引張強さと降伏強さ: 失敗を決めるもの?

材料工学および構造設計の分野, 引張強さと降伏ほど基本的であり、頻繁に誤解されている概念はほとんどありません。 強さ.

これら 2 つの機械的特性が材料選択の基礎となります, 構造解析, そして故障予測.

まだ, エンジニア, デザイナー, そして学生はしばしばそれらとの区別を明確にするのに苦労します。, もっと重要なこと, 現実世界のアプリケーションにおける材料の故障を支配するのはどれか.

短い答えは次のとおりです: どちらも重要です, しかし、理由も状況も異なります.

降伏強度は、材料が永久に変形し始める時期を決定します。, 最終的にいつ破断するかは引張強さによって決まります.

過度の変形によるものであれ、壊滅的な破壊によるものであれ、破損モードは材料によって異なります。, アプリケーション, そしてその設計哲学.

この記事は包括的なものを提供します, 引張強度と降伏強度の厳格な試験.

1. 応力とひずみの関係を理解する: 材料破損解析の基礎

比較する前に 降伏強度 そして 抗張力, 応力とひずみの基本的な関係を理解することが不可欠です.

The 応力-ひずみ曲線 外部負荷を受けたときに材料がどのように反応するかの全体像を提供するため、機械工学および材料科学において最も重要なツールの 1 つです。.

ほぼすべてのエンジニアリング材料は、力が加わると何らかの変形を起こします。.

材料がどのように変形するか、元の形状に戻るかどうか, 永久に形を変える, または完全に骨折 - 内部構造に応じて, 構成, 製造プロセス, と積載条件.

工学的な応力-ひずみ曲線

応力-ひずみ曲線は、標準化された試験片に着実に増加する引張荷重を加え、その結果生じる伸びを測定することによって得られます。.

曲線は個別の領域に分割されます, それぞれが特定の機械的動作に対応します.

応力-ひずみ曲線の重要なポイント

応力-ひずみ曲線から得られる主な機械的特性を以下にまとめます。:

2. 降伏強度とは何ですか?

降伏強度は、エンジニアリング材料の耐荷重能力と信頼性を評価するために使用される最も重要な機械的特性の 1 つです。.

材料が変化する応力レベルを定義します。 弾性変形, 荷降ろし後に元の形状に戻ることができる場所, に 塑性変形, 永久変形が発生する場所.

エンジニアリングの実践において, 降伏強度は多くの場合、 主要な設計限界 多くのコンポーネントは、許容できない永久変形が発生すると故障したとみなされるためです。, たとえ骨折していなくても.

例えば, 負荷がかかると永久に曲がる鋼製の支持構造, 寸法精度が損なわれるバルブ部品, または、許容限界を超えて変形した圧力容器が物理的に無傷のままである可​​能性があります。, しかし、これらの状況は安全性とパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります.

したがって, 降伏強度は、単に材料強度の尺度ではなく、許容可能な動作と不可逆的な機械的損傷との境界を表します。.

降伏強度の定義と物理的意味

降伏強度 (σY) 材料が永久塑性変形を開始する応力として定義されます。.

降伏点に到達する前に, 応力とひずみの関係はほぼ線形のままです.

材料は弾性挙動に従います, つまり、外部負荷が取り除かれると、, 原子は元の位置に戻り、コンポーネントは最初の形状を回復します.

しかし, 加えられた応力が降伏強度を超えた場合, 物質構造内で不可逆的な変化が起こる.

結晶格子内の転位が動き始める, 原子層は相互にスライドします, そして永久変形が進行する.

この動作は次のように要約できます。:

弾性変形→降伏→塑性変形→破壊

材料に適用される工学応力は次のように計算されます。:

σ=F/A₀

どこ:

• a = エンジニアリングストレス (MPA)
• f = 加えられる引張力 (n)
• A₀ = 元の断面積 (mm²)

降伏強度は、材料が純粋な弾性挙動から逸脱し始める応力値に対応します。.

耐力が工学設計において重要な理由

引張強さは材料が破壊する前に耐えられる最大応力を表しますが、, 通常、耐力は、使用中に形状と寸法安定性を維持する必要があるコンポーネントにとってより重要です。.

