材料の強度評価とは

機械や製品には、使用時に「引っ張る」「押す」「曲げる」「ずらす」といったさまざまな方向の力が加わります。

そのため、材料の強度を評価する際には、一つの試験結果だけでなく、実際に受ける荷重の方向や使用環境に合わせて適切な試験方法を選ぶことが重要です。

代表的な機械的強度試験には、以下があります。

＜引張試験＞

材料を引っ張り、引張強さ、降伏点、伸びなどを評価します。

＜圧縮試験＞

材料を押しつぶす方向に荷重を加え、圧縮に対する強度や変形特性を評価します。

＜曲げ試験＞

材料に曲げ荷重を加え、曲げ強さや変形挙動を評価します。

＜せん断試験＞

材料をずらす方向に荷重を加え、せん断強度や破壊挙動を評価します。

クリアライズでは、これらの機械試験を材料や使用環境、評価目的に応じて実施しています。

引張試験とは

引張試験とは、試験片に引張荷重を加え、破断に至るまでの荷重と変形の関係を測定することで、材料の機械的特性を評価する試験です。

引張試験によって、

• 引張強さ
• 降伏点・耐力
• 伸び
• 絞り
• ヤング率

などを評価できます。

材料選定、製品設計、品質管理などに広く利用される基本的な材料試験です。

引張試験でわかること

引張試験では、荷重と変形の関係を測定することで、材料のさまざまな機械的特性を評価できます。

＜引張強さ＞

材料が引張荷重に対して耐えられる最大の応力を示します。

＜降伏点・耐力＞

材料が弾性的な変形から塑性的な変形へ移行する際の強度を評価します。明確な降伏点を示さない材料では、0.2％耐力などを用いて評価する場合があります。

＜伸び＞

材料が破断するまでにどの程度伸びたかを示し、材料の延性を評価する指標として用いられます。

＜絞り＞

破断部の断面積がどの程度減少したかを示し、材料の変形能力を評価します。

＜ヤング率＞

弾性域における応力とひずみの関係から求められ、材料の変形しにくさ・剛性を評価する指標です。

応力-ひずみ曲線とは

引張試験では、試験片に加わる応力と、その際に生じるひずみの関係を「応力-ひずみ曲線（S-S曲線）」として表します。

応力-ひずみ曲線を確認することで、材料が荷重を受けた際にどのように変形し、どの段階で降伏や破断に至るのかを把握できます。

＜弾性域＞

荷重を取り除くと材料がほぼ元の形状に戻る領域です。

＜降伏＞

弾性変形から塑性変形へ移行し、荷重を除いても変形が残る状態になります。

＜塑性域＞

永久変形が進行する領域で、材料によっては加工硬化などが生じます。

＜最大応力＞

応力が最大となる点で、一般的に引張強さとして評価されます。

＜破断＞

変形が進行し、最終的に試験片が破断します。

この曲線を解析することで、材料の強度だけでなく、変形挙動や延性などを総合的に評価できます。

せん断強度とは

せん断強度とは、材料が互いにずれる方向の力「せん断力」を受けた際に、破壊に至るまで耐えられる強さを示す指標です。

引張荷重が材料を「引き離す方向」に作用するのに対し、せん断荷重は材料の断面に沿って「ずらす方向」に作用します。

ボルトやピンなどの接合部、溶接部、板材の打ち抜きなどでは、せん断方向の荷重が作用するため、引張強度だけでなくせん断強度を把握することが重要です。

せん断強度は一般にMPa（N/mm²）などで表され、材料の種類、試験方法、温度、形状などによって異なります。

引張強度とせん断強度の違い

引張強度とせん断強度は、どちらも材料の破壊に対する強さを表す指標ですが、荷重の方向と破壊の仕方が異なります。

材料によって引張強度とせん断強度には一定の関係が見られる場合がありますが、その比率は材質、熱処理、試験方法などによって異なります。

そのため、設計や品質評価では一般的な換算値だけに頼らず、必要に応じて実際のせん断試験によって評価することが重要です。

せん断応力とせん断強度の求め方

せん断応力は、材料のせん断面に作用する力をせん断面積で割ることで求められます。

【τ = F ÷ A】
τ：せん断応力
F：せん断方向に作用する荷重
A：せん断面積

試験によって材料が破断した際の最大荷重とせん断面積から、せん断強度を評価します。

ただし、実際の試験では試験片形状、荷重のかかり方、単せん断・二面せん断などによって評価条件が異なります。

そのため、材料や部品の使用状態に合わせた試験方法を選択することが重要です。

せん断試験とは

せん断試験とは、材料や接合部にずれ方向の荷重を加え、破壊時の荷重や変形状態を測定する試験です。

せん断試験には、評価する材料や部品形状によってさまざまな方法があります。

＜単純せん断試験＞

一つのせん断面に荷重を加え、破断荷重を測定します。

＜二面せん断試験＞

試験片の2箇所にせん断面を設けて評価する方法で、ピンやボルトなどの評価に使用される場合があります。

＜接合部のせん断試験＞

溶接部、接着部、締結部などにせん断荷重を加え、接合強度を評価します。

クリアライズではJIS規格に準拠したせん断試験に対応しています。

せん断強度が重要となる主な部品・用途

せん断強度は、材料や部品に「ずれる方向」の荷重が加わるさまざまな場面で重要になります。

＜ボルト・ピン・リベット＞

接合部に横方向の荷重が加わることで、軸断面にせん断応力が発生します。

＜溶接部＞

すみ肉溶接などでは、接合部にせん断方向の荷重が加わる場合があります。

＜板材・プレス加工＞

打ち抜きやせん断加工では、材料のせん断強度が加工荷重や加工条件に関係します。

＜構造部材＞

機械・設備の接合部などでは、引張・圧縮だけでなくせん断方向の荷重も考慮する必要があります。

＜接着・接合材料＞

接着剤や複合材料では、接合面に沿ったせん断強度が重要になる場合があります。

せん断強度に影響する主な要因

せん断強度は、材料そのものの特性だけでなく、さまざまな条件によって変化します。

＜材料・組織＞

材質、化学成分、結晶組織などによって強度が異なります。

＜熱処理・加工履歴＞

焼入れ、焼戻し、冷間加工などによって材料の硬さや強度が変化します。

＜温度＞

高温・低温環境では、室温とは異なる強度・破壊挙動を示す場合があります。

＜表面・欠陥＞

表面状態や加工傷、欠陥などが応力集中を生じさせ、破壊に影響する場合があります。

＜荷重条件＞

荷重速度や荷重方向、試験片形状などによっても試験結果は変化します。