試験方法 機械的試験 引張試験圧縮試験曲げ試験せん断試験ねじり試験疲労試験クリープ試験き裂伝ぱ試験衝撃試験座屈試験エリクセン試験 摩耗試験 応力腐食割れ試験 硬さ試験押込み硬さ試験動的硬さ試験 化学的試験 腐食試験 組織観察マクロ組織ミクロ組織結晶粒度 非金属介在物

金属材料の試験方法

金属材料の試験方法

Test Methods for Metallic Materials

Test Methods for Metallic Materials

試験方法 試験方法 機械的試験 硬さ試験 押込み硬さ試験 動的硬さ試験 組織観察 マクロ組織 ミクロ組織 結晶粒度 非金属介在物 引張試験 圧縮試験 曲げ試験 せん断試験 ねじり試験 衝撃試験 疲労試験 クリープ試験 エリクセン試験 摩耗試験 座屈試験 き裂伝ぱ試験 化学的試験 腐食試験 応力腐食割れ試験

押込み硬さ試験

押込み硬さ試験

Indentation Hardness Test

Indentation Hardness Test

ビッカース硬さ試験（Vickers hardness test）

ビッカース硬さ試験（Vickers hardness test）

対面角136°のダイアモンドの正四角錐を試験 片に押し込んだときに生じるくぼみの面積で 押込みに要した荷重を割った値． 2 2 136 sin 2 102 . 0 102 . 0 HV d F S F ° = = F：荷重[N] ，S：くぼみの表面積[mm2_]， d：くぼみの対角線長さd₁, d₂の平均[mm] HVは応力の次元となるが，通常，単位を付けずに用いる． Indent d₁ d2

ビッカース硬さ（Vickers hardness number ）

ブリネル硬さ試験（Brinell hardness test）

ブリネル硬さ試験（Brinell hardness test）

超硬合金の球形圧子を試験片に押し込んだと きに生じるくぼみの面積で，押込みに要した 荷重を割った値．

{

2 2

}

2 102 . 0 102 . 0 HBW d D D D F S F − − = = π F：荷重[N] ，S：くぼみの表面積[mm2_{]，d：くぼみ} の直径[mm]，D：球形圧子の直径[mm] HBWは応力の次元となるが，通常，単位を付けずに用いる． F d D Ball indenter Material

ブリネル硬さ（Brinell hardness number ）

ロックウェル硬さ試験（Rockwell hardness test）

ロックウェル硬さ試験（Rockwell hardness test）

鋼球またはダイヤモンドの円錐を試験片に押 し込んだときに生じるくぼみの深さから求め る硬さ．基準荷重で押し込んだときのくぼみ の深さとその後の試験荷重（＞基準荷重）で 押し込んだときのくぼみの深さとの差から求 める． 2 100 HR 2 130 HR h h − = − = h：くぼみの深さ[μm] （球形圧子の場合） （円錐圧子の場合）

ロックウェル硬さ（Rockwell hardness number ）

測定した硬さの用途 測定した硬さの用途 引張強さや耐力との関係 引張強さや耐力との関係 硬さHと引張強さ

σ

_Bや耐力

σ

_0.2との関係は，直 線関係で表される場合が多い．

(

)

C K ⋅ _B + = or _0.2 H σ σ K, C：定数

Tensile strength B[MPa]

Vickers hardness number

H V Carbon steel HV ≈0.3 B [MP a] 1000 300

測定した硬さの用途 測定した硬さの用途 硬さの本質は 未だに不明確 負荷応力 残留応力 疲労損傷 金属組織 硬さ 各種物理量との関係 各種物理量との関係 浸炭，窒化，高周波焼入における硬化層深さの測定 浸炭，窒化，高周波焼入における硬化層深さの測定

引張試験

引張試験

Tensile Test

Tensile Test

引張試験における応力（stress） 引張試験における応力（stress） 公称応力[MPa]（nominal stress） 公称応力[MPa]（nominal stress） 真応力[MPa]（true stress） 真応力[MPa]（true stress） 0 A P N = σ A P = σ P：引張荷重[N]， A₀：試験前の試験片における断面積[mm2_] P：引張荷重[N]， A：現在（荷重を負荷しているとき）の試 験片における断面積[mm2_]

引張試験におけるひずみ（strain） 引張試験におけるひずみ（strain） 公称ひずみ（nominal strain） 公称ひずみ（nominal strain） 真ひずみ（true strain） 真ひずみ（true strain） 0 0 0 L L L L L N − = Δ = ε _L 0：試験前の試験片における標点間距 離[mm]， L：現在（荷重を負荷しているとき）の 試験片における標点間距離[mm] ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = =

∫

0 ln 0 L L L dL L L ε L₀：試験前の試験片における標点間距 離[mm]， L：現在（荷重を負荷しているとき）の 試験片における標点間距離[mm] 対数ひずみ （logarithmic strain） ＝

