引張試験:仕組み、測定内容、開始方法
引張試験は、世界中の製造施設および研究施設において、エンジニアや材料科学者によって実施される基本的な機械試験です。引張試験(張力試験とも呼ばれる)は、材料試験片に一軸力を加えて、引張強度、降伏強度、弾性率、伸びといった主要な機械的特性を測定します。これらの測定値により、製品設計者や品質エンジニアは、材料が荷重下でどのように挙動するか、永久変形が始まる点、破断する点を把握でき、用途に適した材料を選定し、必要な仕様を満たしていることを検証するために必要なデータが得られます。
引張試験を実施する理由
引張試験および材料特性評価は、あらゆる産業の製造業者および研究者にとって不可欠です。新製品または新用途に材料を選定するためには、研究者は、最終用途で遭遇する機械的力に耐えられることを確認する必要があります。例えば、タイヤゴムは路面の凹凸を吸収できるだけの弾性が必要であり、外科用縫合糸は生体組織を保持できるだけの強度が必要です。さらに、材料や製品は、短期間または長期間、周期的または繰り返しの使用、さまざまな温度および環境条件下で機械的力にさらされる可能性があります。自動車用タイヤは、さまざまな気象条件下で一定のマイル数持続することが期待され、外科用縫合糸は一度しか使用されませんが、身体が治癒するまで一貫した引張強度を維持する必要があります。
研究開発プロセスにおける重要性に加えて、引張試験は品質保証部門でも使用され、完成品のバッチが引張特性の必要な仕様を満たしていることを確認します。これは、安全性とビジネスの両面から重要です。欠陥製品はエンドユーザーにとって危険であり、製品の遅延、収益の損失、評判の損傷という形で製造業者に重大な損害を与える可能性があります。
引張試験の実施方法
引張試験機:主要コンポーネントとその機能
- ロードフレーム - 引張試験機は、荷重容量に応じて単柱または双柱構成で提供されます。
- ソフトウェア - 試験ソフトウェアは、オペレーターが試験方法を構成し、結果を出力する場所です。
- ロードセル - ロードセルは、試験片に加えられる力を測定する変換器です。Instronのロードセルは、ロードセル容量の1/1000まで正確です。
- グリップおよび治具 - さまざまな材料、形状、サイズの試験片に対応するため、幅広い試験片グリップおよび治具が用意されています。
- ひずみ測定 - 一部の試験方法では、荷重下での試験片の伸びの測定が必要です。InstronのAVE2は、試験片長さの変化を±1 µmまたは読み取り値の0.5%まで測定できます。
引張試験のセットアップ
引張試験を実施するために、オペレーターは、社内および/または外部の試験規格に従って試験が実施されていることを確認するために、さまざまなタスクを実行する必要があります。ラボによっては、これらのタスクが部分的または完全に自動化されている場合がありますが、セットアップの正確性に対する責任は常にオペレーターにあります。
試験方法の選択
試験片をグリップに装填し、伸び計を取り付けたら、開始する準備が整います。Bluehill Universalで、試験方法を選択し、試験速度、試験片寸法、破断検出や最大荷重制限などの試験終了基準などの主要パラメータを構成します。
試験を開始すると、機械は規定の速度で引張力を加え、試験片が変形する際に荷重、伸び、ひずみのデータを連続的に記録します。試験は、定義された終了基準(通常は試験片の破断または荷重の一定割合の低下)が満たされるまで実行されます。
完了すると、Bluehill Universalは、方法で定義された機械的特性(引張強度、降伏強度、伸び、弾性率)を自動的に計算し、レビュー、エクスポート、またはレポート作成の準備が整います。
試験片の準備
試験片の形状は、試験される材料および使用される試験方法または規格によって大きく異なります。ASTMやISOなどの規制機関は、さまざまな材料に対して標準化された試験片要件を定めており、これにより、異なるバッチおよび製造業者間で特性を確実に比較できます。
引張試験片は、一般的にダンベル形状に機械加工または鋳造されます。これにより、試験機のグリップで保持するように設計された「ショルダー」と、引張特性が測定される「標点距離」が提供されます。これらのショルダーの寸法、それらの間の標点距離、試験片全体の長さと幅はすべて、試験規格によって規定されています。
試験片のグリップへの挿入
