引張強度とは何ですか?定義、単位、公式、およびテスト方法

引張強度とは何ですか?定義と中心的な意味

引張強さは、材料が引き伸ばされた状態で破断する前に耐えることができる最大の引張 (引っ張り) 応力です。 これは工学分野で最も広く引用される機械的特性の 1 つです。これは、材料が分離する前に部品がどのくらいの軸方向の引っ張り力に耐えられるかという単純だが重要な質問に答えるためです。引張強さはメガパスカル (MPa) またはポンド/平方インチ (psi) で表され、標準化された試験片を破断するまで引っ張ることによって測定されます。

プラスチック加工業者にとって、引張強さは抽象的な実験室の数値ではありません。シートベルトを車両のフレームに固定するガラス繊維強化 PA66 ブラケットを成形する場合、引張強度から、材料が降伏して最終的に破断する前にブラケットが耐えることができる最大軸方向引張荷重がわかります。設計エンジニアと調達チームは、この値を使用して候補ポリマーを比較し、最小肉厚を計算し、特定の用途に標準グレードと強化グレードのどちらが必要かを決定します。

引張強度も応力-ひずみ曲線上で明確な位置を占めます。引っ張り荷重がかかると、ナイロンなどの延性ポリマーでは材料が最初に弾性変形し、次に塑性変形し、最後に破断します。破断が発生する応力は引張強さであり、極限引張強さと呼ばれます。これは、永久変形が始まる応力である降伏強度とは異なります。また、試験片が破壊するまさにその瞬間に記録される応力である破壊強度とも異なります。これら 3 つの値を一緒に理解することで、材料選択におけるコストのかかる間違いを防ぐことができます。

引張強さはどのように測定されますか?

引張強さは万能試験機で測定します。一般にドッグボーン試験片と呼ばれるダンベル型の試験片を 2 つのグリップの間に挟みます。機械は試験片を一定の速度で引っ張り、ロードセルが力を記録し、伸び計が伸びを記録します。試験は試験片が破断するまで続けられます。テスト中に記録された最大の力をゲージ セクションの元の断面積で割って、選択した単位系の引張強さを求めます。

結果は、試験規格、試験片の形状、クロスヘッド速度、温度、湿度に大きく依存します。プラスチックと金属では規格が異なるため、試験条件が異なると数値を直接比較することができません。以下の表は、エンジニアリング材料に使用される主流の引張試験方法を示しています。

ナイロン データシートの引張強度データを比較する場合は、どの規格が使用されているかを必ず確認してください。 ASTM D638 と ISO 527 で生成された値は、試験片の寸法と試験速度が異なり、故障モードは試験片の水分の状態によって影響を受ける可能性があるため、自動的には互換性がありません。

引張強さの主な種類: 降伏、極限、破壊

引張強さという用語は、あたかも単一の数値を指すかのように使用されることがよくあります。実際には、引張試験では少なくとも 3 つの異なる値が生成され、それぞれが異なる工学的意味を持ちます。

降伏強さ

降伏強度は、材料が永久に変形し始める応力です。 明確な降伏点を示さないポリマーの場合、エンジニアは 0.2% オフセット法を使用します。つまり、弾性領域に平行な線が 0.2% ひずみだけシフトされ、応力-ひずみ曲線との交点がオフセット降伏強度を定義します。この値は回復可能な変形の限界を示すため、ほとんどの構造設計の基礎となります。

極限引張強さ

極限引張強さは、工学的な応力-ひずみ曲線で到達する最高の応力です。 延性ナイロンの場合、これはネッキングが局所的な領域に集中的に変形を開始するポイントです。この点を超えると試験片は伸び続けますが、ネック断面の耐荷重能力は破断が発生するまで減少します。この値は、材料データシートで引張強度として最も一般的に報告される値です。

破壊強度

破壊強度は、破壊の瞬間に記録される応力です。延性ナイロン試験片では、ネッキング中に断面が薄くなるため、破壊応力が極限引張強さよりも低くなることがよくあります。高ガラス充填 PPA などの脆性材料では、極限強度と破壊強度は通常、互いに近い値になります。この違いを認識すると、ある材料が長く平らな破断領域を示し、別の材料が突然破壊する理由を説明するのに役立ちます。

