コラム

JIS Z 2241:金属材料引張試験について

金属材料の強度を表す最も基本的な指標である引張り強さは、材料が耐えられる最大の引張応力(その材料が"破壊"、"変形"されない最大の応力)をさし、 それはひずみ(材料が変形する時に材料内部に溜まっていく変形抵抗)が大きくなる事によって起こる現象とされます。
材料選定の指針となるこの要素以外にも、降伏強さ、延性、破壊エネルギー(靱性)、曲げ強度(抗折力)、硬度が挙げられ、例を取れば金属材料の 強度試験では引張試強度、降伏点、伸び、絞り等がありそれらを評価する方法として、圧縮試験、曲げ試験、せん断試験、硬さ試験、衝撃試験、疲労試験など 多種に渡ります。

その中で、特にJIS Z 2241に記載されております金属材料引張試験において得られる結果は、

  1. 試験力(引張最大荷重):測定物の断面積で除する事で引張最大応力となる
  2. 破断荷重
  3. 上降伏点応力:耐力(0.2%耐力)
  4. 下降伏点応力
  5. 降伏伸び
  6. 全伸び(破断時全伸び)
  7. 絞り 等があります。

※非鉄金属(銅、アルミなど)は明瞭な降伏点は観察する事は出来ず、主に0.2%耐力等の指標により判断します。

一般に、それら金属材料の"強さ"は降伏点(0.2%耐力)以下でいかに高い応力もしくは材料形状による荷重に耐えられるかで考えられます。
また、伸び(変形)についても、永久変形が起きる全伸びよりも、降伏伸びで判断される事が多くあります。 これら材料特性を判断するのに必要となるのが、再現性のある試験系と再現性のある試験片となります。 いかに高性能な引張試験機を用いても、評価に値する試験片が入手できないと開発材料の物理特性は正確に測定する事は出来なくなります。

引張試験において、よく誤りを生むのは”実験結果について考察できない事”となります。
これは、測定者、測定器、測定条件、そして試験片の品質によるところが大きくなります。
JIS Z 2241では五号試験片に代表されるように、試験片の形状、および標点に関する規定はされておりますが、評価における重要な要素である試験片の"品質"については規定されておりません。
引張試験をされた事がある方なら経験あると思いますが、規格材などでよくあるのが書面等で明記されている物性値と結果が異なる場合の考察となります。
一般に、試験機や試験条件が理想的でない場合に物性値が異なる事が多いですが、実は試験条件の精度が高くても試験片の精度によって生まれる誤差は意外と大きくなります。

ある開発材料の引張試験を実施しようとして、当初の狙いと異なる値が得られた時、測定者は"材料が狙いの物性を得られなかった"事について言及しますが、金属材料が破壊される場合、その原因は”その試験片の弱いところから破壊する"という事がよくなおざりにされます。
試験片の弱いところと言うのは、その供試材のウイークポイントである事と、試験片の”品質”に言及されます。
ウィークポイントであれば、その点について改善を行いますが、試験片の"品質"については、その材料を加工する品質に左右されます。
誤った"品質”をもった試験片での評価はその材料のポテンシャルを見間違う可能性を生みます。 良質な再現性をもった試験片を得ることは、材料の開発において重要な要素となります。

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