降伏強さと引張強さ: 材料科学における主要な違い

材料科学では、強度はあらゆる用途に使用される各材料の根幹です。この記事では、降伏強度と引張強度という 2 つの重要な特性について説明します。これらは類似しているか相互に関連しているように見えますが、実際には、両方とも荷重または応力下で特定の材料の異なる側面を表します。安全性、復元力、寿命などの要素を確保するためにアプリケーションを調整するには、両方の特性の違いと類似点を理解することが重要です。これに加えて、ASTM 規格は、これらの機械的特性の違いに大きな影響を与え、あらゆる用途の材料や設計を選択する際に重要かつ敏感になります。

材料の機械的性質の概要

機械的特性は、材料科学の分野でさまざまな用途の特定の要件を満たす際に大きな目的を果たします。航空宇宙から自動車、製造に至るまで、業界を問わず、これらの特性は材料の選択と設計において最も重要です。他のすべての特性の中でも、当社が特に注目しているのは、降伏強度とともに引張強度です。材料の永久変形につながる点は降伏強度を指し、材料が破損する前に耐えることができる最大荷重または応力は引張強度を示します。

それとは別に、主な機械的特性を以下に示します。

図 1. 機械的特性

降伏強度を理解する

定義と意義

降伏強度は、永久変形を引き起こさない特定の材料の最大耐荷重能力です。したがって、弾性領域から塑性領域への変換点となります。

この特性の重要性は、それ自体が材料の安全な操作にとって重要なパラメーターであることが証明されている材料設計と構造的完全性を扱う際に、その役割がどれほど重要であるかによって決まります。次に、この特性は、エンジニアが材料が破損する前にどの程度の負荷に耐えられるかを調査して判断するのに役立ちます。

弾性変形と塑性変形:

表 1. 弾性変形と塑性変形

材料の選択と設計における役割:

• 材料強度
• 安全性と信頼性
• 化する強力なツール群

降伏強度に影響を与える要因

1. 材料構成: 炭素鋼とは何ですか?

鉄と炭素を主成分とし、Mn、Si、Sなどの合金元素を少量加えた鋼を炭素鋼といいます。炭素の量は 0.05% ～ 2% の範囲であり、他のさまざまな機械的特性とともに降伏強度に影響を与えます。 C 含有量が高いと固溶強化メカニズムにより降伏強度が向上しますが、炭素量が多すぎると鋼の脆化が生じます。

図2。炭素鋼

2. 熱処理と環境条件

熱処理と環境条件も材料の降伏強度に大きな影響を与えます。

• 熱処理: 焼き入れや焼き戻しなどの熱処理方法は、炭素鋼の微細構造を変化させ、降伏強度を変更する可能性があります。焼入れは、油または水中で急速に冷却することで降伏強度を高めます。一方、焼き戻しは全体の靭性を高め、焼き入れによって生じる脆性を低下させます。
• 環境条件: 温度、湿気、湿度、および過酷で攻撃的な腐食性物質への曝露は、材料の降伏強度に大きな影響を与えます。

降伏強度の測定

1. 応力-ひずみ曲線: 降伏応力の視覚化

                曲線上の降伏点を特定すると、その点に対応する応力が材料の降伏強さになります。さらに、材料の降伏点が適切に定義されていれば、降伏点での応力軸からの読み取りを直接行うことができます。そうでない場合は、別のアプローチ (0.2% オフセット法) を使用することもできます。この方法は、曲線の直線部分に平行線を引いて、それをひずみのパーセント値でオフセットすることで構成されます。

2. 標準的な試験方法

降伏強度を決定するにはいくつかの方法が使用されます。一般的なものを以下に示します。

引張試験:

• 破壊する前に、材料試験片には最大の力 (引張) がかかります。
• テストから得られたその後の応力-ひずみ曲線は、降伏強度に加えて貴重なデータを特定します。

オフセット方法:

