引張強さとは?

引張強さは、材料が破断する前に耐えられる最大の引張(引っ張り)応力です。力を元の断面積で割ったもの、引張強さ(σ)= F_max / A₀で表され、通常は、MPa、psi、ksiで報告されます。数値が高いほど、材料が破損するまでに、単位面積あたりでより多くの引張力に耐えることを意味します。

式

すべての引張強さの数値の背後にある基本的な関係:

引張強さ(σ)= 最大の力(F_max)÷ 元の断面積(A₀)

引張荷重の下で材料が破断・破壊する直前の瞬間に持つ応力のことです。使用する断面積は、試験開始前に測った元の断面積であり、破断直前にくびれて細くなった面積ではありません。この数値をゼロから測定・計算する方法（試験装置、計算例、適用規格）の全体像は、引張強さの計算方法をご覧ください。本稿は定義を扱い、試験手順は扱いません。

人々が混同しがちな、曲線上の3つの点

「引張強さ」は、ゆるく使われますが、応力-ひずみ曲線には、日常会話ではひとまとめにされる、3つの別個の点があります。

1. 降伏強さ — 材料が弾性的に振る舞うのをやめ(この点より下では、元の形に戻る)、永久変形し始める応力。
2. 極限引張強さ(UTS) — 応力-ひずみ曲線上の、最も高い1点。誰かが「この材料の引張強さはXです」と言うとき、ほとんどの場合、この数値を指しています。
3. 破断強さ/破壊強さ — 材料が実際に分離する瞬間の応力。延性材料では、通常UTSよりも低くなります。UTSを過ぎると材料がくびれて(細くなって)、(依然として元の面積で割る)公称応力の計算値は、材料が破断の直前まで荷重を支え続けているにもかかわらず、低下するためです。

したがって、延性金属の応力-ひずみ曲線は、通常、降伏点まで上昇し、(材料が永久変形しながら)さらに上昇し続けてUTSでピークに達し、その後、試験片がくびれて分離するにつれて、破断点までわずかに低下します。この記事が、あるいは他の誰かが、限定なしに「引張強さ」と言うとき、UTSを意味します。計算そのものが必要な場合、方法は、UTSでも一般的な引張強さでも同じです。上にリンクした方法論の記事をご覧ください。

単位と換算

引張強さは、応力(単位面積あたりの力)の値なので、応力の単位を使います。

簡易換算:1 MPa ≈ 145 psi、1 GPa ≈ 145,000 psi。メートル法の仕様書と米国の仕様書を比べる場合は、先に共通の単位に換算することで、見た目が似た2つの数値(たとえば「500」MPaと「500」psi)が同じ大きさだと思い込むという、ありがちなミスを避けられます。両者は、およそ145倍違います。

材料別の一般的な引張強さ(参考のみ)

以下の数値は幅広い例示であり、設計仕様ではありません。引張強さは材料グレード、製品形状、試験方法によって変わります。エンジニアリングの判断には、対象材料の認証済みデータを使用してください。

特定の鋼種の実務的な数値が必要な場合は、鋼の引張強さとは？に、複数の独立した情報源でクロスチェックされた数値に基づく鋼種別の参照表があります。上記の単一ソースの数値よりも信頼できます。

実際にこれが重要な理由

引張強さが示すのは上限—部品が完全に壊れる荷重です。部品が永久変形を始める荷重は示しません（それが降伏強さで、通常は安全率を見てこちらで設計します）。また、繰り返し荷重や動荷重の下での長期的な挙動も示しません（それは疲労・動荷動の問題であり、引張強さの問題ではありません。評価したいのがそちらなら静荷重 vs 動荷重をご覧ください）。適切な安全率を掛けた降伏強さではなく引張強さを設計値として扱うのは、よくある、そして避けられる間違いです。

関連記事：引張強さの計算・測定・試験方法 · 鋼の引張強さとは？ · 静荷重 vs 動荷重

Danny Ni エンジニアリング＆機械システムのライター

Danny Niは、SYZ Machineでエンジニアリングを専門とするテクニカルライターで、機械部品、リンケージシステム、実際の用途に即したエンジニアリングを得意としています。アフターマーケットの車両部品、産業用ジョイント、機械の原理を扱い、複雑なエンジニアリングの概念を、エンジニア、製作者、業界のバイヤーに役立つ実践的な知見へと落とし込んでいます。

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