私たちはしばしば、スチール、アルミニウム、プラスチックなどの素材でできたものを扱っている。材料がどれだけの応力に耐えられるか、専門家がどのように判断しているのか不思議に思ったことはないだろうか。そこで登場するのが、降伏強度と引張強度という2つの重要な材料特性です。この2つの用語はどちらも強度に関係するため、多くの人が混同しています。この混同は、しばしば降伏強度と引張強度の論争につながります。
降伏強度と引張強度は似ているように聞こえるだけである。しかし、これらは応力下での材料挙動の全く異なる段階を表しています。そのため、金属やプラスチックを扱う際には、この2つの違いを知ることが非常に重要なのです。これらの概念を学ぶのが初めてという方もご安心ください！このガイドでは、降伏強度と引張強度の重要な違いについて、できるだけ簡単な方法で説明します。それでは始めましょう！
降伏強度と引張強度の概要
まず、降伏強度とは何かを理解しよう。
降伏強さとは、材料が永久的に変形し始める応力の大きさである。言い換えれば、降伏点では、材料は壊れることなく弾性を失い始める。この点を超えると、材料は元の形状に戻らなくなる。
もっと簡単な言葉で説明しよう。ある素材を伸ばすと、その素材は弾力性を失い始めるポイントにぶつかる。しかし、完全に失われるわけではありません。これが降伏点と呼ばれる正確な点である。つまり、降伏点に達する前であれば、応力が解放されても材料は元の形状に戻ることができるのです。しかし降伏点を過ぎると、材料は元の形状に戻らず、永久に変形することになる。
引張強さとは、材料が破断するまでに扱える最大の力のことです。簡単に言えば、材料が破断し、元の形状に戻らなくなる点である。応力がかかると、永久的に破壊または破断します。
前述したように、降伏点では材料は曲がり始めるか変形し始める。降伏点の前では、材料はまだある程度の応力に耐えることができます。しかし、引張強さは、引張による破断に抵抗する材料の能力の究極的な限界を表しています。引張強さでは、材料に次のような状態が起こります：
- 弾性的に伸びる。
- 降伏する（永久変形が始まる）。
- もっと伸びる。
- 最大ストレスに達する。
- それは壊れる
材料が破断するまでに耐えられる最大の応力が引張強さである。
引張強さと降伏強さの単位
興味深いことに、引張強さも降伏強さも同じ単位で測定される。単位は以下の通り：
- パスカル (Pa)
- メガパスカル（MPa）
- ポンド／平方インチ（psi）
降伏強度と引張強度の比較：主な違い
これで、材料の引張強さと降伏強さについての基本的な理解ができたと思います。そうだろう？では、引張強さと降伏強さを比較してみましょう。
1- 素材の挙動段階
降伏強度と引張強度の主な違いは、応力下で発生する段階である。降伏強度を論じるなら、材料に力が加わったとき、より早い段階で発生すると言える。言い換えれば、降伏点の段階で材料は永久変形を始める。降伏点の前では、応力を取り除くと材料は元の形状に戻ることができる。
降伏段階に達すると、材料はもはや完全に回復しない。反面、引張強さは降伏強さのずっと後にやってきます。基本的には、応力下での材料の挙動の最終段階です。この時点で、材料はすでに降伏点に達しており、最終的に永久変形を起こします。材料は引っ張られる力に対する抵抗力が最大になり、破断します。
2- 変形の種類
降伏強度と引張強度は、材料にどのような変形を引き起こすかで異なる。変形とは、加えられる応力によって引き起こされる形状の変化を指します。この変化は、加える力によって永久的なものにも一時的なものにもなることを覚えておいてください。例えば、降伏強度の場合、材料は当初弾性変形の段階にあります。
つまり、応力を解放すれば、壊れることなく元の形状に戻るということだ。降伏点を超えると、材料は永久変形を起こす。しかし、引張強度点では、材料は極端な変形を起こす。材料が引張強さに達したとき、材料はすでに変形している。応力を取り除いたとしても、元の形状に戻ることはなく、最終的には破断する。
3- 応力-ひずみ曲線上の位置
応力-ひずみ曲線は、加えられた力に対して材料がどのように反応するかを示すグラフである。この曲線上では、降伏強度と引張強度は異なる位置に現れます。どのように？実は、応力-ひずみ曲線の降伏強度は、曲線の直線部分の端の近くにあります。この位置は、材料が応力下にあるが永久変形していないことを示しています。
これはある種の材料の弾性挙動を示しており、元の形状に戻すことができる。しかし、応力-ひずみ曲線上の引張強さは、曲線の最上部にあります。この曲線の高さは、材料が非常に高い応力を受けており、今にも壊れそうであることを示しています。これは、材料が今にも壊れそうで、永久変形下にあることを示しています。
4- エンジニアリング・デザインにおける役割
エンジニアリング設計では、降伏強度と引張強度は異なるが不可欠な役割を果たす。エンジニアは、材料が特定の作業に対して安全であることを保証するために、この2つの値を使用します。例えば、降伏強度は主に設計限界として使用されます。簡単に言えば、エンジニアにとって降伏強度は超えてはならない安全な境界線なのです。
どのような材料を設計する場合でも、加えられる応力が材料の降伏強度を下回るようにします。これにより、材料が曲がったり、永久的に形状が変化したりすることを防ぎます。逆に、引張強さは主に材料の最大破壊限界を理解するために使用されます。
引張強さを知ることで、エンジニアは材料が破断するまでに耐えられる最大応力を知ることができる。これは、究極的な破損のポイントを決定し、特定の材料の安全性をチェックするのに役立ちます。この値を知ることで、エンジニアは材料の破断を防ぐ方法を模索し始めます。
5- 検査と識別方法
降伏強度と引張強度はどちらも引張試験で測定される。引張試験とは、引っ張ったり伸ばしたりしたときの材料の挙動を測定する実験である。エンジニアが材料の強度、弾性、破断点を理解するのに役立ちます。この実験に使用される機械は 引張試験機.
