引張強度、降伏強度、せん断強度：違いと応用ガイド

エンジニアは、製品の強度を決定・選定する過程で、知らず知らずのうちに製品設計上のミスを犯してしまうことがあります。引張強度や降伏強度には最も注意が払われる一方で、せん断破壊によって製品が破損してしまうケースも時々あります。 製品開発において、異なる材料は、それぞれの強度に合わせた設計が不十分なために破損することがあります。例えば、降伏強度を超えるとプラスチック製の筐体が変形する一方、ねじ込みインサートはせん断強度が不十分なために破損することがあります。 同様に、金属製のブラケットは引張強度に達すると破断します。これらの事例は、材料ごとに異なる種類の強度が存在することを示しており、製品設計や開発においてこれを考慮する必要があります。しかし、これら3つの特性には明確な違いがあるのでしょうか？このガイドでは、各特性について解説し、それらが互いにどのように異なるかを示し、その測定や試験について論じます。.

引張強度、降伏強度、せん断強度とは何ですか？

これらの用語は密接に関連しているため、多くの人は誤解しがちです。実際、物理学、力学、工学の分野に精通していない人の中には、これらを同じものだと考えてしまう人もいます。しかし、これらの用語はそれぞれ異なる破壊メカニズムを表しています。それでは、それぞれの用語について詳しく見ていきましょう。.

引張強度とは何ですか？

引張強度は、産業用途において無視できない機械的特性の一つである。この特性は、さまざまな製品の製造に使用される各種材料の安全性や性能に決定的な影響を与える。.

この特性は、日常の活動の中でも確認することができます。例えば、クレーンは細い鋼製ワイヤーロープを使って重い荷物を持ち上げても、ロープが切れることはありません。これは、ワイヤーロープの引張強度が非常に高いためです。もし荷重が鋼製ワイヤーロープの引張強度を超えた場合、ロープは破断し、死傷者が出る恐れがあります。.

定義と単位

引張強度は、材料が破断または破損する前に耐えうる最大応力として定義されます。これは、最大引張力を試験片の元の断面積で割ることで算出されます。この原理は、材料にかかる応力が増加すると、原子間の結合が引き伸ばされ、最終的には切断されるというものです。.

材料には、応力が加わると弾性が生じます。応力が取り除かれると、材料は元の形状に戻ります。しかし、応力が引き続き加わると、材料は塑性領域に入ります。 この領域では、材料の内部の原子または分子構造に恒久的なすべりが生じ（結晶性金属では転位運動、高分子では分子鎖のほぐれによって引き起こされる）、材料が元の形状に戻ることは不可能になります。 ^[1].

引張強度はメガパスカル（N/mm²）で表されます。以下の表に、その他の関連単位をまとめました。.

1MPa≈145Psi

1Ksi＝6.895 MPa

引張強度の計算式

引張強度（S) は次のように表される；;

S = F / A

ここで、F は加えられた引張力（N または lbf）である。A は試験片の元の断面積（mm²、m²、または in²）である。. 

材料に荷重が加えられた際に達成される最大引張強度は、極限引張強度（UTS）と呼ばれる。UTSに達し、それを超えると、材料はネッキング（首縮み）を起こし始める。さらに荷重が加わると、材料が破断するまでネッキングは加速する。UTSは次の式で表される。,

UTS=F_マックス/A₀

どこ F_マックス は破損に至るまでの最大持続荷重であり、また A₀ は、荷重が加えられる前の元の断面積である。.

引張強度の測定

万能試験機（UTM）を用いて引張試験を行うことで、引張強度を測定することができます。UTMは、引張試験機と呼ばれることもあります。.

この工程は、標準試験片の作製から始まります。プラスチックの場合は、材料をドッグボーン型試験片に成形し、金属の場合は円筒形の試験片を機械加工します。機械加工の前に、元の断面積 A0 を測定します。.

準備が完了したら、試験片をUTMに固定します。装置は、所定の速度で試験片を引っ張り続けます。装置が試験片を引き続けている間、力とそれに対応する伸びなどのデータを記録し続けます。 装置によって生成される応力-ひずみ曲線を観察することで、材料の挙動を読み取ることができます。その後、上記の式に示すように引張強度（S）を算出することができます。.

降伏点とは何ですか？

降伏強度と引張強度は関連する用語です。延性のある材料の場合、材料は極限引張強度に達する前に降伏強度に達します。一方、脆性材料は、通常、顕著な降伏が生じる前に破断します。.

降伏強度は、材料が弾性挙動（可逆的な変形）から塑性挙動（永久変形）へと移行する応力の閾値です。単位はメガパスカル（MPa）で表されます。. 