引張強度 vs. 降伏強度 vs. 破断伸び

所定の位置にカチッとはめ込む必要がある成型ナイロン クリップの場合、破断点伸びは、クリップがひび割れすることなくどこまで曲がるかを示します。降伏強度は、繰り返し挿入した後にクリップが永久にクランプ力を失うかどうかを示します。引張強度は、クリップが最終的に分離する力を示します。 3 つの値はすべて同じ引張試験から得られますが、異なる工学上の質問に答えます。

実際の例: 強化されていない PA6 で作られたスナップフィット フックは、70 MPa の引張強度と 40% の破断伸びを示し、組立作業者は亀裂を生じることなくフックを曲げることができます。これを、引張強度 250 MPa、伸び率わずか 1.5% の 45% ガラス充填 PPA グレードに置き換えると、まっすぐに引くとはるかに強力であるにもかかわらず、フックが組み立て中に折れてしまいます。このため、強度値は常に延性とともに解釈されます。

引張強さの単位と代表的な材料値

引張強さは、SI システムではパスカル (Pa) で報告されますが、エンジニアリングの実践ではメガパスカル (MPa) で表示されます (1 MPa = 1 N/mm²)。北米市場ではポンド/平方インチ (psi) がよく使用されます。単純に換算すると、1 MPa = 145.038 psi、1 ksi (1,000 psi) = 6.895 MPa となります。サプライヤーが異なる単位で値を提示する場合は、グレードを比較する前に単位を換算してください。

Dry-as-molded (DAM) 状態とは、乾燥状態で保管された新たに成形された試験片を指します。材料が湿気を吸収して相対湿度 50% で平衡になった後、調整された状態に達します。使用中のナイロン部品は通常、調整された状態に近いため、DAM データのみに依存すると、成形部品の実際の強度を過大評価する可能性があります。

ナイロン材料の引張強さに影響を与える要因

ナイロンベースのポリマーの場合、引張強さは一定の数値ではありません。同じ PA6 グレードでも、湿気、強化材、温度、加工条件に応じて、非常に異なる引張値を示すことがあります。データシートを比較したり、成形部品を計画したりする場合、これらの変数を理解することが不可欠です。

吸湿性

ナイロンは吸湿性があり、吸収した水分は可塑剤として作用します。 ガラス転移温度を下げ、衝撃靱性を高め、引張強度と剛性を低下させます。一般的な非強化 PA6 樹脂は、相対湿度 50% で水分平衡に達した後、成形時の乾燥状態で約 75 MPa から約 50 MPa まで低下します。これが、ナイロンのデータシートに乾燥値と調整後の値の両方が記載されている理由であり、湿気の多い環境で使用される部品は、新たに成形された値ではなく調整後の値に基づいて設計する必要がある理由です。

ガラス繊維強化材

重量比 30% のガラス繊維を追加すると、カップリング剤と最終的な繊維長分布に応じて、PA66 の引張強度が約 85 MPa から約 190 MPa に上昇します。繊維とマトリックスの良好な接着が重要です。結合が不十分だと、低応力で繊維が引き抜かれ、強度の増加が小さくなります。このため、制御された配合で製造された強化グレードは通常、一般的な社内ブレンドよりも一貫した引張結果を示します。

温度

引張強さは温度が上昇すると低下します。 80 ～ 100°C では、標準的な非強化 PA6 は室温での引張強さのほんの一部しか保持しません。高温のエンジンルームでは、エンジニアは熱安定化グレードまたは PPA ベースのグレードを選択します。の 高温環境における PA6 チップ シリーズの熱安定性の利点 については別の分析で説明しますが、一般的なルールは単純です。引張比較は 23°C だけでなく、適用温度でも実行する必要があります。