• 指定された量の塑性変形 (通常は 0.2% ひずみ) を使用して降伏強度が決定されます。

これらの方法は、ASTM や ISO などの組織によって設定された確立された基準に従っており、降伏強度測定の効率、精度、一貫性を保証します。

引張強度の調査

引張強さの定義

破損することのない最大耐荷重能力は、引張強度として定義されます。この特性により、エンジニアは引っ張り力、つまり材料が永久的な損傷を引き起こすことなく耐えることができる張力下での伸びや伸びを評価することができます。

究極の応力点と究極の強度:

極限応力点とは、特定の材料が破断する点を指しますが、その結果得られる応力の値は極限強度または極限引張強さ (UTS) として知られており、材料が完全に破壊するまでに耐えることができる最大の応力です。

材料欠陥との関係:

引張強度は、あらゆる材料にとって、張力下での破損の危険性を知るための重要なパラメータです。引張荷重にさらされると、材料の変形、つまり弾性領域から塑性領域への変形が発生します。最終的に、加えられた荷重が材料の引張強度を超えると、破断点に至り、最終的には破壊につながります。

引張強さの決定要因

鋼の引張強さの決定要因には、材料の種類、微細構造、製造プロセス、および適用される材料に関連するさまざまな要因が含まれます。

材料の種類と微細構造:

材料の種類と微細構造は、引張強度を決定する際に重要な役割を果たします。これは、オーステナイト鋼と比較して、マルテンサイト変態および析出硬化グレードの引張強度が高い二相ステンレス鋼を例に挙げることでさらに説明できます。

それとは別に、Cr、Mb、Ni などの合金元素も、鋼部品の機械的特性と耐食性に大きな影響を与えます。たとえば、446 などの高クロム フェライト グレードは、高い熱間強度を示します。

製造プロセスと適用材料:

• 製造中の合金の添加は、コンポーネント材料の強化特性、特に Mn、Nb、V などの合金の引張強度を高めるために行われます。ただし、合金の添加により、溶接性、靭性、延性などの他の特性が損なわれる可能性があります。
• 機械加工も引張強さの向上に大きく影響し、特に鋼材が圧延されると強度が増します。
• 焼きならし、焼き入れ、焼き戻しなどのさまざまな熱処理プロセスや熱機械圧延は、鋼の引張強度やその他のさまざまな機械的特性に大きな影響を与えます。

引張強さの試験

1. 引張試験装置

引張試験に使用する装置は次のとおりです。

引張試験機:

1. 別名万能試験機、
2. 増加した引張力が材料試験片に加えられ、破断します。
3. これは、加えられた力を測定するロードセルと、試験片を掴んで伸ばすためのクロスヘッドで構成されています。

図3 引張試験機

伸び計：

1. サンプル試験片に取り付けて、発生した伸びや変形量を測定します。
2. 引張強度の計算に重要なひずみに関するデータが得られます。

図 4. 伸び計

2. 引張強さの計算方法: 試験結果の解釈

この材料の強度を決定するには、次の手順を使用します。

• 断面積の決定
• 応力の計算
• 極限引張強さ (UTS) を特定する
• テスト結果を解釈する。

降伏強さと引張強さ: 違いは何ですか?

比較解析

表 2. 降伏点と引張強さの関係

YouTubeリンク：

https://youtu.be/ad6HrMoONow?si=YIzCFYzHRyinhlI9

応力-ひずみ曲線のグラフ表示:

• 降伏強度: 応力ひずみグラフに示されているように、曲線の直線部分、つまり弾性領域からの曲線の偏差が降伏点です。
• 引張強度: 応力-ひずみグラフ上のピーク点。材料が破損する前に耐えることができる最大応力を示します。

図 5. 降伏強さと引張強さを示す応力-ひずみ曲線

さまざまな材料の降伏強度と引張強さ

表 3. さまざまな材料の降伏強度と引張強さ

特定の用途向けの材料の選択

CNC 加工では:

