引張試験の負荷速度

質問

金属の引張試験において、負荷速度は、降伏点や引張強さなどの
機械的性質にどのような影響を与えるのでしょうか？教えてください。

回答No.1

h191224 · ベストアンサー

負荷速度は、一般に、降伏点や引張強さなどの値を上昇させます。
その理屈は、材料の内部抵抗の影響にあります。
内部抵抗の影響は、負荷速度＝０の時には現れませんが、負荷速度の上昇とともに増大し、その結果として、外部から作用した力が、内部まで直ちには伝達しなくなるからです。

抵抗力が負荷速度とともに増大するのは、ちょうど、ドアの上についている「バタンと閉まるのを防止するダンパー」を思い浮かべれば理解できると思います。このダンパー、ドアを無理に早く閉めようとすると、抵抗力が増しますね？

理論的に説明するには、
ｆ：外力
ｘ：変位（伸び）
ｔ：時間
ｍ：質量
ｃ：抵抗係数
ｋ：ばね定数
として、力の釣り合い方程式
ｍ(d^2 x/dt^2)＋ｃ(dx/dt)＋ｋx＝ｆ
において、ｆが時間ｔに比例する、すなわち
ｆ＝ａｔ　（ａ：比例定数）
とおいた微分方程式を解けば、その解からわかります。

何がわかるかと言えば、ｃと負荷速度が０でない場合には、「ｆとｘは比例する」と仮定したときよりも、小さいｘが得られるということです。
歪は、ｘを座標で偏微分して得られるので、ｘが小さいということは、歪も小さくなります。歪から、応力－歪線図を適用して、応力が計算できます。この応力も小さくなります。

内部の状態変化を決めるのは、基本的に応力よりも歪の方であって、上の方程式から得られるｘ→歪→応力よりも、外力から直に計算した応力（＝力／断面積）の方が大きくなるのです。

状態変化は歪で見ている限り、負荷速度に関係なく、いつもほとんど同じ歪の値の時点で起きるのですが、応力で見た場合、負荷速度が大きいと、応力も速度に応じて大きくなるので、降伏点や引張強さなどの値が上昇してしまうのです。

ただし、歪には、熱応力の発生源である熱歪に代表される、内部歪（＝発生変位には直接関係のない歪）と呼ばれる種類のものもあり、これは状態変化に影響を及ぼします。今の問題には、この内部歪は関与しません。

お礼

こんなに具体的な解答が頂けるとは思っていませんでした！
本当にありがとうございます。助かりました。