試験・調査報告

1.はじめに材料試験には大きく分けると静的試験(一方向に連続的に負荷をかけて数分間で終了する試験)、衝撃試験(約0.1秒以内で終了するような試験)、疲労試験(既定の応力を繰り返し負荷し、その応力と破断までの繰り返し数の関係を求める試験)、クリープ試験(一定の応力を連続して負荷し、付加時間と変形量の関係を求める試験)などがあります1)。さらに静的試験においても何種かの試験がありますが、ここでは一般的によく使用される引張試験、曲げ試験および硬さ試験について紹介します。2.引張試験引張試験とは、試験片に引張荷重を徐々に加えてその荷重と試験片の変形の関係から材料の機械的性質を調べる試験です。引張試験では所定の平行部長さ、および標点距離を持つ試験片を試験対象によって使い分けます。軟鋼母材を例に、図1に示す応力-ひずみ線図で引張試験の概要を説明します。応力(σ)0.2%耐力ヤング率E高張力鋼×引張強さ(σB)上降伏点(σYU)下降伏点(σYL)ABC軟鋼軟鋼の塑性変形範囲軟鋼の弾性変形範囲×D0.2%ひずみ公称ひずみ(ε)図1応力-ひずみ線図試験片を引張り始めると、まず荷重に比例して伸びていきます。この領域での変形状態が弾性変形です。弾性変形では応力-ひずみ線図は直線を示し、この直線の傾きがヤング率(縦弾性係数:E)に相当します。降伏点を超える範囲まで引張ると応力は急激に低下し、ほぼ一定の応力でひずみだけが増加します。図1中に示すA点が降伏開始の最大応力で、上降伏点(σYU)、B点を下降伏点(σYL)といい、A点を過ぎてからは変形にしたがって試験片表面にリューダース帯と呼ばれるしわが生じます。高張力鋼など明確な降伏点が得られない材料の場合は、0.2%のひずみの位置から弾性変形の範囲の傾きと平行な線を引いて交差した点の応力を0.2%耐力(E点)として、降伏応力に代用します。さらに荷重を増加させていくと、除荷しても変形が残るようになり、この変形を塑性変形と呼びます。塑性変形が増加するほど変形に必要な応力が増加し、この現象を加工硬化と呼びます。荷重を増やしていくと、やがて最大荷重点(C点)に達し、このときの応力が引張強さ(σB)です。最大荷重点に達した後、試験片の一部が絞られ始め、やがて破断します(D点)。破断した試験片を直線状になるよう突合せて標点距離の増分を求め、原標点距離に対する百分率として破断伸びを得ます。また、破断後の最小断面積を求め、原断面積との差の原断面積に対する百分率として絞りを得ます。これらは、材料の延性の評価指標となります。なお、2008年にJISZ3221(ステンレス鋼被覆アーク溶接棒)はISO3581との整合化をはかり、引張試験片の標点距離が従来の試験片の径の4倍から5倍に改正され、これに伴い、すべての鋼種の伸びの要求値が改正後の試験片形状に合わせて整合されました2)。伸び(%)5040302010引張強度伸び板厚:50mm700600500400300200100引張強度(MPa)試験・調査報告●解説コーナー静的試験(引張試験、曲げ試験、硬さ試験)00123欠陥率(%)456図2欠陥率と伸び、引張強さとの関係3)152020Spring