極限引張強度

極限引張強度（UTS、引張強度、TS、極限強度とも呼ばれる）${\displaystyle F_{\text{tu}}}$（表記法）^{[ 1 ]}は、材料が破断する前に、引き伸ばされたり引っ張られたりしたときに耐えることができる最大応力です。脆性材料では、極限引張強度は降伏点に近いですが、延性材料では、極限引張強度はそれよりも高くなることがあります。

引張強度は、通常、引張試験を実施し、工学的応力とひずみの関係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が引張強度であり、その単位は応力です。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、延性部材の設計においてはほとんど重要ではありませんが、脆性部材の設計においては重要です。合金、複合材料、セラミックス、プラスチック、木材などの一般的な材料について、引張強度が表にまとめられています。

材料の極限引張強度は示強性特性であるため、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、試験片の準備方法、表面欠陥の有無、試験環境および材料の温度など、他の要因に依存する場合があります。

材料によっては、塑性変形を起こさずに非常に鋭く破壊するものがあり、これを脆性破壊と呼ぶ。一方、ほとんどの金属を含む延性のある材料は、破壊前に塑性変形や場合によってはくびれが生じる。

引張強度は、単位面積あたりの力として測定される応力として定義されます。国際単位系（SI）では、単位はパスカル（Pa）で、1 N/m ²ですが、引張強度の場合はメガパスカル（MPa）やギガパスカル（GPa）などの倍数が用いられることがよくあります。一部の非均質材料（または組み立てられた部品）の場合、力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。米国の慣用単位は、ポンド毎平方インチ（lb/in ²または psi）です。キロポンド毎平方インチ（ksi、または kpsi とも表記）は 1000 psi に相当し 、米国では引張強度を測定する際によく使用されます。

延性材料

多くの材料は、図1の点3までに示すように、線形応力-ひずみ関係で定義される線形弾性挙動を示します。材料の弾性挙動は、図1の点2（「降伏強度」）で表される非線形領域まで及ぶことが多く、この領域までは荷重を取り除くと変形が完全に回復します。つまり、引張弾性荷重を受けた試験片は伸びますが、荷重を取り除く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、鋼などの延性材料では、変形は塑性変形となります。塑性変形した試験片は、荷重を取り除いても元のサイズと形状に完全には戻りません。多くの用途において、塑性変形は許容できないため、設計上の制約として用いられます。    

降伏点を超えると、延性金属は加工硬化期に入り、ひずみの増加に伴って応力が再び増加し、塑性流動によって試験片の断面積が減少するため、くびれ が生じ始めます。十分に延性のある材料では、くびれが顕著になると、工学的応力-ひずみ曲線（図 2の曲線A）が反転します。これは、工学的応力がくびれが生じる前の元の断面積を仮定して計算されているためです。反転点は工学的応力-ひずみ曲線上の最大応力であり、この点の工学的応力座標は、点1で示される極限引張強度です。

延性静的部材の設計では、設計慣行により降伏応力が用いられるため、極限引張強度は使用されません。しかし、試験が容易であるため、品質管理には使用されます。また、未知のサンプルの材料の種類を大まかに判断するためにも使用されます。^{[ 2 ]}

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す。なぜなら、そのような材料には降伏点がないからです。^{[ 2 ]}

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

通常、試験では一定の断面積を持つ小さなサンプルを採取し、それを引張計で一定のひずみ速度（ゲージ長の変化を初期ゲージ長で割った値）で引っ張り、サンプルが破断するまで続ける。金属、特にポリマーでは、極限強度は試験に選択されたひずみ速度に大きく依存する可能性がある。^{[ 3 ]}

一部の金属を試験する場合、圧痕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（例えば、手持ち式のロックウェル硬度計など）を使用して、バルク金属の納入品を非破壊的に検査することが経済的に重要になります。^{[ 4 ]}この実用的な相関関係は、金属加工業界における品質保証を、実験室や万能試験機をはるかに超えて拡大するのに役立ちます。

^a多くの値は製造工程や純度、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、これまでに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 63 GPa ですが、理論値の 100 GPa をはるかに下回っています。 ^{[ 41 ]}引張強度が発表された最初のナノチューブロープ ( 長さ 20 mm) (2000 年) の強度は 3.6 GPa でした。 ^{[ 42 ]}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) です。 ^{[ 43 ]}

^cクモの糸の強度は非常に変動が大きい。それは、糸の種類（どのクモもさまざまな目的のために複数の糸を生成できる）、種、糸の年齢、温度、湿度、試験中にストレスが加えられる速さ、ストレスが加えられる長さ、糸の採取方法（強制紡糸または自然紡糸）など、多くの要因に依存する。 ^{[ 44 ]}表に示されている値 1,000 MPa は、いくつかの異なる種のクモ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るが、具体的な結果は大きく異なっていた。 ^{[ 45 ]}

^d人間の毛髪の強度は、遺伝、環境要因、化学処理によって異なります

• 曲げ強度
• 材料の強度
• 引張構造
• タフネス
• 構造的完全性と破壊
• 張力（物理学）
• ヤング率

• 限界荷重（物理学）、構造物が使用中に安全に支えることができると予想される最大荷重
  • 安全作業荷重または作業荷重制限とは、故障を回避するために規定された、通常運転時の最大荷重のことである。
• 極限荷重とは、計算に使用される数値であり、実際には決して発生しないことを願うものです。
  • 最小破壊荷重とは、物体が破壊される前に耐えられる最小荷重のことである。

• ジャンコリ、ダグラス、『科学者と技術者のための物理学 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種の円網を張るクモ、Araneus diadematus (クモ目、コガネグモ科) とUloboris walckenaerius (クモ目、ウロボリス科) の糸の生体力学」実験動物学ジャーナル271 ( 1): 1– 17. Bibcode : 1995JEZ...271....1K . doi : 10.1002/jez.1402710102 .
• T・フォレット著『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日にオリジナル( PDF)からアーカイブ済み。  
• ジョージ・E・ディーター著『機械冶金学』（1988年）。マグロウヒル社、英国