Loading article…
極限引張強度（UTS、引張強度、TS、極限強度、または表記法では極限強度とも呼ばれる）[1]は、材料が引き伸ばされたり引っ張られたりした際に破断するまでに耐えられる最大の応力である。脆性材料では極限引張強度は降伏点に近くなるが、延性材料では極限引張強度はより高くなることがある。
極限引張強度は通常、引張試験を実施し、工学応力対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度であり、応力の単位を持ちます。引張ではなく圧縮の場合の同等の点は、圧縮強度と呼ばれます。
引張強度は延性部材の設計ではほとんど重要ではありませんが、脆性部材では重要です。合金、複合材料、セラミック、プラスチック、木材 などの一般的な材料については表にまとめられています。
意味
材料の極限引張強度は強度特性であるため、その値は試験片のサイズには依存しません。ただし、材料によっては、試験片の準備、表面欠陥の有無、試験環境と材料の温度など、他の要因に依存する場合があります。
一部の材料は、脆性破壊と呼ばれる状態で、塑性変形を伴わずに非常に急激に破壊します。一方、ほとんどの金属を含む、より延性の高い材料は、破壊前に塑性変形やネッキングが発生する場合があります。
引張強度は応力として定義され、単位面積あたりの力として測定されます。一部の不均質材料（または組み立てられた部品）では、単に力として、または単位幅あたりの力として報告されることがあります。国際単位系（SI）では、単位はパスカル（Pa）（またはその倍数で、SI接頭辞 メガを使用したメガパスカル（MPa）がよく使用されます）です。または、パスカルと同等のニュートン毎平方メートル（N/m 2）です。米国の慣用単位は平方インチあたりのポンド（lb/in 2またはpsi）です。平方インチあたりのキロポンド（ksi、またはkpsiと呼ばれることもあります）は1000psiに等しく、米国では引張強度を測定する際に一般的に使用されています。
延性材料
- 究極の強さ
- 降伏強度
- 比例限界応力
- 骨折
- オフセットひずみ（通常0.2％）
- 見かけの応力（F / A 0）
- 実応力（F / A）
多くの材料は、図 1 の点 3 までで示されるように、線形の応力とひずみの関係で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 の点 2 (「降伏強度」) で示される非線形領域にまで及びます。この非線形領域までは、荷重を除去すると変形が完全に回復します。つまり、張力で弾性荷重を受けた試験片は伸びますが、荷重が除去されると元の形状とサイズに戻ります。この弾性領域を超えると、鋼鉄などの延性材料の場合、変形は塑性変形になります。塑性変形した試験片は、荷重が除去されても元のサイズと形状に完全には戻りません。多くの用途では、塑性変形は許容されず、設計上の制限として使用されます。
延性金属は、降伏点を超えるとひずみ硬化の期間に入ります。この期間には、ひずみが増加するにつれ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につれて、ネックが発生し始めます。十分に延性のある材料では、ネックが発生すると、工学応力-ひずみ曲線が反転します (曲線 A、図 2)。これは、工学応力がネックが発生する前の元の断面積を前提として計算されるためです。反転点は、工学応力-ひずみ曲線上の最大応力であり、この点の工学応力座標が、点 1 で示される極限引張強度です。
極限引張強度は、設計実務で降伏応力の使用が規定されているため、延性静的部材の設計には使用されません。ただし、試験が容易なため、品質管理には使用されます。また、未知のサンプルの材料タイプを大まかに判断するためにも使用されます。[2]
脆性材料には降伏点がないため、極限引張強度は脆性材料で作られた部材を設計するための一般的な工学パラメータである。[2]
テスト
破損後のアルミニウム引張試験サンプル
通常、このテストでは、一定の断面積を持つ小さなサンプルを採取し、サンプルが破断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）速度で 張力計で引っ張ります。
いくつか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、軽量で持ち運び可能な機器、たとえば手持ち式のロックウェル硬度計などを使用して、バルク金属の配送品の経済的に重要な非破壊検査が可能になります。[3]この実用的な相関関係により、金属加工産業における品質保証は、実験室や万能試験機をはるかに超えて拡張できます。
典型的な引張強度
- ^a値の多くは製造工程や純度、組成によって異なります。
- ^b多層カーボンナノチューブは、これまで測定されたどの材料よりも高い引張強度を持ち、ある測定値は63GPaであるが、それでも理論値の300GPaを大きく下回っている。 [39]引張強度が公表された最初のナノチューブロープ（長さ20mm）の強度は3.6GPaであった（2000年）。 [40]密度は製造方法によって異なり、最低値は0.037または0.55（固体）である。 [41]
- ^cクモの糸の強度は非常に多様です。糸の種類（クモはさまざまな目的のために数本の糸を生産できます）、種、糸の年齢、温度、湿度、テスト中に応力が加えられる速さ、加えられる長さ、糸を集める方法（強制紡糸または自然紡糸）など、多くの要因によって異なります。 [42]表に示されている値1,000 MPaは、いくつかの異なるクモ種を対象とした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。 [43]
- ^d人間の髪の強さは、遺伝、環境要因、化学処理によって異なります
焼鈍された要素の典型的な特性
参照
参考文献
- ^ 「Generic MMPDS Mechanical Properties Table」. stressebook.com . 2014年12月6日. 2017年12月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月27日閲覧。
- ^ ab 「引張特性」。2014年2月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ EJ Pavlina および CJ Van Tyne、「鋼の降伏強度および引張強度と硬度の相関関係」、Journal of Materials Engineering and Performance、17:6 (2008 年 12 月)
