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ねじり試験とは?

ねじり試験は、角変位による応力下にある材料やデバイスの特性を評価する機械的試験の一種です。基本的には、試験片をねじり、それに対する反応を測定します。この種の負荷は、車両の動力を伝達するドライブシャフトから、ねじって開けるボトルキャップまで、現実の世界で絶えず発生しています。そのため、ねじり試験は、材料や製品が実際の使用環境でどのように機能するかを理解するための不可欠なツールとなっています。

ねじり試験は、大きく2つのカテゴリーに分けることができます。1つは、金属線やプラスチックチューブなどの原材料を試験して、せん断強度や弾性係数などの基本的な特性を特定することです。もう1つは、ネジ、医薬品ボトル、被覆ケーブルなど、ねじりを受ける完成品の機能試験です。前者のアプローチは、材料サプライヤーやエンジニアが製品に組み込まれる前に材料の特性を把握するのに役立ち、後者は完成した部品やアセンブリが耐用年数を通じて遭遇するねじり力に耐えられることを検証します。

ねじり試験で測定される最も一般的な機械的特性は、せん断弾性係数、せん断降伏強度、最大せん断強度、せん断破断係数、および延性です。これらの特性を合わせることで、エンジニアは、初期の弾性反応から永久変形点、そして最終的な破壊に至るまで、ねじり負荷の下で材料やコンポーネントがどのように振る舞うかの全体像を把握することができます。

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なぜねじり試験を行うのか? | ねじり試験の種類 | ねじり試験装置 | 結果の計算 | 一般的なねじり試験規格

なぜねじり試験を行うのか?

多くの製品やコンポーネントは、動作中にねじり力を受けます。エンジニアがこれらの製品に使用される材料を変更または更新したい場合、ねじり試験が必要になります。例えば、車両のドライブトレインに使用される金属は、使用中に複雑な複合負荷を受けますが、ねじりがその主な成分となります。より燃費の良い車両を設計しようとするエンジニアは、車両重量を減らすためにドライブシャフトの材料を変更する必要があるかもしれません。ねじり試験は、エンジニアが軽量化という目標に貢献しつつ、必要なねじり強度を備えた適切な材料を特定するのに役立ちます。

また、多くの完成品も動作中にねじり力を受けます。バイオメディカルチューブ、スイッチ、ファスナーなどの製品は、日常の使用でねじり応力を受けるデバイスのほんの一例です。製品のねじり試験を行うことで、メーカーは実際の使用条件をシミュレートし、製品の品質を確認し、設計を検証し、適切な製造技術を確保することができます。

ねじり試験セットアップの3つの例:万能材料試験機上のボトルキャップ治具、キーでテストされるドアロックシリンダー、およびねじりグリップ治具に固定されたシリンジまたはバイアル。 | Instron

ねじり試験の種類

ねじり試験は、回転運動のみを加えて行うことも、軸方向(引張または圧縮)とねじりの両方の力を加えて行うこともできます。ねじり試験の種類は製品によって異なりますが、通常は破壊試験、保証荷重試験、または製品動作試験に分類されます。

  • ねじり専用:試験片にねじり負荷のみを加えます。
  • 軸ねじり:試験片に軸方向(引張または圧縮)とねじりの両方の力を加えます。
  • 破壊試験:製品、コンポーネント、または試験片を破壊するまでねじります。破壊は、物理的な破断、または試験片のよじれ/欠陥として分類されます。
  • 保証荷重試験:ねじり負荷を加え、このトルク負荷を一定時間保持します。
  • 機能試験:ボトルキャップ、スイッチ、ダイヤルペン、ステアリングコラムなどの完成したアセンブリまたは製品をテストし、製品がねじり負荷の下で期待通りに機能することを確認します。

ねじり試験装置

ねじり試験は、特定の用途に応じて、いくつかの異なる試験システムで実施できます。 6800シリーズなどの万能材料試験機は、ねじりアドオンを構成することで、バイアキシャル試験(軸方向とねじり方向の同時かつ独立した負荷)が可能になります。完成品の機能試験は、インストロンのElectroPuls®などの動的疲労試験システムで行われることがよくあります。

試験片によっては、ねじり試験には専用のグリップや治具も必要です。例えば、丸線試験片用のワイヤーねじりグリップや、ボトルキャップやファスナーなどの完成品を角負荷の下で滑ることなく確実に保持するように設計されたカスタム治具などがあります。

結果の計算

原材料のねじり試験によって得られるトルク対回転曲線は、多くの点で、軸方向試験中に取得される荷重対変位曲線に類似しています。ほとんどの材料は、せん断弾性係数を表す同様の線形領域を示し、その後に降伏と最終的な破壊が続きます。

軸方向試験と同様に、試験片の形状はねじり試験の結果において重要な役割を果たします。標点距離や断面積の形状などの要因が、計算されたせん断弾性係数や強度値に影響を与える可能性があるため、再現性のある結果を得るには一貫した試験片の準備が重要です。

トルク対回転曲線は、60回転にわたってトルクが約0.5 N-mまで上昇し、その後に試験片の破壊を示す急激な低下を示しています。 | Instron
トルク対回転曲線は、60回転にわたってトルクが約0.5 N-mまで上昇し、その後に試験片の破壊を示す急激な低下を示しています。

一般的なねじり試験規格

ねじり試験は、評価対象の材料や製品に応じて、さまざまな業界規格によって規定されています。下の表は、医療機器、金属線、流体コネクタなど、インストロンがサポートしている最も一般的な規格の一部を示しています。

規格 説明
ASTM F543 骨ネジの軸方向およびねじり試験
ASTM A938 / ISO 7800 金属線のねじり試験
ISO 594 / ISO 80369 円錐ルアー継手の試験
ISO 7206 人工股関節インプラントの耐久性および疲労試験

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