法を規定。

ASTM D575 – 圧縮におけるゴム特性の標準試験方法

ゴム配合の圧縮たわみ特性を決定。

admet.com

ASTM C864-05 – 高密度エラストマー圧縮シールガスケット、セッティングブロック、スペーサーの標準仕様

シーリングおよびガラス用途に使用されるプレフォーム高密度エラストマー圧縮ガスケットと付属品を規定。

紙と板紙

ISO 9895:1989 – 紙と板紙 — 圧縮強度 — 短スパン試験

短スパン圧縮試験機を用いて、紙と板紙の機械方向と横方向の圧縮強度を測定する方法を規定。

建築材料

BS EN 12365-2:2003 – 建築金物 — ドア、窓、シャッター、カーテンウォール用ガスケットとウェザーストリッピング — パート2: 直線圧縮力試験方法

建築金物に使用されるガスケットとウェザーストリッピングの直線圧縮力を測定する試験方法を規定。

圧縮試験のメリット

圧縮試験には多くのメリットがあります：

• 他の試験タイプと比較して一般的にコスト効率が良い。
• 幅広い材料で実施可能。
• 正しく実施すれば信頼性の高い結果を提供する確立された技術。

圧縮試験の限界

圧縮試験にはいくつかの限界があります：

• 材料の圧縮強度と、弾性率や降伏点などの関連特性についてのみ情報が得られる。
• 時間がかかる場合がある。
• 試験片を非常に特定の方法で準備する必要があり、コストがかかり、結果の精度に影響を与える可能性がある。
• 温度などの環境要因や、試験片の誤った取り付けなどの操作者エラーによって結果の精度が影響を受ける可能性がある。

圧縮試験は正確か？

はい、高品質な機械と試験手順を用いれば、圧縮試験は極めて正確です。ただし、一貫性のない試験セットアップ、低品質な機械、不適切に校正された機械など、さまざまな要因が試験精度を低下させる可能性があります。これらの要因を軽減することで、圧縮試験で非常に高い精度を達成できます。

引張試験と圧縮試験の違いは？

引張試験と圧縮試験の違いは、引張試験では引張応力（引っ張る力）が加えられるのに対し、圧縮試験では圧縮応力（押す力）が加えられる点です。

まとめ

この記事では、圧縮試験について説明し、その定義、目的、種類を議論しました。圧縮試験についてさらに知りたい方は、Xometryの担当者にお問い合わせください。

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Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学の優等学士号を持ち、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなどの大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

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