引張強度：基礎と例
引張強度とは
引張強さとは、材料が破断したり永久変形したりする前に、伸ばしたり引っ張ったりしたときに耐えられる最大応力のことです。特に金属、プラスチック、複合材などの材料の基本的な特性であり、構造設計、材料選択、製品性能において重要な役割を果たします。引張強さは通常、パスカル（Pa）やメガパスカル（MPa）のような圧力の単位で測定され、材料が引っ張られた状態でどの程度破断に抵抗するかを反映します。
引張強さとヤング率
引張強さはヤング率（弾性率とも呼ばれる）と混同されがちですが、両者は異なる材料特性を表しています。
- ヤング率は、引張下での弾性変形に対する材料の抵抗力を測定します。降伏点（永久変形が発生する前）までの間、与えられた力の下で材料がどれだけ伸びたり縮んだりするかを数値化したものです。
- 引張強さは、材料が破壊してばらばらになるまでの応力の極限点です。
簡単に言うと
- ヤング率とは、その材料がどの程度硬いかを示すものです。
- 引張強さは、材料が破断するまでに扱える力の大きさを示します。
この2つの特性は、特に応力やひずみを受ける部品の場合、材料の性能を決定する上で非常に重要です。
引張強さに影響する要因
材料の引張強さにはいくつかの要因が影響します：
1.材料組成：材料構成：材料中の原子の種類と配置は、伸張に対する抵抗力に影響します。鋼鉄のような金属はその結晶構造により高い引張強度を持つが、ポリマーの中には弱いものもある。
2.温度：温度が高いと、原子がより自由に動くようになるため、材料の引張強度が低下し、その結果、伸びに対する抵抗力が弱くなります。逆に非常に低い温度は、ある種の材料をもろくし、破壊しやすくする。
3.結晶粒構造：材料中の結晶粒の配列と大きさは、その材料の引張強さに影響を与えます。結晶粒が小さいほど転位に対する抵抗点が多くなるため、結晶粒が細かい材料ほど引張強度が高くなる傾向があります。
4.加工方法：冷間加工や 熱処理のような技術は、材料の内部構造を変化させることによって引張強さを向上させ、変形に対する抵抗力の改善につながります。
5.不純物と欠陥：材料に欠陥、亀裂、不純物があると、応力が集中し、引張強度が低下する。
6.ひずみ速度：材料を引っ張る速度も引張強さに影響します。ひずみ速度が速いと、材料が塑性変形する時間が短くなるため、一般的に引張強さの測定値が高くなります。
様々な材料の引張強さ
引張強さは材料によって大きく異なります。以下に一般的な材料とその代表的な引張強さを示します：
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材料 |
引張強さ (MPa) |
用途例 |
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スチール |
250 - 2,000 |
構造梁、鉄筋、自動車部品 |
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アルミニウム |
90 - 570 |
航空機部品、梱包材、軽量構造物 |
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500 - 1,400 |
航空宇宙、医療用インプラント、高性能エンジニアリング |
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銅 |
210 - 400 |
電気配線、配管、工業用途 |
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コンクリート |
2 - 5 |
基礎、橋梁、建築物 |
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プラスチック（ポリエチレン |
20 - 40 |
包装、容器、軽量用途 |
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3,500 - 6,000 |
航空宇宙、スポーツ用品、自動車部品 |
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木材 |
30 - 150 |
建築、家具、大工仕事 |
その他の素材については、 スタンフォード・アドバンスド・マテリアルズ（SAM）をご覧ください 。
よくある質問
引張強さと降伏強さの違いは何ですか？
引張強さは材料が破断するまでに耐えられる最大応力であり、降伏強さは材料が塑性変形し始める点です。降伏強度は、材料の弾性挙動が終わり、永久変形が始まることを示します。
最も高い引張強度を持つ材料は何ですか？
炭素繊維は3,500MPaから6,000MPaと最も高い引張強度を持ち、航空宇宙やスポーツ用品などの高性能用途に最適です。
引張強さは改善できますか？
引張強度は、熱処理、冷間加工、合金化処理によって向上させることができます。例えば、鋼材は焼き入れや 焼き戻し処理によって強度を向上させることができます。
温度は引張強さにどのような影響を与えますか？
高温では、原子結合が弱まり変形しやすくなるため、一般的に引張強さが低下します。逆に、極端に低い温度では、金属のような材料はもろくなり、引張強さが低下します。
引張強さはどのように測定するのですか？
引張強さは引張試験で測定します。サンプルを制御された条件下で引き伸ばし、材料が破断するまでに耐えられる応力の大きさを記録します。試験結果は、極限引張強さ、降伏強さ、その他の関連特性を示します。
