引張試験
概要

極限引張強度

材料に関して測定できる最も重要な特性の1つは、極限引張強度（UTS）です。これは、試験時に試験片が耐えることができる最大の応力です。UTSは、試験片の材料が脆性か延性か、またはその両方の特定を持つかによって、その破断強度と同等のこともあれば、同等でないこともあります。ラボの試験では延性であっても、実際に使用されて極寒にさらされると、脆性に変わる材料もあります。

フックの法則

大半の材料では、試験の初期段階は、加えられた力または荷重と、試験片が示す伸びとの間に、線形関係が見られます。この線形領域の直線は「フックの法則」と呼ばれる関係に従っています。すなわち、応力とひずみの比は一定です。Eは、応力（σ）とひずみ（ε）が比例する領域の直線の傾きであり、「弾性係数」または「ヤング率」といいます。

$$E=\frac{\sigma }{\epsilon }$$

弾性係数

弾性係数は材料の硬さを表します（曲線の初期の線形領域でのみ有効）。この線形領域内で、試験片から引張荷重を取り除くと、材料は力を加える前とまったく同じ状態に戻ります。曲線が線形でなくなり、線形関係から逸脱する地点では、フックの法則は当てはまらなくなり、試験片には何らかの永続的な変形が生じます。この地点を弾性限度または比例限度といいます。引張試験のこの地点以降は、それ以上の荷重や応力の増加に対して、材料は可塑的に反応します。こうなると、荷重を取り除いても、応力が加わっていない元の状態には戻りません。

降伏強度

定義では、材料の降伏強度は材料が塑性変形を起こすときの応力の強さを意味します。

オフセット法

材料によっては（金属やプラスチックなど）、線形の弾性領域からの逸脱を容易に特定できないことがあります。その場合は、材料の降伏強度を測定する方法としてオフセット法を使用することができます。この方法は、金属の降伏強度の測定でよく使用されます。ASTM E8/E8Mに従った金属の試験では、オフセットはひずみの比率と規定されています（通常0.2%）。オフセット"m"から線形の弾性領域（傾きが弾性係数に等しい）の直線を引いたときの交点 "r"から求められる応力（R）がオフセット降伏強度になります。

代わりの係数

材料には、引張曲線にあまり明確な線形領域のないものがあります。その場合、ASTM規格E111には、ヤング率ばかりでなく材料の係数を測定するための別の方法が用意されています。それは割線係数と接線係数です。

ひずみ

引張試験では、試験片が受ける伸張量を求めることもできます。これは、長さの変化という絶対的な測定値で表すことも、「ひずみ」という相対的な測定値で表すこともできます。ひずみそのもは、"工学ひずみ "と"真ひずみ"の2通りの方法で表すことができます。

工学歪みは、最も簡単でよく使われる歪みの表し方でしょう。工学ひずみは、元の長さ対する長さの変化の比率です。

$$e=\frac{L-Lₒ}{Lₒ}=\frac{\mathrm{\Delta }L}{Lₒ}$$

真ひずみもこれに似ていますが、試験の進行に伴う試験片の長さの瞬間的な変化量に基づいています。ここで、L_iは瞬間的な長さ、L₀は元の長さです。

$$\epsilon =In\frac{Lᵢ}{Lₒ}$$