降伏点とは何か?

降伏点とは

 

プラスチックは金属、セラミクスと肩を並べる3大材料の一つと言われています。プラスチックは他の材料と比べて、軽量でかつ比較的低い温度で成形できるために様々な成形加工法が開発され、日用品から輸送機器に至るまで広域な分野で使用されています。

金属材料の対極にあるプラスチックの性質の中でも応力とひずみの関係は、最も基本的かつ重要な性質の一つです。材料力学は基本的に材料が弾性変形することを前提にしていますが、弾性変形以外の部分も含めて、材料の性質を分かりやすく示すために用いられるのが応力-ひずみ曲線です。今回は、降伏点とは何かを解説します。

 

1.  降伏点とは

材料に力を加えていくと、初めはばねのように力の大きさに比例して変形しますが、ある力を境に大きく変形するようになります。この力の大きさを降伏点などと呼んでいます。降伏点の前を弾性、後を塑性と呼びます。弾性の範囲では、力を取り除くと元の形に戻りますが、降伏点を超えて塑性の範囲まで力を加えると、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残ります。機械や構造物を構成する部品は弾性範囲内の使用が前提のため、降伏点は部品の設計によく使われています。

降伏点とは

 

プラスチックは金属、セラミクスと肩を並べる3大材料の一つと言われています。プラスチックは他の材料と比べて、軽量でかつ比較的低い温度で成形できるために様々な成形加工法が開発され、日用品から輸送機器に至るまで広域な分野で使用されています。

金属材料の対極にあるプラスチックの性質の中でも応力とひずみの関係は、最も基本的かつ重要な性質の一つです。材料力学は基本的に材料が弾性変形することを前提にしていますが、弾性変形以外の部分も含めて、材料の性質を分かりやすく示すために用いられるのが応力-ひずみ曲線です。今回は、降伏点とは何かを解説します。

 

1.  降伏点とは

材料に力を加えていくと、初めはばねのように力の大きさに比例して変形しますが、ある力を境に大きく変形するようになります。この力の大きさを降伏点などと呼んでいます。降伏点の前を弾性、後を塑性と呼びます。弾性の範囲では、力を取り除くと元の形に戻りますが、降伏点を超えて塑性の範囲まで力を加えると、力を取り除いても元の形に戻らず変形が残ります。機械や構造物を構成する部品は弾性範囲内の使用が前提のため、降伏点は部品の設計によく使われています。

弾性材料の場合、応力とひずみの関係は図1のように直線状になりますが、実際には材料の種類や測定条件によって様々な曲線を描きます。応力とひずみの関係をグラフ上にプロットしたものを応力-ひずみ曲線(S-S曲線)と呼び、材料の特性を示すために用いられます。材料の強さは応力-ひずみ曲線を使って定義されています。

 

降伏点とは

図1. 応力とひずみの関係(軟鋼の例) 

 

応力が増えずにひずみが増える最初の部分(曲線の凸部分)を降伏点、その時の応力を降伏応力といいます。また、材料が破断、せん断する時の応力は破壊応力です。材料によって降伏点が現れるものと現れないものがあり、降伏点が現れるものは降伏応力を、降伏点が現れないものは破壊応力を材料の強さとすることが多いのです。

2. 降伏点の単位

降伏点の単位は、応力度や引張強度の単位と同じN/m㎡です。

3. 降伏点の計算

応力-ひずみ曲線の特徴は材料種類によって異なります。以下のイラストでは降伏点が存在する金属と降伏点が存在しないものを紹介しました。

鋼材に引っ張り荷重を加えていくと、ある荷重を境に塑性(永久)変形が生じる。このときの荷重が「降伏点」であり、さらに荷重を加えていくと鋼材は塑性変形しながら伸び、やがて破断に至る。このときの荷重が「引っ張り強さ」であり、鋼材の場合には降伏点の1.2~1.5倍くらいになる。日本では、鋼材の強度は「引っ張り強さ」で表されるが、欧州では「降伏点」が用いられる。

 

降伏点とは

図2. 材料による引張試験の傾向の違い

 

ひずみが大きくなる(グラフの横軸)と、ひずみと応力(グラフの縦軸)の関が比例しなくなります。このように比例しなくなる点を降伏点と呼び、これ以降は加えた応力を取り除いても材料は元に戻らなくなります(変形)。この現象を「降伏」と呼びます。

そしてこの降伏が起き始める応力を「降伏強さ」と呼びます。しかし、図2の弾性体の応力-ひずみ線で紹介したように降伏点をもたない金属材料もあります。構造用鋼、軟鋼などは降伏点がありますが、高強度鋼やアルミニウム、銅などは明確に降伏点と呼べる点がありません。このような降伏点を持たない材料においては、降伏点の代わりに0.2%の変形(永久ひずみ)を残す応力を耐力(0.2%耐力)として、降伏強度に代えて使用します。

降伏点がある材料の場合は降伏点までは弾性範囲ですが、耐力はすでに0.2%の永久ひずみが発生するので弾性範囲を超えます。このことから耐力の75%までは弾性範囲であるとみなすこととなっています。ヤング率は降伏点を持たない材料での0.2%耐力を求める際に使用されます。

 

降伏点とは

図3. 0.2%耐力とヤング率

 

4. 降伏点と機械構造用合金鋼

機械構造用合金鋼を用いた部品の図面で降伏点とだけ記載されている場合があります。これは、文献やインターネットに降伏点と記載されているためと推測されますが、機械構造用合金鋼では降伏点が認められない場合があります。降伏点が認められやすい一般構造用圧延鋼材などの普通鋼の規格においても降伏点又は耐力と規定されていることから、図面には降伏点又は耐力と記載するのが良いのではないでしょうか。

なお、文献などに載っている機械構造用合金鋼の機械的性質は、丸棒(直径25mm)から採取した試験片に対する結果です。同一の鋼種でも断面寸法が異なると、同じ熱処理を行っても焼きの入り方が変わるため、機械的性質の値は同じになりません。特に機械構造用炭素鋼においては、直径が大きい場合の機械的性質の低下が著しいため、設計の際には注意が必要です。

 

 

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この記事の著者

嶋村 良太

商品企画・デザインとエンジニアリングの両方の視点を統合し、顧客満足度の高い商品開発を実現していきます。

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