引張特性とは、引張方向に加えられる力に対して材料がどのように反応するかを示すものです。 引張試験は、慎重に準備された試験片に非常に制御された方法で荷重をかけ、ある距離における試験片の適用荷重と伸びを測定する基本的な機械試験である。 引張試験は、弾性係数、弾性限界、伸び、比例限界、面積減少、引張強度、降伏点、降伏強度、その他の引張特性を測定するために使用されます。
引張試験の主な成果物は荷重対伸びの曲線で、これを応力対ひずみの曲線に変換する。 工学的応力も工学的ひずみも荷重と伸びを一定値（試験片の形状情報）で割ることによって得られるので、荷重-伸び曲線は工学的応力-ひずみ曲線と同じ形状になる。 応力-ひずみ曲線は、加えた応力とその結果生じるひずみを関係付けるもので、材料ごとに固有の応力-ひずみ曲線を持っています。 典型的な工学的応力-ひずみ曲線を以下に示す。 9484>
線形弾性領域と弾性定数
図に見られるように、応力とひずみは最初線形関係で増加します。 これが線型弾性部分であり、塑性変形が起きていないことを示す。 この曲線の領域では、応力を小さくすると、材料は元の形状に戻る。 この線形領域では、応力とひずみの比が一定であるフックの法則として定義された関係に従います。
応力がひずみに比例するこの領域での直線の傾きを弾性係数またはヤング率と呼びます。 弾性係数（E）は、材料が応力を受けて変形し、応力を取り除いた後に元の形状に戻るときの性質を規定するものである。 つまり、材料の剛性を表す指標となる。 弾性係数を計算するには、応力を材料のひずみで割ればよい。 ひずみは無単位なので、弾性率は応力と同じ単位、たとえばkpiやMPaで表される。 弾性率は、特に部品に引張力が加わった場合に適用される。 ロッドやワイヤーが引張荷重でどれだけ伸びるかを計算する必要がある場合、この弾性係数が注目される。
弾性率は、材料が伸びたり、曲がったり、あるいは歪んだりする方法によって、いくつかの種類があります。 例えば、円柱の棒がねじられるような純粋なせん断を受ける場合、せん断弾性率は線形弾性応力-ひずみ関係を記述する。
軸方向のひずみには、軸方向のひずみと直交する2方向に常に逆符号の横方向のひずみが伴います。 長さが増加するひずみを正(+)、長さが減少するひずみを負(-)と表記する。 ポアソン比は一軸の応力状態における横ひずみと軸ひずみの比の負と定義されます。
ポアソン比は横ひずみと軸ひずみの絶対値の比と定義することもあります。 この比はひずみと同様、ひずみも単位を持たないので、単位なしとなる。 弾性範囲内の応力では、この比はほぼ一定です。 完全な等方性弾性体の場合、ポアソン比は0.25であるが、ほとんどの材料では0.28～0.33の範囲にある。 一般に鋼材の場合、ポアソン比は約0.3である。 これは、応力が加えられた方向に1インチあたりの変形があるとすると、力が加えられた方向に垂直な方向に0.3インチあたりの変形があることを意味します。
弾性定数のうち2つだけが独立しているので、2つの定数がわかっている場合、3つ目は次の式で計算できる：
E = 2 (1 + n) G.
| ここで。 | E | = | 弾性係数（ヤング率） |
| n | = | ||
| = |
その他の弾性定数として、体積弾性率 (K) とレーム定数 (m と l) があります。 体積弾性率は、材料が四方八方から圧力上昇を受けるような状況を表すのに使用されます。 圧力の変化と、その結果生じるひずみの関係が体積弾性率である。 レーム定数は、弾性係数とポアソン比から導かれる。
降伏点
延性材料では、ある時点で応力-ひずみ曲線が直線関係から外れ、ひずみが応力より速く増加するため法則が適用されなくなる。 この時点から引張試験において、試験片に永久変形が生じ、それ以上の荷重または応力の増加に対して材料が塑性的に反応すると言われている。 荷重を取り除くと、材料は元の応力のない状態には戻りません。 脆性材料では、塑性変形はほとんど、あるいはまったく起こらず、曲線の線形弾性部分の終点付近で材料が破壊されます。
ほとんどの材料では弾性挙動から塑性挙動への移行が緩やかであり、塑性変形が発生し始める時点を正確に判断することは困難である。 そのため、ひずみ測定の感度やデータの使用目的に応じて、降伏の開始に関するさまざまな基準が用いられている。 (表参照）ほとんどの工学設計や仕様の用途では、降伏強度が使用されます。 降伏強度は、小さな塑性変形を起こすのに必要な応力と定義される。 オフセット降伏強さは、応力-ひずみ曲線とその弾性部分に平行な線との交点を指定されたひずみでオフセットしたものに相当する応力である（米国では通常、金属では0.2%、プラスチックでは2%のオフセットがある）。
イギリスでは降伏強度を耐力と呼ぶことが多い。 オフセット値は0.1％または0.5％
