はじめに
エンジニアリングにおいて、材料は様々な種類の荷重にさらされる。材料が受ける荷重には、引張、圧縮、曲げ、せん断、ねじれなどがあります。同時に、これらの荷重は静的にも動的にも異なります。材料は、これらの荷重の1つ以上に同時に抵抗しなければならない場合があります。この場合、どの条件でどの材料を使うかを知る必要があります。材料をグループ分けするために、特定の荷重下での反応を試験で観察し、材料の機械的特性を明らかにします。.
弾性特性を得るための試験は、静的試験と動的試験に分けることができる。静的試験であるためには、力を最大周波数1Hzで、一定かつ1回のみ加えなければならない。この場合、静的試験では応力は一定で伸び率は0.25以下となる。静的試験は、突然変化する荷重に対して適切なモデルを形成することができないため、この種の荷重に対しては動的試験が用いられます。動的試験では、荷重は変化し、正弦波状の変形が試料に加えられます。これらの試験は、高温または低温で実施することもできます。動的試験の結果、硬さと減衰の情報が得られます。疲労試験は、動的試験のサブブランチとして検討することができます。荷重は周期的に加えられます。これらの試験は、引張-引張、圧縮-圧縮、または圧縮-逆引張サイクルで実施されます。疲労試験の結果、材料の寿命が決定されます。疲労強度と耐クラック性も疲労試験で決定されます。.
引張試験
引張試験は、材料の強度特性を測定するための工学分野で最も一般的な試験のひとつである。等方性材料の機械的特性を測定するために行われる。この試験は基本的に、試験片に対向する面から同じ方向に引張力を加え、材料が破断するまで材料にかかる応力を監視することに基づいています。引張試験の結果、材料の降伏強さ、最大引張強さ、延性、ヤング率、せん断弾性率、ポアソン比が得られます。.
応力-ひずみ曲線
応力とひずみ曲線
試験中に材料にかかる公称引張応力は以下の通りである：
ここで、F は引張力、A_0 は引張時の断面積である。また、ひずみは次のように定義される；;
ここで、L_0は試験片の初期長さ、Δ_Lは試験後の材料の伸びである。.
試験から得られた値を用いて、応力-ひずみ曲線が得られます。この曲線によって、材料の破断点、降伏強さ、最大引張強さ、脆性-延性条件が明らかになります。もう一つの利点は、材料の寸法に関係なく情報が得られることです。.
上図は脆性材料の応力-ひずみ曲線を示しています。.
ほとんどの曲線では、初期部分は直線です。応力-ひずみ曲線の伸びが0.2%となる点から曲線の傾きに平行な曲線を描くと、その曲線上に降伏強度の値が得られます。材料が永久的な損傷を受けることなく耐えられる最大応力は、降伏強度を用いて求めることができます。この点までが弾性領域です。この後、材料は塑性域に入り、そこにかかる力によって永久的な損傷が生じます。.
降伏応力
降伏強度を求めるために引いた仮想線の傾きから、重要な材料特性であるヤング率が求められる。ヤング率は次式で求められる：
次の式はポアソン比を表しており、これは鉛直変位に対する水平変位の比の負の値である：
テスト
引張試験に使用する試験片の断面図の大半を図に示す。試料はシート状または円柱状にすることができる。.
様々な材料や測定感度のレベルに応じて、異なるクランプタイプを使用することができる。それぞれのクランプ方法には長所と短所があります。.
圧縮試験
圧縮試験は、物質が圧縮または押しつぶされたときにどのような挙動を示すかを示すものである。この試験は通常、物質が破壊されるまで、あるいはあらかじめ決められた限界まで続きます。こうして、材料が破断するまでに耐えられる荷重と、その時点までの劣化の程度が計算される。材料を試験するためには、多くの場合、加熱または冷却され、多方向の圧縮力が加えられる。しかし、試験は様々な条件下で行うことができる。.
引張強度の高い材料は一般に圧縮強度が低い。このため、これらの材料は圧縮試験で調べられる。圧縮試験が最も多く実施される材料は、一般に脆性材料であり、例えば、複合材料、コンクリート、木材、金属、レンガ材料、ポリマー、プラスチック、発泡体などである。.
圧縮試験の結果、力-ひずみ曲線が得られます。次に、力を応力に変換して応力-ひずみ曲線を作成します。この曲線は引張試験の応力-ひずみ曲線と非常によく似ています。軸だけが短縮を示す方向になっています。.
圧縮応力 - % 圧縮変形
引張試験での計算は圧縮試験でも有効である；;
粉砕
破砕は、試験中に材料がどれだけ短くなったかを表すために使用される。.
つぶすことを表現する。.
むくみ
膨潤とは、試験される材料の断面が大きくなることである。延性材料は膨張しやすい。正式には
テスト
脆い材料は一般的に圧縮試験の対象となる。硬い発泡体の圧縮特性は、規格の一例としてISO 844で提供されている。この規格には、断面積の値と形状、温度-湿度の値、及び予想される試料の結果が記載されている。kPa単位で応力が記載されている。.
規格の圧縮弾性値は以下の通り：
ここで、σ_eは従来の弾性領域の端における力、h_0は材料の初期厚み、x_eは応力を発生させる力が通る経路である。.
以下は圧縮試験用に開発された規格の一部である：
ASTM D575-91 - 圧縮におけるゴム特性の標準試験方法
ASTM E9-19 - 室温における金属材料の圧縮試験の標準試験方法
TS EN ISO 14126 - 繊維強化プラスチック複合材料 - 面内方向の圧縮特性の測定
テクニックの説明
引張と圧縮の条件下で試料の機械的挙動を評価することで、部品設計や使用性能評価に不可欠な基本的な材料特性データを得ることができます。引張強さと圧縮強さの値に関する要求事項とこれらの特性の試験方法は、多種多様な材料に関するさまざまな規格で規定されています。試験は、機械加工された材料サンプル、または実際のコンポーネントの実物大またはスケールモデルに対して実施することができます。これらの試験は通常、万能機械試験機を用いて実施されます。.
