引張試験

引張試験（張力試験とも呼ばれる）^{[ 1 ]}は、試料が破壊するまで制御された張力を受ける、材料科学および工学の基本的な試験です。引張試験によって直接測定される特性は、極限引張強度、破断強度、最大伸び、および断面積減少です。^{[ 2 ]}これらの測定から、ヤング率、ポアソン比、降伏強度、および加工硬化特性などの特性も決定できます。 ^{[ 3 ]}等方性材料の機械的特性を取得するために最も一般的に使用されるのは、一軸引張試験です。一部の材料では、二軸引張試験が使用されます。これらの試験機の主な違いは、材料に荷重をかける方法です。

引張試験には、次のようなさまざまな目的がある可能性があります。

• 用途に応じて材料またはアイテムを選択してください。
• 文化遺産の劣化状態を理解し（遺産科学）、保存処理に適した材料を選択する。^{[ 4 ]}
• 材料が使用時にどのように機能するかを予測します：通常の力と極端な力。
• 仕様書、規則、または契約の要件が満たされているかどうかを判断する、または検証する。
• 新製品開発プログラムが順調に進んでいるかどうかを判断する
• 概念実証を示す
• 提案された特許の有用性を実証する
• 他の科学、工学、品質保証機能のための標準データを提供する
• 技術コミュニケーションの基礎を提供する
• 複数の選択肢を比較するための技術的な手段を提供する
• 法的手続きにおいて証拠を提供する

The preparation of test specimens depends on the purposes of testing and on the governing test method or specification. A tensile specimen usually has a standardized sample cross-section. It has two shoulders and a gauge (section) in between. The shoulders and grip section are generally larger than the gauge section by 33% ^[5] so they can be easily gripped. The gauge section's smaller diameter also allows the deformation and failure to occur in this area.^[2][6]

The shoulders of the test specimen can be manufactured in various ways to mate to various grips in the testing machine (see the image below). Each system has advantages and disadvantages; for example, shoulders designed for serrated grips are easy and cheap to manufacture, but the alignment of the specimen is dependent on the skill of the technician. On the other hand, a pinned grip assures good alignment. Threaded shoulders and grips also assure good alignment, but the technician must know to thread each shoulder into the grip at least one diameter's length, otherwise the threads can strip before the specimen fractures.^[7]

In large castings and forgings it is common to add extra material, which is designed to be removed from the casting so that test specimens can be made from it. These specimens may not be exact representation of the whole workpiece because the grain structure may be different throughout. In smaller workpieces or when critical parts of the casting must be tested, a workpiece may be sacrificed to make the test specimens.^[8] For workpieces that are machined from bar stock, the test specimen can be made from the same piece as the bar stock.

For soft and porous materials, like electrospun nonwovens made of nanofibers, the specimen is usually a sample strip supported by a paper frame to favour its mounting on the machine and to avoid membrane damaging.^[9][10]

Various shoulder styles for tensile specimens. Keys A through C are for round specimens, whereas keys D and E are for flat specimens. Key:

A. A Threaded shoulder for use with a thread B. A round shoulder for use with serrated grips C. A butt end shoulder for use with a split collar D. A flat shoulder for used with serrated grips

E. A flat shoulder with a through hole for a pinned grip

Test specimen nomenclature

The repeatability of a testing machine can be found by using special test specimens meticulously made to be as similar as possible.^[8]

標準試験片は、使用する規格に応じて、ゲージ長に沿って円形または正方形の断面形状に作製されます。試験片の両端は、試験中にしっかりと把持されるのに十分な長さと表面状態を備えている必要があります。初期ゲージ長 Lo は（いくつかの国で）標準化されており、試験片の直径 (Do) または断面積 (Ao) に応じて、以下のように変化します。

以下の表は、ASTM E8規格に基づく試験片の寸法と許容差の例を示しています。

引張試験で最も一般的に使用される試験機は万能試験機です。^{[ 12 ]}このタイプの試験機には2つのクロスヘッドがあり、1つは試験片の長さに合わせて調整され、もう1つは試験片に張力を加えるために駆動されます。試験機^{[ 13 ]}は、電気機械式または油圧式です。^{[ 6 ]}医療業界向け創傷治癒用材料の機械的引張試験の例については、参照記事を参照してください。^{[ 14 ]}

電気機械式試験機は、電気モーター、減速ギアシステム、および 1 つ、2 つ、または 4 つのネジを使用してクロスヘッドを上下に移動させます。モーターの速度を変更することで、さまざまなクロスヘッド速度を実現できます。クロスヘッドの速度、ひいては負荷速度は、閉ループサーボコントローラ内のマイクロプロセッサによって制御できます。油圧式試験機は、単動ピストンまたは複動ピストンを使用してクロスヘッドを上下に移動させます。手動操作式の試験システムも利用可能です。手動構成では、オペレーターが負荷速度を制御するためにニードルバルブを調整する必要があります。一般的な比較では、電気機械式試験機は幅広い試験速度と長いクロスヘッド変位に対応できるのに対し、油圧式試験機は高負荷を発生させるための費用対効果の高いソリューションであることがわかります。^{[ 15 ]}