分子量、結晶化度、加工処理

分子量が高くなると鎖の絡み合いが改善されるため、伸びと靱性が向上しますが、最終的な結晶化度は加工条件によって決まります。型内で急速に冷却すると、結晶性が低く、より柔らかい材料が生成されます。適切な金型温度により結晶化度が高まり、引張強度と剛性が向上します。あらゆる熱履歴により、ポリマーもある程度劣化します。そのため、複数の熱サイクルを経た再生再生材は、未使用の材料と比較して、引張強度が目に見えるほど低下する可能性があります。

PA6、PA66、および PPA を選択する際に引張強さが重要な理由

加工業者または材料エンジニアが PA6、PA66、および PPA を比較する場合、通常、引張強度がデータシートの最初の特性線になります。これは、3 つの材料を最も明確に分離する特性でもあります。ポリマーファミリーについてのより広範な紹介が必要な場合は、当社のガイドを参照してください。 ナイロン素材とは何ですか PA6、PA66、PPAの分子構造を詳しく説明します。

PA6: バランスの取れた強度、流動性、表面品質

PA6 は、優れた表面外観、良好な靭性、および容易な加工を提供します。強化されていない形状では、その引張強度は乾燥したままの状態でおよそ 70 ～ 80 MPa です。電気コネクタ、家電製品、スポーツ用品の場合、メーカーは多くの場合、 強化グレードの PA6 チップ 、安定した成形と 160 ～ 185 MPa の範囲の典型的な引張値を実現する狭い粘度ウィンドウとガラス繊維強化を組み合わせています。

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PA66: 構造部品のより高い強度と剛性

PA66 は PA6 よりも高い融点と高い機械的強度を持っています。非強化 PA66 は通常、乾燥状態で成形された状態で約 85 MPa に達し、30% のガラス繊維強化グレードは 185 ～ 210 MPa に達します。標準ナイロンの中で最も高い引張強度が要求される設計の場合、 強化グレードの PA66 チップ 自動車のブラケット、ギア、構造ハウジングに必要な強度と寸法安定性を実現します。

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PPA: 熱と湿気の下での引張強さの保持率

PPA (ポリフタルアミド) は半芳香族ポリアミドです。 30 ～ 45% のガラス繊維を含む PPA グレードは、引張強度が 200 ～ 280 MPa に達し、さらに重要なことに、高温多湿の条件下でも PA6 や PA66 よりも高い割合でその強度を維持します。これが理由です 強化された PPA チップ ターボチャージャーのエアダクト、冷却システム部品、熱源近くのコネクターに指定されています。この動作の背後にあるメカニズムについては、次の記事で説明されています。 強化された PPA が過酷な環境でも長期安定性を維持する理由 .

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引張強さに関するよくある誤解

より高い引張強さは常により良い部品を意味します

通常、強度は延性を犠牲にして得られます。引張強度が 280 MPa の高充填グレードは破断するまでに 1 ～ 2% しか伸びませんが、引張強度が 50 MPa の強化ナイロンは 40 ～ 60% 伸びます。スナップフィットアセンブリや衝撃を受けやすい部品の場合、生の引張強さよりも延性の方が重要な場合があります。最も強いグレードが、特定の形状に対して自動的に最適なグレードになるわけではありません。

引張強さだけで耐用年数を予測する

実際の部品は、1 回の静的引張だけでなく、疲労、クリープ、応力亀裂、衝撃によって破損します。引張強さは、室温での 1 回の低速試験を表します。部品は、引張限界を大幅に下回ったままでも、数千サイクル後の繰り返し荷重下では破損する可能性があり、または一定の持続荷重下では数週間以内に破損する可能性があります。データシートの最大値だけでなく、読み込みモードを考慮して設計します。

データシートの値は成形品と一致します

引張強度は、標準化されたダンベル試験片で測定されます。実際の射出成形部品では、ガラス繊維が流れの方向に沿って配向し、ウェルド ラインが弱点を作り、残留応力によって局所的な強度が低下します。クリティカル ゾーンにおける実際の局所強度は、データシートの値より 20 ～ 40% 低くなる可能性があります。安全性が重要な部品については、プロトタイプのテストが依然として必要です。

材料の選択では引張強度のみが重要です

剛性（引張弾性率）、衝撃強さ、耐熱性、伸びも同様に重要です。引張試験で保持される歯車は曲げ疲労により歯元で破損する可能性があり、また引張強度に優れたハウジングは落下時に亀裂が生じる可能性があります。常に、引張強さの値とともに完全な特性セットを読んでください。

引張強さに関するよくある質問

引張強さと降伏強さの違いは何ですか?

