材料力学 · 2023-11-17

応力–ひずみ曲線の読み方：降伏強度・引張強さ・0.2%オフセット

この記事はAIの支援を受けて原文を翻訳したものです。専門用語や数式は原文とあわせて確認してください。

応力–ひずみ曲線は、引張試験で材料がどれだけ耐え、どのように変形するかを示すグラフです。初期の傾きから弾性係数、降伏付近から塑性変形の開始、最高点から引張強さ、最後の点から破断を読み取ります。この記事では公称応力と公称ひずみを基準に説明します。

曲線を読む順序

まず横軸のひずみが比率か%かを確認し、縦軸の応力の単位も確認します。次に、初期の直線、降伏、最高点、破断点の順に見ます。下図は一般的な延性材料の挙動を説明する例であり、すべての材料が同じ形を示すわけではありません。

弾性変形は、荷重を除くと回復する変形です。線形弾性領域ではσ = Eεで、Eは応力変化をひずみ変化で割った傾きです。応力をMPa、ひずみを無次元比で代入すれば、EもMPaになります。弾性係数が大きいほど、同じ応力での弾性ひずみは小さくなります。

弾性係数は剛性を表し、降伏強度や引張強さとは別の値です。弾性挙動が必ず線形という意味でもありません。

明確な降伏点のない材料には、所定の永久ひずみに対応するオフセット降伏強度を使います。0.2%オフセット法では、ひずみ軸のε = 0.002から初期弾性直線と平行な線を引き、曲線との交点の応力を読みます。

0.2% = 0.002であり、0.002%ではありません。交点とは2本の線が交わる点で、接線条件ではありません。実際の試験では、適用規格の定義とひずみの測定方法を確認します。

塑性変形は、荷重を除いた後に残る永久変形です。降伏後も弾性変形と塑性変形が共存する場合があります。応力とひずみが引き続き線形に比例すると仮定してはいけません。

加工硬化（strain hardening）は、塑性変形が進むほど、さらに変形するために必要な応力が増える現象です。金属では転位の増殖や相互作用などが関係し、その程度は材料、温度、変形条件によって変わります。

公称引張強さ（UTS）は最大荷重Fmaxを初期断面積A0で割った値です。公称応力–ひずみ曲線の最高点であり、破断瞬間の応力と必ずしも同じではありません。

くびれ（necking）は、試験片の一部に変形と断面減少が集中する現象です。一般的な延性金属の引張試験では、最大荷重後にくびれが進むと公称応力が下がる場合があります。公称応力は初期断面積で計算するため、その瞬間の実断面積を使う真応力と区別する必要があります。

延性材料は破断前の塑性変形が比較的大きく、脆性材料は塑性変形が少ない状態で破壊する場合があります。明確な降伏点がない場合もあるので、「降伏強度付近で必ず破断する」と一般化しません。挙動は試験温度、速度、欠陥などにも影響されます。