試験片に適したグリップを選択することは、正確で再現性のある結果を得るために不可欠です。試験片の寸法、質感、材料タイプに応じて、異なるグリップ設計およびジョー面表面が必要になる場合があります。グリップは、軟質エラストマーや薄膜から高強度金属や複合材料まで、あらゆるものに対応するため、ゴムコーティング、平滑、セレート、その他の表面タイプを備えた幅広い荷重容量で利用可能です。
適切なアライメントも同様に重要です。試験片挿入時の位置ずれは、軸外力を導入し、結果を歪めたり、標点距離ではなくグリップで早期破損を引き起こしたりする可能性があります。オペレーターが試験片を一貫して正しく挿入できるように、Instronは、毎回正しい軸に沿って力が加えられることを保証するように設計されたさまざまなアライメントデバイスおよび治具を提供しています。
大量試験環境では、空圧式および油圧式グリップにより、セットアップ時間とオペレーターのばらつきを大幅に削減でき、試験片間の手動調整を必要とせず、ボタンを押すだけで開閉できます。
ひずみ測定デバイス
ひずみは、応力下での試験片の変形の測定値であり、ほとんどの引張試験規格で必要とされる材料特性評価の基本的な部分です。ひずみを正確に測定するには、機械のコンプライアンスやグリップの着座による誤差を導入する可能性のあるクロスヘッド変位に依存するのではなく、専用の測定デバイスが必要です。
伸び計が最も一般的なソリューションです。クリップオン伸び計などの接触デバイスは、固定された標点距離で試験片に直接取り付けられ、試験片が変形する際の2つの接触点間の距離の変化を測定します。これらは、試験を開始する前に、試験片がグリップに配置された後に取り付けられます。非常に薄いフィルム、高伸長エラストマー、脆性材料など、試験片にデバイスを取り付けることが実用的でない用途では、非接触ビデオ伸び計が代替手段を提供し、試験片上のマーカーまたは表面特徴を使用して変形を光学的に追跡します。
試験の開始とデータの記録
試験片をグリップに装填し、伸び計を取り付けたら、開始する準備が整います。Bluehill Universalで、試験方法を選択し、試験速度、試験片寸法、破断検出や最大荷重制限などの試験終了基準などの主要パラメータを構成します。
完了すると、Bluehill Universalは、方法で定義された機械的特性(引張強度、降伏強度、伸び、弾性率)を自動的に計算し、レビュー、エクスポート、またはレポート作成の準備が整います。
引張試験データ解析:応力-ひずみ曲線と主要材料特性の理解
引張状態で材料を測定すると、その機械的特性の完全なプロファイルが生成されます。グラフにプロットすると、記録された荷重および伸びデータは、試験のすべての段階で加えられた力に対して材料がどのように応答したかを示す応力-ひずみ曲線を生成します。必要な具体的な特性は規格および用途によって異なりますが、エンジニアが求める主要な測定値は、極限引張強度、弾性率、降伏強度、ひずみであり、それぞれが使用時に材料がどのように挙動するかについて異なることを明らかにします。
極限引張強度
材料について決定できる最も重要な特性の1つは、極限引張強度(UTS)です。これは、試験中に試験片が維持する最大応力です。UTSは、材料が脆性、延性、またはその両方の特性を示すかどうかに応じて、試験片の破断時の強度と等しい場合と等しくない場合があります。材料は、ラボで試験すると延性を示す場合がありますが、実際に使用され、極低温にさらされると、脆性挙動に移行する可能性があります。
フックの法則
ほとんどの材料では、試験の初期部分は、加えられた力または荷重と試験片が示す伸びとの間に線形関係を示します。この線形領域では、線はフックの法則として定義される関係に従い、応力とひずみの比は定数です。Eは、応力(σ)がひずみ(ε)に比例するこの領域の線の傾きであり、弾性率またはヤング率と呼ばれます。
弾性率
耐力
材料の降伏強度は、塑性変形が発生し始める材料に加えられる応力として定義されます。
オフセット法
一部の材料(金属やプラスチックなど)では、線形弾性領域からの逸脱を容易に識別できません。したがって、材料の降伏強度を決定するためのオフセット法が許可されています。この方法論は、金属の降伏強度を測定する際に一般的に適用されます。ASTM E8/E8Mに従って金属を試験する場合、オフセットはひずみのパーセンテージ(通常0.2%)として指定されます。線形弾性領域の線(弾性率に等しい傾きを持つ)がオフセット「m」から描かれたときの交点「r」から決定される応力(R)が、オフセット降伏強度になります。
代替弾性率