コンポーネントが故障したとみなされるために、コンポーネントが壊れる必要はないかもしれない. 多くのアプリケーションで, 永久変形自体が機能的欠陥を意味します.

例えば, 機械システムで:

• シャフトが永久に曲がると、ミスアライメントや過度の振動が発生する可能性があります。.
• バルブ部品が変形するとシール性能が損なわれる可能性があります.
• 精密機械加工された部品に降伏が発生すると、寸法要件を満たさなくなる可能性があります.
• 塑性変形した構造部材は、設計された荷重分散能力を失う可能性があります。.

したがって, エンジニアは通常、適切な安全率を使用して降伏強度以下の動作応力を設計します。.

例えば, 材料の降伏強度が次の場合 500 MPa であり、選択された安全係数は次のとおりです。 2, 推奨される最大設計応力はおよそ次のとおりです。 250 MPA.

降伏強度の決定方法

降伏強度の測定方法は材料の変形特性によって異なります。. 一部の材料は明確な降伏点を示します, 一方、弾性挙動から塑性挙動に徐々に移行するものもあります.

引張試験は、降伏強度を決定するために使用される標準的な方法です。.

テスト中, 標準化された試験片は増加する引張荷重にさらされ、同時に対応する伸びが継続的に測定されます。.

結果として得られる応力-ひずみ曲線から、材料の機械的挙動に関する情報が得られます。.

素材の種類により測定方法が異なります.

The 0.2% オフセット耐力法

多くのエンジニアリング金属は、明確に定義された降伏点を示しません。. その代わり, 弾性変形から塑性変形に徐々に移行します。.

代表的な例としては、:

• アルミニウム合金
• 銅合金
• チタン合金
• 高強度ステンレス鋼

これらの材料については、, エンジニアがよく使うのは、 0.2% オフセット降伏強度法, とも呼ばれます 0.2% 耐力法.

手順には次のものが含まれます:

1. 応力-ひずみ曲線の線形弾性部分の特定.
2. 弾性斜面に平行な線を引く.
3. このラインをひずみ値だけシフトすると、 0.002 (0.2% 永久ひずみ).
4. オフセット線と応力-ひずみ曲線の間の交点の決定.

この交点における応力値が降伏強度として定義されます。.

この方法は、塑性変形への移行が緩やかな材料の不確実性を回避するため、一貫したエンジニアリング標準を提供します。.

一般的なエンジニアリング材料の典型的な降伏強度値

降伏強度は合金組成によって大きく異なります, 熱処理, 製造プロセス, そして素材の状態.

以下の値は、一般的に使用されるエンジニアリング材料の典型的な室温降伏強度を表しています。.

3. 引張強度とは?

引張強さは、破損する前に引張力に耐える材料の能力を評価するために最も広く使用されている機械的特性の 1 つです.

それは、 ネッキングが始まり、耐荷重能力が低下し始める前に、材料が耐えることができる最大引張応力.

降伏強度とは異なります, 永久変形の始まりを定義します, 引張強さは、 究極の体力の限界 引張荷重を受けた材料の.

材料の耐破壊性に関する貴重な情報が得られます。, その耐荷重能力, およびその全体的な機械的性能.

エンジニアリング用途で, 引張強度は、高い引張力を受けるコンポーネントにとって特に重要です, ファスナーなど, ケーブル, 圧力成分, 構造部材, 耐荷重機械部品.

しかし, 引張強さだけでは、材料が特定の用途に適しているかどうかは決まりません。.

完全な材料評価では降伏強度も考慮する必要があります, 延性, タフネス, 疲労抵抗, および環境条件.

引張強さの定義

抗張力, 一般的にと呼ばれます 極限引張強さ (UTS), 局所的な変形と最終的な破壊が始まる前に、材料が引張試験中に耐えることができる最大工学応力として定義されます。.