このオフセットを用いて降伏強度を求めるには、0.002の歪軸（x軸）上に点を求め、応力-歪線と平行な直線を引く。 この線は応力-ひずみ線がカーブし始めた少し後に交差することになり、その交差点を0.2%オフセットした降伏強度と定義する。 オフセット降伏強度の見方は、試験片に0.2%のオフセット降伏強度まで荷重をかけた後に荷重を取り除くと、試験前よりも0.2%長くなる、というものである。 降伏強度は材料が永久に変形する正確なポイントを表すものであるにもかかわらず、0.2%の伸びは降伏強度の定義が容易になるため、許容できる犠牲の量と考えられています。
ねずみ鋳鉄や軟銅などの一部の材料は、本質的に線形弾性挙動を示さないことが分かっています。 これらの材料では通常、ある総量のひずみを発生させるのに必要な応力として降伏強さを定義します。
- 本当の弾性限界は非常に低い値で、数百の転位の動きに関係します。 2×10 -6 in/inのオーダーのひずみを検出するためには、微小ひずみ測定が必要である。
- 比例極限は、応力がひずみに正比例する最高応力である。 応力-ひずみ曲線の直線部分からのずれを観察することによって求められる。
- 弾性限界とは、荷重を完全に解放したときに測定可能な永久ひずみが残らず、材料が耐えることのできる最大の応力である。 これは、面倒な漸増的ロード-アンロード試験手順を用いて決定されます。 工学的研究に通常用いられるひずみ測定の感度（10 -4in/in）では、弾性限界は比例限界より大きい。 ひずみ測定の感度を上げると、弾性限界の値は減少し、最終的には微小ひずみ測定から求めた真の弾性限界と等しくなります。
- 降伏強度は小さく指定された塑性変形量を発生させるのに必要な応力である。 オフセット法で得られる降伏強度は、弾性限度や比例限度の測定に伴う実用上の困難を避けることができるため、工学的によく用いられる。
極限引張強さ
極限引張強さ（UTS）あるいはもっと簡単に言うと引張強さは、引張試験で到達する工学的最大応力レベルである。 材料の強さは、外力に対して壊れることなく耐えることができる能力である。 脆性材料では、UTSは応力-歪み曲線の線形弾性部分の終点、または弾性限界に近いところにある。 延性材料では、UTSは応力-歪み曲線の弾性部分から大きく外れて塑性部分となります。
上記の応力-ひずみ曲線において、UTSは線が瞬間的に平坦になる最高点である。 UTSは工学的応力に基づいているため、破断強度とは異なる場合が多い。 延性材料ではひずみ硬化が起こり、破壊が起こるまで応力が増加し続けるが、工学的応力-ひずみ曲線では破壊が起こる前に応力レベルが低下している場合がある。 これは工学的応力が元の断面積に基づいており、試験片によく発生するネッキングが考慮されていないためです。 UTSは材料が支えることのできる最高レベルの応力を完全に代表するものではありませんが、いずれにせよこの値は一般的に部品の設計に使用されるものではありません。 延性金属の場合、現在の設計手法では静的部品のサイジングに降伏強度を使用します。 しかし、UTSは測定が容易で再現性が高いため、材料を特定する目的や品質管理には有用である。 一方、脆い材料の場合、部品の設計は材料の引張強さに基づいて行われることがあります。
延性の測定（伸びと面積の減少）
材料の延性は、材料が破壊する前に変形する程度の尺度である。 延性の大きさは、圧延や押出などの成形加工を考える上で重要な要素である。 また、部品が破壊するまでに過負荷による損傷がどの程度見られるかを示す指標にもなる。 延性は、不純物の混入や材料の適切な加工を評価するための品質管理指標としても利用されている。
従来の延性の指標は、破断時の工学的ひずみ（通常、伸びと呼ばれる）と破断時の面積の縮小です。 これらの特性はいずれも、破断後に試験片を元通りにはめ込み、長さと断面積の変化を測定することによって得られます。 伸びとは、軸方向の長さの変化を試験片または試験片の一部の元の長さで割ったものです。 パーセントで表される。 塑性変形のかなりの部分が引張試験片のくびれた部分に集中するため、伸びの値は測定するゲージ長に依存します。 ゲージ長が小さければ小さいほど、くびれた部分の局所的なひずみが大きくなるため、計算には大きな影響を与えます。 従って、伸びの値を報告する場合には、ゲージ長を記載する必要があります。
ネッキングによる複雑な現象を避けるための1つの方法は、ネッキングが始まる点までの均一ひずみに基づいて伸びを測定することです。
面積の減少とは、断面積の変化を元の断面積で割ったものです。 この変化は試験片のネッキングした領域で測定される。 伸びと同様、通常は百分率で表される。
先に述べたように、引張は材料に負荷をかける方法の1つに過ぎません。 材料に負荷をかける他の方法としては、圧縮、曲げ、せん断、ねじりなどがあり、これらの他の負荷条件下で材料がどのように機能するかを特徴付けるために確立された標準的な試験が数多く存在します。 次のページでは、これらの材料特性のいくつかを簡単にご紹介します。