一部の材料の引張曲線には、明確に定義された線形領域がありません。これらの場合、ASTM規格E111は、ヤング率だけでなく、材料の弾性率を決定するための代替方法を提供します。これらの代替弾性率は、割線弾性率および接線弾性率です。
ひずみ
引張試験中に試験片が受ける伸びまたは伸長の量を求めることもできます。これは、長さの変化の絶対測定値として、または「ひずみ」と呼ばれる相対測定値として表すことができます。ひずみ自体は、「工学ひずみ」と「真ひずみ」の2つの異なる方法で表すことができます。
工学ひずみは、おそらく最も簡単で最も一般的なひずみの表現です。これは、長さの変化と元の長さの比です。
真ひずみは類似していますが、試験の進行に伴う試験片の瞬間長さに基づいており、Liは瞬間長さ、L0は初期長さです。
追加情報については、引張試験および引張試験機のFAQをご覧ください
Instron引張試験装置:用途に適したシステム、グリップ、ひずみ測定の選択
引張試験機は、0.02 Nから2,000 kNまでのさまざまなサイズおよび荷重容量で利用可能です。ほとんどの低荷重試験は、電気機械式単柱または双柱卓上機で実施されますが、より高い荷重の用途には床置き型フレームが必要です。Instronの6800シリーズシステムは、最大300 kNの容量範囲で利用可能であり、引張、圧縮、曲げ、剥離、引裂、せん断、摩擦、ねじり、穿刺など、幅広い異なる試験タイプを実行できます。InstronのIndustrialシリーズサーボ油圧システムは、高強度金属、合金、先進複合材料のさらに高容量の試験用に設計されています。
最大300 kNの万能試験システム
荷重容量範囲が0.02 N(2 gf)から300 kNの単柱および双柱卓上型および床置き型試験システム。
最大2000 kNのIndustrial万能試験システム
InstronのIndustrialシリーズには、単一または二重試験空間を備えたフレームが含まれ、荷重容量は300 kNから2000 kNの範囲です。
プラスチック、金属、複合材料、エラストマー、繊維、部品試験用の引張グリップ
Pneumatic サイドアクション Tensile グリップ
カタログ番号2712-XXX
当社で最も人気のある引張グリップで、Instron万能試験機の半数以上に設置されています。これらのグリップは使いやすく、非常に汎用性が高く、大量試験に効率的です。最大10kNの荷重容量。
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機械式くさびアクショングリップ
カタログ番号2716-XXX
古典的でシンプルで堅牢な引張グリップ設計。手動くさびアクショングリップは、金属、複合材料、プラスチックに最適です。試験片の装填、アライメント、位置決めが簡単に行えるように設計されています。最大250kNの荷重容量。
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高度なねじ式側面グリップ
カタログ番号2710-XXX
ねじアクショングリップは、試験片を保持するための非常にシンプルで効率的な方法を提供し、生物医学、プラスチックフィルム、電子機器、接着剤の用途で最も一般的に使用されます。最大10kNの荷重容量。
さらに詳しくは
高度油圧式くさび形アクショングリップ
カタログ番号2742-XXX、2743-XXX
ほとんどの金属および複合材料の引張試験用途に利用可能な最高のグリップ。これらを電気機械式システムに設置する場合は、油圧グリップポンプが必要です。最大500kNの荷重容量。
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油圧サイドアクショングリップ
カタログ番号W-54XX
油圧サイドアクティングDuraSync™高容量グリップは、従来のグリップ設計と比較して、グリップ性能、使いやすさ、オペレーターの安全性を向上させます。最大2,000kNの荷重容量。
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伸び計:ひずみ測定のための接触式および非接触式ソリューション
ビデオ伸び計は、高解像度デジタルカメラ技術を使用して、試験片に取り付けられた2つのマーカーの動きを追跡することにより、変形を測定できる非接触伸び計です。
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静的軸方向クリップオン伸び計
カタログ番号2630-XXX
