曲げ試験とは

曲げ試験は、屈曲試験や横梁試験と呼ばれることもあり、単純な梁荷重を受けた材料の挙動を測定します。この試験はポリマーや木材、複合材など、比較的柔軟性のある素材に対してよく行われます。最も基本的なメソッドでは、万能試験機を使って、サポート圧子上に試験片を置き、1つまたは2つの圧子上で荷重を加えて曲げ特性を評価します。


曲げ試験または屈曲試験は、中央部に1つの上部アンビルを置いて力を加える3点曲げ試験と、中央部から等距離に2つの上部アンビルを置いて力を加える4点曲げ試験があります。3点曲げ試験の場合、均一な応力の領域は非常に小さく、中央の荷重点の下に集中します。4点試験では、均一な応力がかかる領域は、内側のスパンの荷重点間(通常、外側スパンの長さの半分)に存在します。試験する材料の種類によって、適切な曲げ治具はさまざまです。
曲げ試験治具

曲げ試験を実行する理由

エンジニアは材料の挙動をさまざまな側面から理解したいと考えることが多々ありますが、単純な一軸引張試験や圧縮試験では必要な情報をすべて得ることができない場合があります。試験片が曲がるか、または屈曲するにつれて、引張、圧縮、およびせん断を含む荷重の複雑な組合せにさらされます。このため、曲げ試験は現実的な負荷状況に対する材料の反応を評価するために一般的に使用されます。曲げ試験データは、材料が支持構造として使用される場合に特に有用です。たとえば、プラスチック製の椅子の場合、多方向のサポートが必要です。使用時に脚が圧縮される一方で、座面は座る人から加わる曲げの力に耐える必要があります。想定される荷重に耐えることはもちろん、万が一、曲がったときに元の形状に戻ることも求められます。

インストロンの曲げ試験

試験の実施と結果の計算

曲げ試験は、一般的に3点または4点曲げ治具を使用した万能試験機で行われます。試験速度や試験片の寸法などの可変要素は、使用するASTMやISO規格によって決まります。試験片は一般に硬質で、プラスチック、金属、木材、セラミックスなどさまざまな材料で作ることができます。最も一般的な形は、長方形または丸棒の試験片です。

曲げ試験では、試験片の凸面には引張応力、凹面には圧縮応力が発生します。これにより、正中線に沿ったせん断応力の領域が形成されます。引張応力や圧縮応力による一次破断を確実にするために、スパン対深さの比(外周スパンの長さを試験片の高さ(深さ)で割った値)を制御して、せん断応力を最小にする必要があります。ほとんどの材料ではS/d=16が許容範囲です。材料によっては、せん断応力を十分に低く抑えるために、S/d=32~64を必要とするものもあります。

最大繊維応力と最大ひずみは、負荷の増分に対して計算されます。結果は応力-ひずみ図にプロットされます。曲げ強さは、最外層繊維の最大応力として定義されます。これは、試験片の凸面側または張力側の表面で計算されます。曲げ弾性係数は,応力対たわみ曲線の傾きから算出されます。曲線に直線領域がない場合は、曲線に割線を当てはめ、傾きを決定します。

曲げ試験

最大荷重や最大伸長などの計算値は、ロードセルや伸長器の読み取り値から、通常の引張試験または圧縮試験と同様に記録することが可能です。応力とひずみの値は、曲げ治具の支持スパンと荷重スパン(4点曲げ試験の場合)を組み込んでいるため、異なる計算となります。これらの測定値を記録することは、試験片の寸法を適切に記録することと同様に重要です。これらの値をBluehill Universalに入力すると、曲げ弾性係数などの計算が要求されたときに自動的に計算されます。

Bluehill Universalの曲げ試験用治具の入力

一般的な材料

ポリマー

ポリマーは、3点曲げ試験で試験するのが最も一般的です。試験片のたわみは通常クロスヘッドの位置で測定され、試験結果には曲げ強度曲げ弾性係数が含まれます。

木材と複合材

木材や複合材は、4点曲げ試験で試験するのが最も一般的です。4点試験では、支持スパンの中央で試験片のたわみを正確に測定するために、たわみ計が必要です。試験結果には、曲げ強度と曲げ弾性係数が含まれます。

脆性材料

セラミックやコンクリートなどの脆性材料で3点曲げ試験を行う場合、曲げ強度はMOR(破断係数)とも呼ばれます。この試験は曲げ強度のデータのみを提供し、剛性(弾性係数)のデータは提供しません。4点試験は、脆性材料にも使用できますが、この場合、支持アンビルと負荷アンビルのアライメントが重要であり、これらの材料用の試験治具は通常、自動調心アンビルを備えています。

ASTMおよびISOの一般的な曲げ試験規格

  • ASTM D790 - 非強化および強化プラスチックと電気絶縁材料の曲げ特性に関する標準試験方法
  • ISO 178 - プラスチック-曲げ特性の測定
  • ASTM A370 - 鉄筋棒鋼の引張試験と曲げ試験