試験機は、試験対象の試験片に適した能力を備えている必要があります。主なパラメータは、力容量、速度、精度、および正確さの4 つです。力容量とは、試験機が試験片を破壊するのに十分な力を発生させることができることを意味します。試験機は、実際の適用を適切に模倣するために、力を速くまたは十分にゆっくり加えることができる必要があります。最後に、試験機は、ゲージ長と加えられた力を正確かつ精密に測定できる必要があります。たとえば、長い伸びを測定するように設計された大型の試験機は、破壊前に短い伸びしか示さない脆性材料には適さない場合があります。^{[ 7 ]}

試験機内での試験片の位置合わせは非常に重要です。試験片が斜めにずれていたり、片側にずれていたりすると、試験機が試験片に曲げ力を加えるからです。これは脆性材料の場合、結果が大きく歪むため特に問題となります。この状況は、グリップと試験機の間に球面シートまたはUジョイントを使用することで最小限に抑えることができます。 ^{[ 7 ]}応力-ひずみ曲線の初期部分が直線ではなく曲線になっている場合は、試験機内で試験片の位置がずれていることを示しています。^{[ 16 ]}

ひずみ測定は、一般的には伸び計で測定されますが、小さな試験片やポアソン比を測定する場合には、ひずみゲージもよく使用されます。 ^{[ 7 ]}最新の試験機には、データ収集装置（多くの場合コンピュータ）に接続された電子センサーと、データを操作および出力するソフトウェアで構成される、デジタル時間、力、および伸び測定システムが備わっています。しかし、アナログ機器は、ASTM、NIST、およびASMの金属引張試験精度要件を満たし、それを上回る性能を発揮し続けており、今日でも使用され続けています。

破断後のアルミニウム引張試験サンプル

「カップコーン」型の特徴的な破壊パターンの「カップ」側

一部は「カップ」型を示し、一部は「円錐」型を示している

試験プロセスでは、試験片を試験機にセットし、破断するまでゆっくりと伸ばします。このプロセス中に、ゲージ部の伸びが加えられた力に対して記録されます。データは、試験サンプルの形状に特有にならないように処理されます。伸びの測定値は、次の式を使用して工学的ひずみεを計算するために使用されます。 ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}={\frac {L-L_{0}}{L_{0}}}}$

ここで、ΔLはゲージ長の変化、L0_は初期ゲージ長、Lは最終長さです。力測定は、次の式を使用して工学的応力σを計算するために使用されます。 ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \sigma ={\frac {F_{n}}{A}}}$

ここで、Fは引張力、Aは試験片の公称断面積である。機械は力が増加するにつれてこれらの計算を行い、データポイントを応力-ひずみ曲線としてグラフ化することができる。^{[ 6 ]}

電界紡糸ナノファイバー膜のような多孔質で柔らかい材料を扱う場合、上記の応力式の適用は問題があります。実際、膜の厚さは測定中に加えられる圧力に依存するため、厚さの値が変動します。その結果、得られる応力-ひずみ曲線は大きなばらつきを示します。この場合、信頼性の高い引張結果を得るためには、断面積（A）ではなく試料質量に対する荷重の正規化が推奨されます。^{[ 17 ]}

引張試験は、材料のクリープ、つまり長期間にわたって一定の応力が加わることによって生じる材料の緩やかな塑性変形を試験するために使用できます。クリープは一般的に拡散と転位移動によって促進されます。クリープを試験する方法は数多くありますが、引張試験は、コンクリートやセラミックスのように引張と圧縮で異なる挙動を示し、したがって引張クリープ速度と圧縮クリープ速度が異なる材料に有効です。そのため、引張クリープを理解することは、貯水槽などの引張を受ける構造物や一般的な構造的完全性のためのコンクリートの設計において重要です。^{[ 18 ]}

クリープの引張試験は、一般的に標準試験と同じ試験手順に従いますが、塑性変形ではなくクリープ領域にとどまるように、一般的に低い応力で行われます。さらに、特殊な引張クリープ試験装置には、拡散を促進するために高温炉コンポーネントが組み込まれている場合があります。^{[ 19 ]}サンプルは一定の温度と張力で保持され、材料のひずみはひずみゲージまたはレーザーゲージを使用して測定されます。測定されたひずみは、べき乗則クリープや拡散クリープなどのさまざまなクリープ機構を支配する方程式に適合させることができます（詳細については、クリープを参照）。さらに分析を行うには、破断後のサンプルを調べます。クリープ機構と速度を理解することで、材料の選択と設計に役立ちます。

引張試験クリープでは、サンプルのアライメントが重要です。中心からずれた荷重をかけると、サンプルに曲げ応力が加わります。曲げは、サンプルのすべての面のひずみを追跡することで測定できます。曲げ率は、1つの面のひずみと ($\displaystyle \varepsilon _{1}}$）と平均ひずみ（$\displaystyle \varepsilon _{0}}$): ^{[ 20 ]}

$\displaystyle {\text{曲げ率}}={\frac {\varepsilon _{1}-\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{0}}}\times 100}$

荷重のかかったサンプルの広い面では曲げ率が1%未満、薄い面では2%未満であるべきです。曲げは、荷重クランプのずれやサンプルの非対称加工によって発生する可能性があります。^{[ 20 ]}

• 引張試験のビデオ
• ASTM D638引張試験について詳しくはこちらをご覧ください。
• admet.com：引張試験の基礎 クオリティマガジン