それは次のように表されます:

σUTS=F_max/A₀

どこ:

• σUTS = 極限引張強さ (MPaまたはpsi)
• F_max = 適用される最大荷重 (Nまたはポンド)
• A₀ = 元の断面積 (mm² または in²)

重要なポイント:

• 引張強さは次のように計算されます。 オリジナル 断面積, ネッキング後の縮小領域ではない.
• 破壊時の真の応力 (これは減少した面積を占めます) 工学的な引張強さよりも高い.
• 引張強さというのは、 破壊に対する抵抗の尺度, 変形しにくい.

引張強さの物理的意味

材料科学の観点から, 引張強度は、引張力が加わった状態での材料の内部構造の分離に抵抗する能力を表します。.

引張荷重が加わった場合:

1. 原子結合は分離に抵抗します.
2. 弾性変形が最初に発生する.
3. 降伏後に塑性変形が始まる.
4. 材料はひずみ硬化により強化され続けます.
5. 引張強度点で最大強度に達します.
6. さらに変形するとネッキングや破断が発生します.

降伏強度と引張強度の差は、破損する前に材料が塑性変形を受ける能力を反映しています。.

延性材料用:

σY<σUTS

降伏強さと引張強さの差が大きいほど, 破損する前に材料が塑性変形する能力が大きいほど、.

引張強さの測定方法

引張強度は標準化された引張試験によって測定されます。.

一般的なテスト手順には次のものが含まれます。:

1. 寸法が既知の標準化された試験片の準備.
2. 万能試験機への試験片の取り付け.
3. 徐々に増加する張力を加える.
4. 伸びと負荷荷重を連続測定.
5. 工学的な応力とひずみの計算.
6. 応力-ひずみ曲線上の最大応力点の特定.

一般的なテスト基準には次のものがあります。:

• 喘息E8/E8M — 金属材料の引張試験の標準試験方法
• ISO 6892-1 — 金属材料の引張試験

一般的なエンジニアリング材料の代表的な引張強さの値

異なる材料は著しく異なる引張強度レベルを示します.

4. 降伏強さと引張強さの主な違い

降伏強度と引張強度は、材料が引張荷重にどのように応答するかを説明するために使用される 2 つの基本的な機械的特性です。.

どちらも応力-ひずみ曲線から得られますが、, 彼らは代表します 物質の挙動のさまざまな段階と故障のさまざまな定義.

本質的な違いは、:

• 降伏強度は、材料が永久的に変形し始める点を定義します。.
• 抗張力 (極限引張強さ, UTS) ネッキングや最終的な破壊が発生する前に材料が耐えることができる最大応力を定義します。.

工学設計において, 降伏強度は通常、 機能障害, 一方、引張強さは 究極の構造破壊.

コンポーネントは降伏強度を超えた後でも物理的に損傷を受けていない可能性があります, でもそれはもう次元を満たさないかもしれない, 運用, または安全要件.

降伏強さと引張強さの比較

さまざまな材料の引張強さと降伏強さの比

5. 材料の破損を決定する指標はどれですか?

かどうかの判断 降伏強度 または 抗張力 材料の破損を制御するということは、答えが 1 つある単純な質問ではありません.

エンジニアリングにおいて, 故障の定義はコンポーネントの機能によって異なります, 積み込みの種類, 物質的な振る舞い, そして被害の結果.

よくある誤解は、材料が「壊れる」のは壊れたときだけだということです。. 現実に, 工学的欠陥は破損のずっと前に発生する可能性があります.

永久に変形したコンポーネント, 寸法精度が失われる, または、意図した機能を実行できなくなった場合は、すでに失敗していると見なされます, たとえ物質が物理的に連続したままであっても.

したがって, 最も正確な解釈は:

降伏強度は、不可逆的な損傷と機能不全の始まりを決定します。, 一方、引張強度は構造破壊に至るまでの最終的な限界を決定します。.

ほとんどの延性金属部品に対応, 通常、材料の可能な最大強度に達することよりも永久変形を防ぐことの方が重要であるため、降伏強度が主要な設計基準となります。.

しかし, 破壊が重要な用途で, 引張強さは致命的な破損を防ぐための重要なパラメータになります.

失敗を理解する: 降伏と破壊

引張荷重下での材料の破損は、一般に 2 つの異なるメカニズムを通じて発生します。: 塑性変形破壊 そして 破壊破壊.

