シャルピー衝撃試験

材料科学において、シャルピー衝撃試験（シャルピーVノッチ試験とも呼ばれる）は、破壊時に材料が吸収するエネルギー量を測定する標準化された高ひずみ速度試験である。吸収エネルギーは、材料のノッチ靭性の尺度である。準備と実施が容易で、結果を迅速かつ安価に得ることができるため、業界で広く使用されている。欠点は、一部の結果が比較のみである点である。^[1]この試験は、第二次世界大戦中の船舶の破壊問題を理解する上で極めて重要であった。^{[2] [3]}

この試験は1900年頃にSBラッセル（1898年、アメリカ人）とジョルジュ・シャルピー（1901年、フランス人）によって開発されました。^[4]この試験は、シャルピーによる技術的貢献と標準化の取り組みにより、1900年代初頭にシャルピー試験として知られるようになりました。

1896年、SBラッセルは残留破壊エネルギーという概念を導入し、振り子破壊試験を考案した。ラッセルの最初の試験では、ノッチのないサンプルを測定した。1897年、フレモントはバネ仕掛けの機械を使用して同じ現象を測定する試験を導入した。1901年、ジョルジュ・シャルピーは、再設計された振り子とノッチ付きサンプルを導入し、正確な仕様を示すことでラッセルの試験を改良した標準化された方法を提案した。^[5]

この装置は、既知の質量と長さを持つ振り子で構成されており、これを既知の高さから落下させて、ノッチ付きの材料の試験片に衝突させます。破断前後のハンマーの高さの差を比較することで、材料に伝達されるエネルギーを推測できます (破断イベントによって吸収されるエネルギー)。

サンプルのノッチは衝撃試験の結果に影響を与えるため^{[6]、ノッチは規則的な寸法と形状である必要があります。サンプルのサイズも結果に影響を与える可能性があります。寸法によって材料が}平面ひずみ状態にあるかどうかが決まるからです。この違いは結論に大きな影響を与える可能性があります。^[7]

金属材料のノッチ付きバー衝撃試験の標準的な方法は、 ASTM E23、^[8]、 ISO 148-1 ^[9]、またはEN 10045-1（廃止され、ISO 148-1に置き換えられました）^[10]に記載されており、そこでは試験のすべての側面と使用される機器が詳細に説明されています。

衝撃の定量的結果は、材料を破壊するために必要なエネルギーをテストし、材料の靭性を測定するために使用できます。降伏強度との関連がありますが、標準的な式で表現することはできません。また、ひずみ速度が破壊に与える影響について調査および分析することもできます。

延性脆性遷移温度( DBTT) は、材料を破壊するために必要なエネルギーが劇的に変化する温度から導き出すことができます。しかし、実際には急激な遷移はなく、正確な遷移温度を得ることは困難です (実際には遷移領域です)。正確な DBTT は、特定の吸収エネルギー、破壊の様相の変化 (面積の 50% がへき開であるなど) など、さまざまな方法で経験的に導き出すことができます。^[1]

衝撃試験の定性的な結果は、材料の延性を判断するために使用できます。 ^[11]材料が平面で破損した場合、その破壊は脆性であり、材料がギザギザのエッジまたはせん断リップで破損した場合、その破壊は延性です。通常、材料はどちらか一方の方法でのみ破損することはないため、破損のギザギザの表面積と平面の面積を比較すると、延性破壊と脆性破壊の割合を推定できます。^[1]

ASTM A370 ^[12]によれば、シャルピー衝撃試験の標準試験片サイズは10 mm × 10 mm × 55 mmです。サブサイズ試験片サイズは、10 mm × 7.5 mm × 55 mm、10 mm × 6.7 mm × 55 mm、10 mm × 5 mm × 55 mm、10 mm × 3.3 mm × 55 mm、10 mm × 2.5 mm × 55 mmです。試験片の詳細は、ASTM A370（鉄鋼製品の機械試験の標準試験方法および定義）に準拠しています。

EN 10045-1（廃止されISO 148に置き換えられた）^[10]によれば、標準試験片サイズは10 mm × 10 mm × 55 mmである。サブサイズ試験片は10 mm × 7.5 mm × 55 mmと10 mm × 5 mm × 55 mmである。

ISO 148 ^[9]によれば、標準試験片サイズは10mm×10mm×55mmである。サブサイズ試験片は10mm×7.5mm×55mm、10mm×5mm×55mm、10mm×2.5mm×55mmである。

^{MPIF規格40 [13]}によれば、ノッチなし試験片の標準サイズは10 mm（±0.125 mm）×10 mm（±0.125 mm）×55 mm（±2.5 mm）である。

温度による破壊モードの変化を示さない低強度金属の衝撃エネルギーは通常高く、温度の影響を受けにくい。これらの理由から、衝撃試験は、破壊モードが温度によって変化しない低強度材料の破壊抵抗を評価するために広く使用されていない。衝撃試験では、体心立方遷移金属など、温度による破壊モードの変化を示す高強度材料の場合、通常、延性-脆性遷移が示される。木材などの天然材料（低強度と見なすことができる）の衝撃試験は、材料の靭性を調べるために使用され、振り子と試験片の相互作用、高次振動モード、振り子タップと試験片の多重接触など、多くの問題にさらされる。^{[14] [15] [16]}

一般的に、高強度材料は衝撃エネルギーが低いため、高強度材料では破壊が容易に発生し、伝播するという事実が証明されています。鋼やBCC遷移金属以外の高強度材料の衝撃エネルギーは、通常、温度の影響を受けません。高強度BCC鋼は、BCC構造を持たない高強度金属よりも衝撃エネルギーの変動が大きくなります。これは、鋼が微視的な延性-脆性遷移を起こすためです。それでも、高強度鋼の最大衝撃エネルギーは、その脆さのために依然として低いままです。^[17]

• アイゾット衝撃強度試験
• 脆い
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