例えば、ペーパークリップの両端をゆっくりと引っ張ってみましょう。最初は、クリップがわずかに伸びます。引っ張るのをやめると、クリップは元の位置に戻ります。さらに強く引っ張り続けてから力を抜くと、クリップは元の位置に戻りません。この時点で、クリップは降伏点に達したと言います。 技術的には、この状態のクリップは、破損することなく永久変形を起こしたと言われる。.

降伏強度の測定

降伏強度の測定方法を理解する前に、その計算に関わる派生用語を理解することが不可欠です。その用語の一つが「応力（σ）」です。これは、材料が受ける単位面積あたりの力の大きさです。これは次の式で表されます。,

σ = F/A,

ここで、Fは加わる力、Aは断面積である。最大応力は、極めて狭い表面積に最大の力が加わる場所で生じる。.

2番目の項はひずみ（ε）です。これは、材料が元の大きさに比べて伸長または圧縮される能力のことです。これは次の式で表されます。,

ε = ΔL/L₀,

 ここで、ΔL は長さの変化量、L₀ は初期の長さである。.

ヤング率（E）は、材料の剛性を表す指標です。Eの値が大きいほど、その材料は荷重がかかってもほとんど変形しません。例えば、ゴムに比べた場合の鋼鉄がこれに該当します。これは次の式で表されます。

E = σ/ε

材料は、フックの法則に従って応力-ひずみ関係が直線的な挙動を示す状態を維持しますが、これは、加えられた応力が、材料の結晶格子を弾性状態に保っている原子間の力を恒久的に打ち破る正確な閾値である降伏点に達するまで続きます。 ^[2].

材料は、変形に抵抗する性質がある場合、「剛性が高い」と言われます。このような材料は、ヤング率が最も高くなります。しかし、それは降伏強度が最も高いことを意味するわけではありません。優れた工学設計では、常にこれらの特性のバランスをとることが求められます。剛性が総合的な強度や硬度とどのように異なるかについてさらに詳しく知りたい場合は、当社の包括的なガイド[強度、剛性、および硬さ].

せん断強度とは何ですか？

せん断強度を理解する前に、せん断力とは何かを理解することが重要です。せん断力とは、ある表面の一部を別の部分に対して滑らせたり変形させようとする、その表面に平行に作用する内力を指します。.

せん断強度は、材料の内部構造がそれに対して滑る原因となる力に抵抗する能力のことです。せん断力が加わると、材料の表面は滑って変形しようとする傾向があります。せん断強度は、材料が横方向の力を受けるさまざまな工学分野において不可欠なものです。.

せん断強度は、梁、柱、接合部などの構造物の設計や解析において極めて重要な役割を果たします。適切なせん断強度を確保することで、構造物の破損を防ぎ、その耐用年数を延ばすことができます。.

せん断強度は、日常生活の中でも見られます。鉄橋では、構造部材を接続するボルトは主にせん断荷重を受けます。荷重が過大になると、ボルトがせん断されて、接続されていた鋼板が分離してしまうことがあります。この強度は、ボルト切断の際にも応用されています。 切断力は、これとは反対の方向に作用します。これらの反対方向の力が作用することで、材料は伸びるのではなく、ある平面に沿って破壊されます。ボルトがこれら2つの反対方向の力に抵抗する能力が、せん断強度です。.

せん断強度の測定と試験

せん断試験は、材料科学や工学、その他さまざまな産業において、特定の用途に対する材料の適合性を評価するために広く用いられています。.

せん断試験では、試験片を2つの平行な面の間にはさみ、材料がせん断破壊を起こすまで力を加えます。 測定される主要なパラメータはせん断応力であり、これは加えられた力を材料の断面積で割ることで算出される。この結果から、実際の応力条件下における材料の耐久性、強度、および性能に関する知見が得られる。.

一般的な引張強度、降伏強度、せん断強度の値はどのくらいですか？

以下の表は、さまざまな材料の引張強度、降伏強度、およびせん断強度をまとめたものです。これらの基準値は、標準化された常温試験手順（金属についてはASTM E8、プラスチックについてはASTM D638など）に基づいて厳密に算出されたものです。 ^[3].

参考

[1] Meyers, M. A. および Chawla, K. K. (2008). 材料の力学的挙動 （第2版）。ケンブリッジ大学出版局。. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] ペレグ, J. (2012). 材料の機械的特性. スプリンガー。. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). 『ASMハンドブック』第2巻：特性と選定：非鉄合金および特殊用途材料. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627