引張試験は、軸方向に引張荷重をかけたときの材料の挙動を測定する方法である。試験は、試験片を試験装置に固定し、試験機のクロスヘッドを離して試験片に力を加えることによって実施される。クロスヘッドの速度は、試験片のひずみ速度を制御するために変化させることができる。試験のデータは、引張強さ、降伏強さ、弾性率の測定に使用される。また、試験後の試験片寸法を測定することで、材料の延性を特徴付けるための面積減少や伸びの値も得られます。引張試験は、金属、プラスチック、繊維、接着剤、ゴムなど多くの材料に対して実施することができます。試験は、低温から高温まで実施可能です。.
圧縮試験は、圧縮荷重下における材料の挙動を測定する方法である。圧縮試験は、2枚のプレートの間に試験片をはさみ、クロスヘッドを動かして試験片に力を加えることによって実施されます。試験中、試験片は圧縮され、加えられた荷重に対する変形が記録されます。圧縮試験は、弾性限界、比例限界、降伏点、降伏強さ、および（材料によっては）圧縮強さを測定するために用いられる。.
分析情報
圧縮強度 - 圧縮強度は、材料が破壊することなく耐えられる最大の圧縮応力である。脆性材料は試験中に破壊し、明確な圧縮強度の値を持つ。延性材料の圧縮強度は、試験中の歪みの程度によって決まります。.
弾性限界 - 弾性限界とは、材料が応力を除去した後に永久変形することなく維持できる最大応力のことです。.
伸び - 伸びとは、引張試験で破断した試験片の永久的な伸びの量である。.
弾性モジュール - 弾性率とは、応力（比例限界以下）とひずみの比、すなわち応力-ひずみ曲線の傾きである。金属の剛性または剛性の尺度と考えられている。.
比例リミット - 比例限界とは、応力-ひずみ曲線の線形関係から外れることなく、すなわち塑性変形を起こすことなく、材料が到達できる最大の応力量のことである。.
面積の縮小 - 面積の減少とは、引張試験片の元の断面積と、試験後の破断時の最小面積との差である。.
ストレイン - ひずみとは、力によって材料の大きさや形状が変化する量のことである。.
降伏点 - 降伏点とは、応力を増加させることなくひずみを増加させることができる材料の応力（通常は到達可能な最大応力より小さい）のことである。降伏点を持つのは特定の金属だけである。.
降伏強度 - 降伏強さは、材料が線形応力-ひずみ関係から所定の偏差を示す応力である。金属には0.2%のオフセットがよく使われる。.
極限引張強さ - 極限引張強さ（UTS）とは、材料が破壊することなく維持できる最大引張応力のことである。引張試験中に加えられた最大荷重をサンプルの元の断面積で割ることによって算出される。.
代表的なアプリケーション
引張と圧縮 製品仕様と比較するための原材料の特性
有限要素モデリングやその他の製品設計に必要な材料特性データを取得し、望ましい機械的挙動やサービス性能を実現する。
使用中の部品の機械的性能のシミュレーション
サンプル要件
金属やプラスチックの標準的な引張試験は、特別に準備された試験片を用いて実施される。これらの試験片は、機械加工された円筒形試料であったり、平板試料（ドッグボーン）であったりする。試験片は、再現性のある結果を出し、規格に準拠するために、試験領域（ゲージ）の幅または直径に対する長さの比が一定でなければなりません。 試験方法 要件管状製品、ファイバー、ワイヤーは、最適なグリップと破損箇所を促進する特別な治具を使用して、実物大で引張試験を行うことができます。.
圧縮試験に用いられる最も一般的な試験片は、両端が平坦な直円柱である。他の形状の試験片を使用することもできますが、座屈を避けるために特別な治具が必要になります。コンポーネント試験やサービスシミュレーションのための特殊な構成は、使用する特定の試験機によって異なります。.
引張試験機と圧縮試験機の違い
引張試験の場合、試験機は引張荷重または引張力をかけて引張試験片を引き離します。プラスチックの引張試験の場合、試験サンプルを引き離し、引張強さ、および剛性や降伏強さなどのその他の特性を測定します。プラスチック引張試験の合意された方法を提供するいくつかの一般的な業界標準があります。ASTM D638とISO 527-2は、どちらも類似していますが、標準化された試験サンプルの形状と寸法が異なります。これらの試験には、サンプルをつかみ、試験プロセス中に薄くなるにつれて調整することが期待される引張グリップが必要です。これらの付属品は、圧縮用取付け具とは異なります。.
圧縮試験では、試験機が押し付け荷重または圧縮力を加え、試験サンプルが破断またはつぶれるまで押し潰します。高分子構造発泡材料の圧縮試験は、以下の項目でカバーされています。 ASTM D1621 これは、使用する圧縮プレートとたわみ計のタイプを指定するものである。試験サンプルは、細胞構造が破壊または破裂するまで圧縮試験プラテンの間に置かれる。.
万能試験機は、引張試験と圧縮試験のいずれかあるいは両方を実施することができます。クロスヘッドは、ベースプレートとムービングヘッドの間にある試験サンプルを引っ張ったり圧縮したりするのに使用できます。.
引張試験用取付け具（グリップ）とひずみセンサー（伸び計として知られている）は圧縮試験を行うことができません。また、引張用グリップは、試験片の形状と寸法を正確にカバーするために特別に適合されています。圧縮試験プラテンとたわみ計も圧縮試験しか実施できないため、この場合は両方の付属品セットが必要になります。.
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