CNC 加工では、望ましい機械加工製品を実現するために、材料の選択が常に重要な側面となります。引張強さの高い材料として考えられるステンレス鋼やチタンは、真鍮やアルミニウムなどの降伏強度の低い材料よりも特定のパラメータが必要です。

デザインの場合:

特定の用途向けに材料を選択する際には、デザインも考慮する必要があります。材料の早期破損や早期破損を防ぐためには、特に高荷重や応力負荷にさらされる場合に高い引張強度が重要です。

安全上の考慮事項:

安全性を考慮する場合、この特性はエンジニアが特定の用途に対して選択を行うための重要な情報を提供するため、重要な役割を果たします。定義自体が述べているように、降伏強度は永久変形前の点を示します。

延性の例と曲がった分子幾何学:

複雑な幾何学的形状が必要な場合や、ある程度の曲げが必要な用途では、アルミニウム合金やさまざまな鋼種のような高延性材料が好まれます。このような材料は、永久的な損傷や破損、つまり材料の破損を生じることなく、塑性変形することができます。したがって、特に曲がった分子形状において最適化された性能と機能を確保でき、構造的完全性が保証された複雑な形状の製造が可能になります。例としては、建築構造物や自動車の車体部品などがあります。

補足トピック

1. 材料科学におけるストレスリリーフ: 製品の信頼性の確保

残留応力は、材料の構造的完全性と信頼性に大きな影響を与えます。したがって、材料科学ではさまざまな応力緩和技術が重要かつ不可欠です。製造中に発生する可能性のあるこれらの内部応力を緩和および軽減する方法がいくつかあります。

2. 形状とデザイン: 材料特性の役割

材料特性の役割は、コンポーネントの設計を変更および形成する際に非常に重要です。材料の安定性に強い影響を及ぼし、依存するさまざまな要因には、強度延性と熱伝導率があります。

3. 最大応力と変形: 材料の限界を理解する

材料の制限は、特に構造の完全性と安全マージンを保証するために理解する必要がある重要な要素です。材料が耐えられる最大荷重または応力を分析および解釈することは、致命的な故障を防ぐために非常に重要です。

4. 括弧を使用する場合: 材料科学における技術データの解釈

括弧は、補足的な情報や単位を示すために技術データで頻繁に使用されます。材料科学データの解釈において括弧をいつ使用するかを理解して解釈することは、情報を正確に伝達し、技術コミュニケーションの精度を保証するために重要です。

5. 引張強度は極限強度と同じですか?ディープダイブ

両方は非常に密接に関連していますが、どういうわけか異なる機械的特性を持っています。違いは、破壊前の応力ひずみ曲線上の最高応力点のみにあり、極限強度が参照されます。一方、最大荷重または応力材料は、引張強度の張力に耐えることができます。

6. 材料科学におけるよくある誤解に対処する

材料科学における誤解は、エンジニアリングと設計の両方のさまざまな用途で精度を高めるために、他の重要な側面と同様に対処する必要があります。硬度と靱性の関係、材料のさまざまな特性に対する温度の影響、そして最も重要なこととして、材料コンポーネントの挙動に対する微細構造の影響や影響など、多くの用語やトピックがあります。

重要なポイントの要約

この記事から得られる重要なポイントは次のとおりです。

• 両方の機械的特性の違いは、材料科学と材料工学において究極的に重要です。
• 引張強さは、材料が破断するまでに耐えることができる最大応力を示します。一方、降伏強度は永久変形点を等級付けします。
• 引張試験と応力-ひずみ曲線の分析により、エンジニアはこれらの特性を正確に測定および分析し、機械加工や安全性に関する意思決定に役立ちます。
• ストレス解消テクニックなどの補足トピックや誤解への対処により、製品の信頼性がさらに高まり、実践における効果的な意思決定が促進されます。
• より深いレベルで、より批判的に概念を理解することで、エンジニアは特定のアプリケーションの各側面を最適化することができます。