収量障害: コンポーネントが本来の機能を失ったとき

降伏破壊は、加えられた応力が材料の降伏強度を超えると発生します。.

この時点で, 材料が塑性変形領域に入ります, つまり、荷重が取り除かれた後は完全に元の形状に戻らなくなります。.

材料がまだ極限強度に達していないため、コンポーネントは追加の荷重に耐え続ける可能性があります. しかし, 永久変形により、コンポーネントはすでにサービスに適さなくなっている可能性があります.

例えば, 産業機器に使用される精密機械加工シャフトを検討してください。.

シャフトが降伏強度を超える応力を受けた場合, 永久に曲がってしまう可能性があります. 骨折していないのに, 変形が原因となる可能性があります:

• 回転部品間の位置ずれ
• 振動の増加
• ベアリングの早期摩耗
• 操作精度の低下

同様に, バルブコンポーネントは降伏後も無傷のままである可​​能性がありますが、寸法変化によりシール性能が失われます。.

このような状況では, コンポーネントが経験したこと エンジニアリングの失敗, 引張強度に達していなくても.

破壊破壊: 材料が構造的完全性を失った場合

破壊破壊は、材料が極限の引張能力に達し、増大する荷重に耐えられなくなったときに発生します。.

引張試験中, 材料が最初に最大応力値に達する, 極限引張強さとして知られています (UTS). この時点以降, ネッキングと呼ばれる局所的な変形が始まる.

特定の領域で断面積が急激に減少する, 材料の耐荷重能力の低下.

失敗のプロセスには通常、次のようなものがあります。:

• 最大引張応力に達する.
• 局所的なネッキングが発生する.
• 内部欠陥または亀裂が成長する.
• 残りの断面が不足する.
• 最終骨折が発生する.

吊り上げケーブルなどの用途, 構造ファスナー, および航空機コンポーネント, 骨折は突然発生し、壊滅的な結果を引き起こす可能性があるため、最も深刻なタイプの故障です。.

通常、降伏強度が工学設計を制御する理由

ほとんどの構造的および機械的用途に対応, エンジニアは、引張強さ未満ではなく、降伏強さ未満で動作するようにコンポーネントを設計します。.

その理由は、コンポーネントが十分な残留強度を保持している場合でも、永久変形によって性能が損なわれる可能性があるためです。.

延性金属の関係は通常、次のようになります。:

σY<σUTS

これは、材料が降伏が始まった後も追加の荷重を耐え続けることができることを意味します.

しかし, コンポーネントが塑性領域に入るのを許可することは、元の設計の前提がもはや有効ではないため、通常は受け入れられません。.

譲歩の一般的な結果には次のものがあります。:

寸法精度の低下

精密部品は多くの場合、厳密な寸法管理を必要とします. たとえ小さな永久変形であっても、組み立ての精度と性能に影響を与える可能性があります.

疲労寿命の短縮

塑性変形により残留応力と微細構造変化が生じ、疲労亀裂の発生が促進される可能性があります。.

安全マージンの喪失

降伏が発生すると, 破断前の残りの強度マージンが減少する.

このため, 工学設計標準では、通常、許容応力計算の基礎として降伏強度が使用されます。.

引張強さが重大な破壊基準になるとき

降伏強度は多くの工学設計を制御しますが、, 完全な破断を防ぐことが主な要件である場合、引張強さが主要な考慮事項になります。.

これは、障害が直ちに安全上の危険につながる可能性があるアプリケーションでは特に重要です。.

高張力部品

などのコンポーネント:

• サスペンションケーブル
• ワイヤーロープ
• 高力ボルト
• アンカーシステム

主に大きな引張力に耐えるように設計されています.

これらのアプリケーション向け, 主な関心事は、コンポーネントがわずかに変形するかどうかではありません, しかし、壊れずに必要な荷重を支え続けることができるかどうか.

脆い材料

脆性材料は破断する前に塑性変形をほとんどまたはまったく示さないため、引張強度もより重要です。.

