極限引張強さ

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2つのバイスが試験片を引っ張って張力をかけ、試験片を破壊するまで伸ばします。破砕する前に耐える最大応力は、その極限引張強さです。

極限引張強さUTS)、多くの場合引張強さTS)、極限強さ、または方程式の範囲内で、[1] [2] [3]は、材料が破壊される前に引き伸ばされたり引っ張られたりするときに耐えることができる最大応力です。脆性材料では、極限引張強さは降伏点に近くなりますが、延性材料では、極限引張強さはより高くなる可能性があります。

極限引張強さは通常、引張試験を実行し、工学的応力ひずみを記録することによって求められます。応力-ひずみ曲線の最高点は、極限引張強さであり、応力の単位があります。張力ではなく圧縮の場合の等量点は、圧縮強度と呼ばれます。

引張強度が延性部材の設計に影響を与えることはめったにありませんが、脆性部材では重要です。それらは、合金複合材料セラミック、プラスチック、および木材などの一般的な材料について表にされています。

定義

材料の極限引張強さは、示量性と示強性です。したがって、その値は試験片のサイズに依存しません。ただし、材料によっては、試験片の準備、表面欠陥の有無、試験環境や材料の温度など、他の要因に依存する場合があります。

一部の材料は、塑性変形なしに非常に急激に破損し、いわゆる脆性破壊が発生します。ほとんどの金属を含む、より延性のある他のものは、破壊の前に いくらかの塑性変形とおそらくネッキングを経験します。

引張強度は、単位面積あたりのとして測定される応力として定義されます。一部の不均一な材料(または組み立てられたコンポーネント)の場合、力または単位幅あたりの力として報告できます。国際単位系(SI)では、単位はパスカル Pa)(またはその倍数、多くの場合メガパスカル(MPa)、SI接頭辞 megaを使用)です。または、パスカルと同等に、1平方メートルあたりのニュートン(N / m 2)。米国の慣習単位ポンド/平方インチ(lb / in 2またはpsi)。1平方インチあたりのキロポンド(ksi、または場合によってはkpsi)は1000 psiに等しく、引張強度を測定するときに米国で一般的に使用されます。

延性材料

図1:アルミニウムに典型的な「エンジニアリング」応力-ひずみ(σ-ε)曲線
  1. 極限強度
  2. 降伏強さ
  3. 比例限界応力
  4. 骨折
  5. オフセットひずみ(通常0.2%)
図2:構造用鋼に典型的な「エンジニアリング」(赤)および「真」(青)の応力-ひずみ曲線

多くの材料は、図1から点3に示すように、線形応力-ひずみ関係によって定義される線形弾性挙動を示すことができます。材料の弾性挙動は、多くの場合、図1に点2で表される非線形領域にまで及びます。 「降伏点」)、荷重を取り除くと変形が完全に回復可能になるまで。つまり、引張り状態で弾性的に荷重がかけられた試験片は伸びますが、除荷すると元の形状とサイズに戻ります。この弾性領域を超えて、鋼などの延性材料の場合、変形は塑性です塑性変形した試験片は、荷降ろし時に元のサイズと形状に完全には戻りません。多くのアプリケーションでは、塑性変形は許容できず、設計上の制限として使用されます。

降伏点の後、延性金属はひずみ硬化の期間を経ます。この期間では、ひずみの増加に伴って応力が再び増加し、塑性流動により試験片の断面積が減少するため、それらはくびれ始めます。十分に延性のある材料では、ネッキングが大きくなると、エンジニアリングの応力-ひずみ曲線が反転します(曲線A、図2)。これは、ネッキング前の元の断面積を想定してエンジニアリング応力が計算されるためです。反転点は、工学的応力-ひずみ曲線の最大応力であり、この点の工学的応力座標は、点1で与えられる極限引張強さです。

延性静的部材の設計では、設計手法によって降伏応力の使用が指示されるため、極限引張強度は使用されませんただし、テストが容易なため、品質管理に使用されます。また、未知のサンプルの材料タイプを大まかに決定するためにも使用されます。[4]

極限引張強さは、脆性材料で作られた設計部材に共通の工学的パラメータです。そのような材料には降伏点がないためです。[4]

テスト

引張応力試験後の丸棒試験片
破損後のアルミニウム引張試験サンプル
「カップコーン」特性故障パターンの「カップ」側
「カップ」の形をしている部分と「コーン」の形をしている部分があります

通常、テストでは、断面積が固定された小さなサンプルを採取し、サンプルが破損するまで一定のひずみ(ゲージ長の変化を初期ゲージ長で割った値)で張力計を 使用して引っ張ります。

一部の金属を試験する場合、押し込み硬度は引張強度と直線的に相関します。この重要な関係により、手持ち式のロックウェル硬さ試験機などの軽量で持ち運び可能な機器を使用した、経済的に重要なバルク金属配送の非破壊検査が可能になります。[5]この実際的な相関関係は、金属加工産業の品質保証が実験室や万能試験機をはるかに超えて拡張するのに役立ちます