公称ひずみと真ひずみの関係 公称ひずみと真ひずみの関係

( ) ( )

( )

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = = + + + = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡Δ + + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡Δ + ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡Δ = − + + − + − = + + + =

∫

∫

∫

∫

0 1 1 2 0 0 1 1 0 ln 0 2 1 1 0 2 1 1 0 L L L dL L dL L dL L dL L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L n n n N N N n n L L L L ε ε ε ε 変形が微小量進む毎に標点間 距離を変化させて公称ひずみ を計算し，それらを加算した 結果が真ひずみである．

N

N

応力－ひずみ線図（stress-strain diagram）

Nominal strain N O P E Y B C E B Y P 弾性変形（elastic deformation） 弾性変形（elastic deformation） 比例限度

σ

_{P（proportional limit）} 比例限度

σ

_{P（proportional limit）} 点Pの応力．応力とひ ずみが比例関係を示す 範囲における最大の応 力． 点Eの応力．除荷したときに試験片が元の長さ に戻る範囲における最大の応力． 弾性限度

σ

_{E（elastic limit）} 弾性限度

σ

_{E（elastic limit）}

Nominal strain N O P E Y B C E B Y P 塑性変形（plastic deformation）から破断（fracture） 塑性変形（plastic deformation）から破断（fracture） 伸び

δ

_{（elongation）} 伸び

δ

_{（elongation）} 点Cのひずみ．破断したときの公称ひずみ． 引張強さ

σ

_{B（tensile strength）} 引張強さ

σ

_{B（tensile strength）} 点Bの応力．公称応力の最大値． 降伏点

σ

_{Y（yield point）} 降伏点

σ

_{Y（yield point）} 点Yの応力．応力が増 加しなくてもひずみが 増加するときの応力． 降伏応力

σ

_y （yield stress） ＝

破断（fracture） 破断（fracture） 絞り

ϕ

_{（reduction of area）} 絞り

ϕ

_{（reduction of area）} 破断時の断面収縮率．

[ ]

% 100 0 1 0 − × = A A A ϕ A₀：試験前の試験片におけ る断面積[mm2_]， A₁：試験後の試験片におけ る最小断面積[mm2_]

真破断ひずみ

ε

_{f（true fracture strain）}

真破断ひずみ

ε

_{f（true fracture strain）}

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = = ϕ ε 100 100 ln ln 1 0 A A f 破断時の真ひずみ． 塑性変形における体積 保存則を使用． Nominal strain N O P E Y B C E B Y P

N 弾性変形特性と限界 弾性変形特性と限界 耐力

σ

_{0.2（proof stress）} 耐力

σ

_{0.2（proof stress）} 除荷したときに0.2%の永久ひ ずみが残るときの応力．明確 な降伏点を示さない材料に対 して使用． ヤング率E（Young’s modulus） ヤング率E（Young’s modulus） 弾性係数 （modulus of elasticity） 応力－ひずみ線図における弾 性変形部分の傾き． ＝ Nominal stress N

衝撃試験

衝撃試験

Impact Test

Impact Test

シャルピー試験（Charpy test） シャルピー試験（Charpy test） 一定の角度に振り上げたハンマを，回転軸を中 心に振り落とし，試験片の切欠き背面に衝撃荷 重を与える．その後の振り上がり角度から試験 片に吸収されたエネルギーを求める．

(

cosβ −cosα

)

= WR U W：ハンマの重量，R：ハンマの回転軸中心線から 重心までの距離，β：ハンマの振り上がり角度，α： ハンマの持ち上げ角度 上式のUをシャルピー吸収エネルギーシャルピー吸収エネルギー[J]_[J]と言う． また，これを切欠き底の断面積で除した値を シャルピー衝撃値 シャルピー衝撃値_[[JJ/cm/cm22_]]と言う．

シャルピー試験機（Charpy testing machine）

延性－ぜい性遷移温度（ductile-brittle transition temperature）

延性－ぜい性遷移温度（ductile-brittle transition temperature）

E：吸収エネルギー[J]，B：ぜい性破面率[%]（=1−（延性 破面率）），T_r：延性－ぜい性遷移温度[K] Tr B E Eus E Eus

疲労試験

疲労試験

Fatigue Test

Fatigue Test

疲労（fatigue）

疲労（fatigue）

繰返し負荷を与えた場合，静的負荷に比べては るかに低い応力で破壊が起きる現象．

高サイクル疲労（high cycle fatigue）と

低サイクル疲労（low cycle fatigue）

高サイクル疲労（high cycle fatigue）と

低サイクル疲労（low cycle fatigue）

一般に，破断繰返し数が104回程度以下である 疲労を低サイクル疲労， 104回程度以上の疲労 を高サイクル疲労と呼ぶ． 熱疲労（thermal fatigue） 熱疲労（thermal fatigue） 熱応力が繰返されることによって生じる疲労．