例には含まれます:

• 灰色の鋳鉄
• 陶器
• ガラス

延性のある金属とは異なります, 脆性材料には通常、明確に定義された降伏点がありません。. それらの応力-ひずみ曲線は、ほぼ完全な弾性応答とその後の突然の破壊を示しています。.

これらの材料については、:

• 降伏強度は意味がないかもしれない.
• 引張強さは耐破損性のより良い指標となります.
• 破壊靱性が重要な追加特性となる.

なぜ強さだけが失敗を定義しないのか

降伏強さと引張強さは基本的な機械的特性ですが、, 実際の障害は他のメカニズムを通じて発生することがよくあります.

疲労破壊

多くのコンポーネントは、加えられた応力が降伏強度を下回ったままであっても、荷重サイクルを繰り返すと故障します。.

代表的な例としては、:

• 回転軸
• 航空機構造
• エンジンコンポーネント

疲労破壊は次のものに依存します:

• ストレスサイクル
• 表面欠陥
• 材料の微細構造
• 残留応力

クリープ破壊

高温で, 材料は一定の応力を受けるとゆっくりと変形する可能性があります.

これは重要です:

• タービン成分
• ボイラー
• 高温高圧装置

これらの場合, クリープ強度と応力破断特性は、室温での引張強度よりも重要です.

環境障害

材料の性能は環境条件によっても低下する可能性があります.

例には含まれます:

• 腐食
• 水素脆化
• ストレス腐食亀裂

優れた引張特性を備えた材料であっても、十分な耐環境性が欠けていると早期に破損する可能性があります。.

6. さまざまな材料の降伏強度と引張強度

延性材料 (鋼鉄, アルミニウム, 銅)

失敗基準: 延性材料用, 降伏強度 通常、保守性を決定します (変形), その間 抗張力 究極の安全性を司る (骨折). デザイナーは両方を考慮する必要があります.

脆い材料 (鋳鉄, 陶器, ガラス)

失敗基準: 脆性材料用, 抗張力 意味のある唯一の指標です. 材料は弾性限界を超えるとすぐに破壊によって破壊されます。.

高強度合金 (17-4ph, チタン)

失敗基準: 延性が限られた高強度合金用, 両方の指標 重要です.

塑性変形が少ない材質です, したがって、設計では降伏の開始と極限破壊強度の両方を考慮する必要があります。.

7. よくある誤解と証拠に基づく説明

7.1 神話: 引張強さは降伏強さよりも常に重要です.

事実: これは真実ではありません. ほとんどの構造用途に対応, 降伏強度 部品がいつ永久変形するかを決定するため、これが主要な設計基準です。.

引張強さは安全のために重要です, しかし、降伏は保守性の限界です.

証拠: 形鋼設計において (例えば。, AISC, ユーロコード), 設計は降伏強度に基づいています (またはその一部). 引張強度は極限荷重チェックに使用されます.

7.2 神話: 降伏強さと引張強さはすべての材料で同じです.

事実: これは完全に脆い材料にのみ当てはまります (例えば。, セラミックス, ガラス), 塑性変形がないもの. 延性材料用, 2 つの値は大きく異なります.

証拠: 軟鋼の降伏強さは約 250 MPa、引張強さは約 400 MPa です。 60% 違い.

7.3 神話: 引張強さの高い材料は、降伏強さの高い材料よりも常に強いです。.

事実: 「より強い」は強さの定義による. 「強度」がへたりにくさを意味する場合, 降伏強度は適切な尺度です.

「強さ」が壊れにくさを意味するなら, 引張強さは適切な尺度です.

証拠: 引張強さは高いが降伏強さは低い材料 (例えば。, いくつかのポリマー) 低荷重下では永久変形する可能性がありますが、破壊には十分耐えます.

7.4 神話: 降伏強度によって材料がいつ破断するかが決まります.

事実: 降伏強度は材料がどのような状態になるかを決定します。 永久に変形する, 壊れたときではなく. ブレーキング (骨折) 引張強さで発生します (またはネッキング後の骨折点).

証拠: 鉄骨梁は折れる可能性があります (永久にたるむ) で 250 MPa ですが、応力が約 400 MPa に達するまで壊れません.