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2013年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2015年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2015年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2017年3月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ "USStubular.com". 2009年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年6月27日閲覧。
- ^ [1] 2014年3月23日アーカイブ、Wayback Machine IAPDアクリルの代表的な特性
- ^ 厳密に言えば、この数値は曲げ強度（または破壊係数）であり、脆性材料に対しては「極限強度」よりも適切な指標です。
- ^ 「MatWeb - オンライン材料情報リソース」。
- ^ 「ステンレス鋼 - グレード302（UNS S30200）」AZoM.com 2013年2月25日2023年2月2日閲覧。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2015年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2015年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ ab 「ガラス強化プラスチック（ファイバーグラス）ガイド - East Coast Fibreglass Supplies」。2015年2月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「カーボンファイバーチューブの特性」。2015年2月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年2月20日閲覧。
- ^ 「ソーダ石灰（フロート）ガラス材料特性 :: MakeItFrom.com」。2011年7月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「Basalt Continuous Fibers」。2009年11月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年12月29日閲覧。
- ^ “Toray Properties Document”. 2018年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年9月17日閲覧。
- ^ 「毛髪の引張試験」instron.us。2017年9月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Zimmerley, M.; Lin, CY; Oertel, DC; Marsh, JM; Ward, JL; Potma, EO (2009). 「コヒーレント反ストークスラマン散乱顕微鏡法によるヒト毛髪中の化学物質の定量的検出」Journal of Biomedical Optics . 14 (4): 044019. Bibcode :2009JBO....14d4019Z. doi :10.1117/1.3184444. PMC 2872558. PMID 19725730 .
- ^ Agnarsson, I; Kuntner, M; Blackledge, TA (2010). 「バイオプロスペクティングで最も丈夫な生物学的素材を発見: 巨大な河川の輪蜘蛛の驚くべき糸」. PLOS ONE . 5 (9): e11234. Bibcode :2010PLoSO...511234A. doi : 10.1371/journal.pone.0011234 . PMC 2939878. PMID 20856804 .
- ^ Oral, E; Christensen, SD; Malhi, AS; Wannomae, KK; Muratoglu, OK (2006). 「PubMed Central、表3」。J Arthroplasty . 21 (4): 580–91. doi :10.1016/j.arth.2005.07.009. PMC 2716092. PMID 16781413 .
- ^ 「超高分子量PE繊維の引張特性とクリープ特性」(PDF) 。 2007年6月28日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2007年5月11日閲覧。
- ^ 「機械的特性データ」www.mse.mtu.edu。2007年5月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「MatWeb – オンライン教材情報リソース」。2015年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年2月20日閲覧。
- ^ 「材料特性チャート」（PDF）。Advanced Nylons。
- ^ 「ナイロン繊維」。テネシー大学。2015年4月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年4月25日閲覧。
- ^ 「アラミド繊維の比較」。帝人アラミド。2015年5月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「Uhu endfest 300 エポキシ: 設定温度を超える強度」。2011年7月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「Fols.org」(PDF) 。 2011年7月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2010年9月1日閲覧。
- ^ 「水素化窒化ホウ素ナノチューブ（H-BNNT）の密度はどれくらいですか？」。space.stackexchange.com。2017年4月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Dang, Chaoqun; et al. (2021年1月1日). 「微細加工ダイヤモンドで均一な大きな引張弾性を実現」. Science . 371 (6524): 76–78. Bibcode :2021Sci...371...76D. doi :10.1126/science.abc4174. PMID 33384375. S2CID 229935085.