典型的な引張強さ

一部の材料の典型的な引張強度
材料 降伏強度
(MPa)
極限引張強さ
(MPa)
密度
(g / cm 3
鋼、構造ASTMA36鋼 250 400〜550 7.8
スチール、1090マイルド 247 841 7.58
クロム-バナジウム鋼AISI6150 620 940 7.8
鋼、2800マルエージング鋼[6] 2617 2693 8.00
スチール、AerMet 340 [7] 2160 2430 7.86
鋼、サンドビックサニクロ36Mo伐採ケーブル精密ワイヤー[8] 1758年 2070 8.00
鋼、AISI 4130、
水焼入れ855°C(1570°F)、480°C(900°F)気性[9]
951 1110 7.85
スチール、API 5L X65 [10] 448 531 7.8
鋼、高張力合金ASTM A514 690 760 7.8
アクリル、クリアキャストシート(PMMA)[11] 72 87 [12] 1.16
高密度ポリエチレン(HDPE) 26–33 37 0.85
ポリプロピレン 12〜43 19.7〜80 0.91
鋼、ステンレスAISI 302 –冷間圧延 520 [要出典] 860 8.19
鋳鉄4.5%C、ASTM A-48 130 200 7.3
リキッドメタル」合金[要出典] 1723年 550〜1600 6.1
ベリリウム[13] 99.9%Be 345 448 1.84
アルミニウム合金[14] 2014-T6 414 483 2.8
ポリエステル樹脂(非強化)[15] 55 55  
ポリエステルとチョップドストランドマットラミネート30%Eガラス[15] 100 100  
S-ガラスエポキシ複合材[16] 2358 2358  
アルミニウム合金6061-T6 241 300 2.7
銅99.9%Cu 70 220 [要出典] 8.92
白銅10%Ni、1.6%Fe、1%Mn、バランスCu 130 350 8.94
真鍮 200 + 500 8.73
タングステン 941 1510 19.25
ガラス   33 [17] 2.53
E-ガラス 該当なし ラミネートの場合は1500、
ファイバーのみの場合は3450
2.57
S-ガラス 該当なし 4710 2.48
玄武岩繊維[18] 該当なし 4840 2.7
大理石 該当なし 15 2.62.6
コンクリート 該当なし 2–5 2.7
カーボンファイバー 該当なし ラミネートの場合は1600、
ファイバーのみの場合は4137
1.75
カーボンファイバー(東レT1100G)[19]
(最強の人造繊維)
  7000ファイバーのみ 1.79
人間の髪の毛 140〜160 200〜250 [20]  
  350〜500 0.4
スパイダーシルク(下記の注を参照) 1000 1.3
スパイダーシルク、ダーウィンの樹皮スパイダー[21] 1652
カイコシルク 500   1.3
アラミドケブラーまたはトワロン 3620 3757 1.44
UHMWPE [22] 24 52 0.97
UHMWPEファイバー[23] [24](ダイニーマまたはスペクトル) 2300〜3500 0.97
ベクトラン   2850〜3340  
ポリベンゾオキサゾール(ザイロン)[25] 2700 5800 1.56
木、(木目と平行)   40  
(手足) 104〜121 130 1.6
ナイロン、成形、6PLA / 6M [26] 75-85 1.15
ナイロン繊維、引き抜き[27] 900 [28] 1.13
エポキシ接着剤 12〜30 [29]
ゴム 16  
ボロン 該当なし 3100 2.46
シリコン、単結晶(m-Si) 該当なし 7000 2.33
超高純度シリカガラス光ファイバーストランド[30] 4100
サファイア(Al 2 O 3 25°C
で400、500°Cで275、1000°Cで
345
1900年 3.9–4.1
窒化ホウ素ナノチューブ 該当なし 33000 2.62 [31]
ダイヤモンド 1600 マイクロスケールで2800〜80〜90
GPa [32]
3.5
グラフェン 該当なし 固有の130000; [33]
エンジニアリング50000–60000 [34]
1.0
最初のカーボンナノチューブロープ 3600 1.3
カーボンナノチューブ(下記注を参照) 該当なし 11000〜63000 0.037〜1.34
カーボンナノチューブ複合材料 該当なし 1200 [35] 該当なし
高強度カーボンナノチューブフィルム 該当なし 9600 [36] 該当なし
鉄(純粋な単結晶) 3 7.874
カサガイPatellavulgata歯(針鉄鉱 ウィスカー ナノコンポジット 4900
3000〜6500 [37]
^ a値の多くは、製造プロセスと純度または組成に依存します。
^ b多層カーボンナノチューブは、これまでに測定された材料の中で最も高い引張強度を持ち、1回の測定値は63 GPaであり、理論値の1つである300GPaをはるかに下回っています。[38]引張強度が公表された(2000年に)最初のナノチューブロープ(長さ20mm)の強度は3.6GPaでした。[39]密度は製造方法に依存し、最小値は0.037または0.55(実線)です。[40]
^ cスパイダーシルクの強度は大きく変動します。それは、絹の種類(すべてのクモは雑多な目的でいくつかを生産することができます)、種、絹の年齢、温度、湿度、試験中に応力が加えられる速さ、長さの応力、および絹の状態を含む多くの要因に依存します集められた(強制的な絹または自然な回転)。[41]表に示されている値、1000 MPaは、いくつかの異なる種のクモを含むいくつかの研究の結果を大まかに表していますが、特定の結果は大きく異なります。[42]
^ d人間の髪の毛の強さは、民族や化学処理によって異なります。
焼きなましされた要素の典型的な特性[43]
エレメント ヤング

(GPa)
オフセットまたは
降伏強度
(MPa)
極限
強度
(MPa)
ケイ素 107 5000〜9000
タングステン 411 550 550〜620
211 80〜100 350
チタン 120 100〜225 246〜370
130 117 210
タンタル 186 180 200
47 9–14 15〜200
亜鉛合金 85〜105 200〜400 200〜400
ニッケル 170 140〜350 140〜195
83 170
ゴールド 79 100
アルミニウム 70 15〜20 40〜50
リード 16 12

も参照してください

参考文献

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さらに読む