それは 試験装置 引張試験機には2つのクランプがあり、1つはサンプルの上部を、もう1つは下部を固定します。引張試験機のスイッチを入れると、試料がゆっくりと引っ張られます。時間の経過とともに、加えられた応力と材料の伸びが記録される。
その後、試験機は自動的に応力-ひずみ曲線を作成します。この曲線から、材料の引張強さと降伏強さを読み取ることができます。正確で一貫性のある結果を保証するため、引張試験は国際試験規格に従って行われます。それには以下のようなものがあります：
- ASTM（米国材料試験協会）規格：ASTM E8 金属用
- ISO（国際標準化機構）規格：ISO 6892。
6- 素材選択の重要性
引張強さと降伏強さはどちらも適切な材料を選ぶのに役立つが、その方法は異なる。どのように？例えば、材料の形状が重要な場合、降伏強度は非常に重要です。エンジニアは降伏強度の高い材料を選びます。これにより、部品が通常の条件下で永久に変形しないことが保証されます。
一方、引張強度は極度の応力下でも破断しない材料を選ぶのに役立ちます。引張試験を通して、エンジニアは材料の最大破断強度を決定します。その結果、過酷な条件下でも材料が突然壊れることはないと確信できるのです。要するに、引張強度は材料が壊れないことを保証します。しかし、降伏強度は材料がその形状を保つことを保証します。
7- 実際のアプリケーションでの使用
降伏強度と引張強度は単なる理論上の概念ではありません。どちらも様々な用途で使用され、メーカーが最も信頼性の高い材料を選択するのに役立っています。例えば、降伏強度の用途について説明すると、以下のようなものがある：
- 梁と橋を作る 降伏強度は、構造物に使用される鋼材が変形しないように選択するのに役立つ。
- 自動車フレーム： 降伏強度は、自動車部品が走行中も形状を維持できるようにするのに役立つ。
- 機械部品： シャフト、ギア、レバーは、変形することなく大きな荷重に耐えなければなりません。降伏強度は、これらの機械部品の信頼性を確保するのに役立ちます。
それでは、様々な分野における引張強度の用途について説明しよう。
- ケーブルとロープ 引張強度は、エレベーターやクレーンで使用されるケーブルが壊れないようにするのに役立つ。
- ファスナーとボルト引張強度は、ファスナーが壊れることなく部品同士を確実に固定するのに役立ちます。
- 航空機部品： 使用されている素材は安全で、重い荷重にも耐えられる。
なぜ降伏強度は引張強度よりも重要なのか？
降伏強度は、材料がいつ曲がり始めるか、あるいは永久的に形状が変化し始めるかを決定するため、より重要である。現実の世界では、エンジニアは主に材料の形状と機能に注目する。材料が変形すると、たとえ壊れなかったとしても深刻な問題を引き起こす可能性があります。そのため、エンジニアや専門家は材料の降伏強度を重要視します。
その結果、特定の材料にかかる応力が降伏点以下であることを確認し、材料が変形しないようにする。しかも、引張強さは降伏強さよりもはるかに高い。通常の状態では、材料が降伏点に達することはほとんどない。そのため、通常の設計材料では引張強さはそれほど重要ではありません。要するに、引張強度が重要なのは緊急時だけなのだ。これにより、安全性、安定性、長期的な性能を維持することができる。
結論
引張強さと降伏強さは、材料科学における重要な用語である。しかし、多くの人は混同し、しばしば両者を同じものと考えてしまいます。そこで今回は、引張強さと降伏強さの主な違いについて考えてみました。例えば、降伏強度は材料が変形し始める点です。このポイントより前であれば、材料は元の形状に戻ることができます。
降伏強度を超えると、材料は元の形状に戻ることができなくなる。これに対して引張強さは、材料が破断するまでに耐えられる最大応力である。材料が耐えられる最大の応力を示しています。この点は降伏強さよりもずっと後になります。この時点で、材料は元の形状に戻ることはできません。引張強さと降伏強さの違いを知っていれば、適切な材料を選ぶことができます。