疲労試験（fatigue test）における負荷 疲労試験（fatigue test）における負荷 軸荷重 曲げ荷重 ねじり荷重 回転曲げ 平面曲げ 面内曲げ 面外曲げ F F Plate

疲労波形（stress waveform）

疲労波形（stress waveform）

疲労試験では，正弦波応力波形を用いることが 多く，以下の値で応力波形を記述する．

最大応力

σ

_{max（maximum stress）}

最大応力

σ

_{max（maximum stress）}

最小応力

σ

_{min（minimum stress）}

最小応力

σ

_{min（minimum stress）}

応力比R（stress ratio） 応力比R（stress ratio） max min σ σ = R R=−1：完全両振り応力波形 R=0：完全片振り応力波形

疲労波形（stress waveform） 疲労波形（stress waveform） 平均応力

σ

_{m（mean stress）} 平均応力

σ

_{m（mean stress）} 応力振幅

σ

_{a（stress amplitude）} 応力振幅

σ

_{a（stress amplitude）} 2 min max σ σ σ_a = − 2 min max σ σ σ_m = +

Number of cycles to failure log N Fatigue limit Mean stress m N~107 w Nonferrou_{s metals} Steels 疲労強度（fatigue strength） 疲労強度（fatigue strength） 疲労強度は，通常，応力を縦軸に取り，破断ま での繰返し数を横軸に取ったSS--NN曲線（曲線（SS--NN curve curve，またはヴェーラー曲線，またはヴェーラー曲線））で示す． 疲労限度（fatigue limit） または耐久限度（endurance limit） 疲労限度（fatigue limit） または耐久限度（endurance limit） S-N線図において データの曲線が 水平になり破断 しなくなる最大 の応力．

クリープ試験

クリープ試験

Creep Test

Creep Test

クリープ（creep） クリープ（creep） 高温で負荷をかけると，時間とともに変形が増 加する現象．通常は，0.3T_m（T_m：絶対温度で表 した融点）以上の温度で生じる． Load Load Heating Creep Load Heating 無変化 （室温） _変形 （高温） 代表的な 純金属の融点 Fe: 1809[K] Al: 933[K] Cu: 1356[K] Ti: 1953[K] Sn: 505[K]

クリープ曲線（creep curve）

クリープ曲線（creep curve）

伸びと時間，あるいは，ひずみと時間の関係を 表す曲線．遷移クリープ（遷移クリープ（_{transient creeptransient creep}）），定定

常クリープ（

常クリープ（steady_steady--state creepstate creep）），加速クリープ加速クリープ （

（accelerating creep_{accelerating creep}））の３段階に分けられる．

Creep rupture time log t 1000 h Temperatu_re 3 (>T 2) 1 Temperatu_re 2 (>T 1) Temperature 1 2 3 Creep rupture strength

クリープ破断強さ（creep rupture strength）

クリープ破断強さ（creep rupture strength）

ある規定の時間にクリープ破断を生じる応力． （例）500°Cにおいて1000時間で破断する応力

温度T₂におけるク

クリープ強度（creep strength） クリープ強度（creep strength） 最小クリープ速度が規定値を超えない最大応 力． （例）1 % / 100000 h（=11.5 年） クリープ限度（creep limit） クリープ限度（creep limit） 1% / 100000 h 1 2 1 1 2 3 Creep limit

Minimum creep rate log

温度T₂におけるク

クリープ強度（creep strength）

クリープ強度（creep strength）

クリープ制限応力（creep limiting stress）

クリープ制限応力（creep limiting stress）

一定時間に生じるクリープひずみが規定の値 になる応力．

（例）100000 hで1%のクリープひずみを生じ る応力

Homologous temperature T/Tm

Normalized shear stress

/G 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10-1 10-3 10-5 10-7 (High temperature) (Lattice diffusion) (Grain-boundary diffusion) (Low temperature) Dislocation glide Ideal strength Power-law creep Diffusional creep Nabarro-Herring creep Coble creep Dislocation creep

Material A, grain size d [ m]

Diffusion

変形機構領域図（deformation-mechanism map）

変形機構領域図（deformation-mechanism map）

物質および結晶粒径毎に相同温度（融点規格化相同温度（融点規格化

温度）

温度）_T/TT/Tmm（（_{homologous temperaturehomologous temperature}））と変形機 構の関係をわかりやすく示した図．

クリープ破壊（creep fracture）の初期 クリープ破壊（creep fracture）の初期 Grain boundary Precipitate Cavity Wedge-type cavity Ledge GB sliding Sub-boundary Grain boundary Round-type cavity Vacancy Precipitate Cavity Cavity Diffusion 空孔凝集 （vacancy aggregation ） 空孔凝集 （vacancy aggregation ） 粒界すべり （GB sliding） 粒界すべり （GB sliding）