降伏強度は、材料が永久に変形し始める応力です。引張強さは、材料が破断するまでに耐えることができる最大応力です。ナイロンのような延性ポリマーの場合、降伏強度は通常、極限引張強度よりも低くなります。脆性材料の場合、2 つの値はほぼ同じになる場合があります。設計者は降伏強度を使用して使用荷重制限を設定し、引張強度を使用して破壊制限を評価します。

引張強さはどのような単位で測定されますか?

メガパスカル (MPa) は、ほとんどの技術データシートの標準単位であり、1 MPa = 1 N/mm² です。北米市場では通常、ポンド/平方インチ (psi) またはキロポンド/平方インチ (ksi) が使用されます。変換するには、MPa に 145.038 を乗算して psi を取得するか、psi を 145.038 で除算して MPa を取得します。

引張試験から引張強度を計算するにはどうすればよいですか?

テスト中に加えられた最大の力を記録し、それをゲージ セクションの元の断面積で割ります。式は、引張強さ = 最大力 / 元の断面積です。使用される領域は元の領域であるため、結果は実際の応力値ではなく工学的応力値になります。

湿気によりナイロンの引張強度は低下しますか?

はい。ナイロンは水を吸収し、吸収された水分は可塑剤として作用します。典型的な乾燥状態の成型状態の PA6 試験片は約 75 MPa を示す場合がありますが、50% の相対湿度平衡に調整された同じグレードでは約 45 ～ 55 MPa に低下する可能性があります。そのため、ナイロンのデータシートでは常に乾燥値と調整後の値の両方が報告されます。

ガラス繊維強化PA66の引張強さはどのくらいですか?

30% のガラス繊維を含む PA66 グレードは通常、カップリング システムと加工条件に応じて、乾燥状態での成形状態で測定すると 185 ～ 210 MPa を示します。調整後の値はより低く、多くの場合 120 ～ 150 MPa の範囲ですが、それでも強化されていない PA66 よりもはるかに高くなります。この組み合わせにより、GF30 PA66 は自動車構造部品や産業部品に一般的な選択肢となります。

ガラス繊維を添加せずに引張強度を向上させることはできますか?

はい、限られた範囲でです。金型の温度制御により結晶性を高めたり、分子量を高めたり、PPAなどの半芳香族ポリアミドとブレンドすることで強度を向上させることができます。しかし、引張強度を確実に大幅に向上させるには、依然としてガラス繊維強化が最も効果的かつ経済的な方法です。

引張強度データを評価するための実践的なヒント

サプライヤーからデータシートまたは材料レポートが送られてきた場合は、次のチェックリストを使用して、比較できない値の比較を避けてください。

1. 試験規格を確認してください。 ASTM D638 と ISO 527 の値は、試験片の形状と試験速度が異なるため、自動的には比較できません。
2. 乾燥した値と調整された値を一緒に読み取ります。通常の空気中でのナイロン部品の場合、調整後の値は使用中の性能に近づきます。
3. テスト速度を確認してください。引っ張りを速くすると、延性ポリマーの引張強度の測定値が高くなります。
4. 同じレポートで破断点伸びと引張弾性率を確認してください。これら 2 つの数値は、材料が単に強いだけではなく、延性と剛性があるかどうかを示します。
5. 使用温度での値を比較してください。 23℃での引張強度は、エンジンルーム内の80℃での性能を表すものではありません。
6. 量産前にバッチテストレポートを依頼してください。分子量や添加剤のレベルが異なると、バッチ間で引張強度が変化する可能性があります。

引張強さは出発点であり、すべてではありません。これを降伏強さ、破断点伸び、引張弾性率、調整された試験データ、および正しい材料グレードと組み合わせると、部品が荷重下でどのように動作するかを現実的に把握できます。単一の数値ではなく、その組み合わせが、信頼できるナイロン部品と使用初期に故障する部品を分けます。