7.5 神話: 引張強さは、材料が永久変形することなく耐えることができる最大応力です。.

事実: これは間違っています. 降伏強度 永久変形のない最大応力です。. 抗張力 破壊のない最大応力です.

証拠: 応力-ひずみ曲線は、降伏点が引張強さのかなり前に発生することを明確に示しています。.

8. 材料強度の向上: メーカーが降伏強度と引張強度を向上させる方法

エンジニアリング材料の機械的強度を向上させることは、現代の材料科学と製造の主な目的の 1 つです.

マテリアルを変更することで、 化学組成, 微細構造, および加工条件, メーカーは両方を大幅に増やすことができます 降伏強度 そして 抗張力 厳しいアプリケーション要件を満たすために.

材料の強化方法の概要

強化メカニズムが異なると、降伏強度と引張強度にさまざまな影響が生じます。. 次の表は、工業生産で使用される主なアプローチをまとめたものです。.

熱処理: 最も効果的な方法

熱処理は、降伏強度と引張強度の両方を向上させる最も一般的で効果的な方法です。. 効果は素材と処理によって異なります.

重要な洞察: があります トレード・オフ 強度と延性の間. 降伏強度と引張強度を高めると、通常、延性が低下します。 (伸長).

エンジニアはアプリケーション要件に基づいてこれらの特性のバランスを取る必要があります.

9. 実践例: 降伏強さまたは引張強さ?

例 1: 建物内の鉄骨梁

降伏強度がなぜ支配的なのか: ビームは通常の使用荷重下で永久に垂れ下がってはなりません. 降伏すると位置ずれや保守性の問題が発生する可能性があります.

例 2: 圧力容器

両方の指標が重要な理由: 降伏すると壁が薄くなり、破裂の可能性が生じます.

容器は常圧下でも弾性を保つように設計されています (降伏強度) 破裂圧力に耐えるために (抗張力).

例 3: ジョイントをボルトで締める

降伏強度がなぜ支配的なのか: ボルトは降伏することなくプリロードを維持する必要があります. 降伏するとクランプ力が失われ、ジョイントの破損が発生する可能性があります.

例 4: ガラス窓

なぜ引張強さが決まるのか: ガラスは脆くて折れない. 設計では、突然の破損を避けるために、応力が引張強度に決して近づかないようにする必要があります。.

10. 結論

降伏強度も引張強度も材料の破損を普遍的に決定するものではなく、それぞれが異なる破損モードに対応しています。, それらの関連性は、特定のアプリケーションの障害の定義によって異なります。.

降伏強度は機能的故障の境界を示します: 永久変形によりコンポーネントが本来の目的に適さなくなるポイント.

引張強度は壊滅的な破壊の境界を示します: 材料が物理的に破壊し、すべての耐荷重能力を失う点.

サウンド素材の選択には両方の指標を理解する必要があります, それらの物理的な起源と実際的な意味.

最高の設計コンポーネントは、予期しない過負荷に耐えるために十分な引張強度マージンを維持しながら、通常の条件下で降伏を大幅に下回る動作をするように設計されています。.

これら 2 つの故障モードの違いを認識し、それに応じて設計することは、信頼性の高い製品の中核となる能力です。, 費用対効果の高い機械工学.

 

FAQ

降伏強度が引張強度よりも大きくなる可能性がある?

いいえ. 延性材料の降伏強さは常に引張強さよりも低くなります。.

脆性材料用, 2 つはほぼ等しい (または引張強度が若干高い). 降伏強度が引張強度を超えることは物理的に不可能です.

何ですか 0.2% オフセット法?

The 0.2% オフセット法は、明確な降伏点がない材料の降伏強さを定義するために使用されます。 (例えば。, アルミニウム, 銅).

弾性勾配に平行な線が次の位置に引かれます。 0.2% 歪み, 応力-ひずみ曲線との交点が降伏強度を示します。.

工学的応力と真の応力の違いは何ですか?

工学的応力は元の断面積を使用して計算されます.

真の応力は瞬間断面積を使用して計算されます。 (ネッキング中に減少する). 真の応力は工学的応力よりも高い, 特にネッキングが始まった後.