- ^ Lee, C.; et al. (2008). 「単層グラフェンの弾性特性と固有強度の測定」. Science . 321 (5887): 385–8. Bibcode :2008Sci...321..385L. doi :10.1126/science.1157996. PMID 18635798. S2CID 206512830. 2009年2月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- Phil Schewe (2008 年 7 月 28 日)。「世界最強の物質」。Inside Science News Service。アメリカ物理学会。2009 年 2 月 25 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Cao, K. (2020). 「自立型単層グラフェンの弾性ひずみ」. Nature Communications . 11 (284): 284. Bibcode :2020NatCo..11..284C. doi : 10.1038 /s41467-019-14130-0 . PMC 6962388. PMID 31941941.
- ^ IOP.org Z. Wang、P. Ciselli、T. Peijs、「ナノテクノロジー18」、455709、2007年。
- ^ Xu, Wei; Chen, Yun; Zhan, Hang; Nong Wang, Jian (2016). 「配向と緻密化の改善による高強度カーボンナノチューブフィルム」Nano Letters . 16 (2): 946–952. Bibcode :2016NanoL..16..946X. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03863. PMID 26757031.
- ^ Barber, AH; Lu, D.; Pugno, NM (2015). 「カサガイの歯に極度の強度が認められる」Journal of the Royal Society Interface . 12 (105): 105. doi :10.1098/rsif.2014.1326. PMC 4387522 . PMID 25694539.
- ^ Yu, Min-Feng; Lourie, O; Dyer, MJ; Moloni, K; Kelly, TF; Ruoff, RS (2000). 「引張荷重下における多層カーボンナノチューブの強度と破壊メカニズム」. Science . 287 (5453): 637–640. Bibcode :2000Sci...287..637Y. doi :10.1126/science.287.5453.637. PMID 10649994. S2CID 10758240.
- ^ Li, F.; Cheng, HM; Bai, S.; Su, G.; Dresselhaus, MS (2000). 「マクロロープから直接測定した単層カーボンナノチューブの引張強度」.応用物理学論文集. 77 (20): 3161. Bibcode :2000ApPhL..77.3161L. doi : 10.1063/1.1324984 .
- ^ K.Hata. 「高効率不純物フリー CNT 合成から DWNT フォレスト、CNT ソリッド、スーパーキャパシタまで」(PDF) 。2010年 6 月 12 日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。
- ^ Elices; et al. 「Argiope Trifasciata のクモ糸繊維からインスピレーションを得る」 JOM. 2009 年 1 月 15 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1 月 23 日閲覧。
- ^ Blackledge; et al. (2005). 「クロゴケグモLatrodectus hesperusのクモの巣から採取した糸の機械的性質の準静的および連続動的特性評価」Journal of Experimental Biology . 208 (10). The Company of Biologists: 1937–1949. doi :10.1242/jeb.01597. PMID 15879074. S2CID 9678391. 2009年2月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年1月23日閲覧。
- ^ AM Howatson、PG Lund、JD Todd、「エンジニアリング テーブルとデータ」、p. 41
さらに読む
- ジャンコリ、ダグラス、「科学者とエンジニアのための物理学 第 3 版」 (2000 年)。アッパー サドル リバー: プレンティス ホール。
- Köhler T, Vollrath F (1995). 「2 種類のクモ類Araneus diadematus (クモ目、コガネグモ科) とUloboris walckenaerius (クモ目、Uloboridae)の糸のバイオメカニクス」実験動物学ジャーナル271 : 1–17. doi : 10.1002/jez.1402710102.
- T・フォレット『金属のない生活』
- Min-Feng Y、Lourie O、Dyer MJ、Moloni K、Kelly TF、Ruoff RS (2000)。「引張荷重下における多層カーボンナノチューブの強度と破壊メカニズム」( PDF)。Science。287 ( 5453): 637–640。Bibcode : 2000Sci ...287..637Y。doi : 10.1126/science.287.5453.637。PMID 10649994。S2CID 10758240。 2011年3月4日時点の オリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ジョージ・E・ディーター『機械冶金学』（1988年）マグロウヒル、英国