Instronの静的軸方向クリップオン伸び計は、ひずみを測定するための迅速で簡単なソリューションであり、プラスチック、金属、複合材料などの幅広い材料での使用に適しています。
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金属、プラスチック、エラストマーなどの引張試験規格
ほとんどの引張試験は、ASTMやISOなどの標準化団体によって発行された確立された規格に従って実施されます。試験規格は、金属、プラスチック、エラストマー、テキスタイル、複合材料などのさまざまな原材料、および医療機器、自動車部品、家電製品などの完成品に対して、許容される試験パラメータと結果を規定しています。これらの規格は、サプライチェーンに入る材料や製品が予測可能な機械的特性を示し、期待される最終用途で故障する可能性が低いことを保証するものです。製品の故障によるコストや安全面への影響は計り知れないため、企業は、製品が適用規格に適合しているかどうかを容易に判断できるように設計された、高品質で精度の高い試験装置に投資することが推奨されます。
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
ASTM E8、ASTM A370、およびISO 6892は、金属および金属材料の引張試験に関する主要な規格です。金属試験では試験制御の方法が重要な検討事項であり、正確な試験結果を得るためには、クロスヘッドコンプライアンスとひずみ制御を十分に理解する必要があります。
以下は、最も一般的な国際試験規格の一部の一覧です。これらの規格への準拠を確実にすることは複雑になりがちですが、Bluehill Universal®ソフトウェアは、セットアップ時間を短縮し、手順上の誤りのリスクを最小限に抑えるよう設計された事前設定済みの試験方法により、そのプロセスを簡素化します。
- ASTM A370 | 鉄鋼製品の機械的試験に関する標準試験方法および定義
- ASTM A416 | プレストレストコンクリート用低リラクセーション7本より鋼線の標準仕様
- ASTM A48 | ねずみ鋳鉄品の標準仕様
- ASTM A746 | ダクタイル鋳鉄製自然流下式下水道管の標準仕様
- ASTM A996 | コンクリート補強用レール鋼および車軸鋼異形棒鋼の標準仕様
- ASTM C297 | サンドイッチ構造の平面引張強度の標準試験方法
- ASTM D1037 | 木質系繊維板およびパーティクルボード材料の特性評価に関する標準試験方法
- ASTM D1414 | ゴム製Oリングの標準試験方法
- ASTM D1708 | 微小引張試験片を用いたプラスチックの引張特性に関する標準試験方法
- ASTM D2256 | 単糸法による糸の引張特性に関する標準試験方法
- ASTM D3039 | ポリマーマトリックス複合材料の引張特性に関する標準試験方法
- ASTM D4018 | 連続フィラメントカーボンおよびグラファイト繊維トウの特性に関する標準試験方法
- ASTM D412 | 加硫ゴムおよび熱可塑性エラストマーの標準試験方法—引張
- ASTM D4632 | ジオテキスタイルのグラブ破断荷重および伸びに関する標準試験方法
- ASTM D5034 | 織物の破断強度および伸びに関する標準試験方法（グラブ法）
- ASTM D5035 | 織物の破断力および伸びに関する標準試験方法（ストリップ法）
- ASTM D5766 | ポリマーマトリックス複合材料ラミネートのオープンホール引張強度に関する標準試験方法
- ASTM D5961 | ポリマーマトリックス複合材料ラミネートの支圧応答に関する標準試験方法
- ASTM D638 | プラスチックの引張特性に関する標準試験方法
- ASTM D7269 | アラミド糸の引張試験に関する標準試験方法
- ASTM D882 | 薄層プラスチックシートの引張特性に関する標準試験方法
- ASTM A416 | プレストレストコンクリート用低リラクセーション7本より鋼線の標準仕様
- ASTM D885 | タイヤコード、タイヤコード織物、および工業用フィラメント糸の標準試験方法
- ASTM F2150 | ポリマーハイドロゲルの引張試験
- ASTM F606 | 締結具、ワッシャー、直接引張インジケーター、およびリベットの引張試験
- ASTM F2516 | ニッケルチタン超弾性材料の引張試験に関する標準試験方法
- ASTM E8 | 金属材料の引張試験に関する標準試験方法