衝撃値の扱い方

　引張り試験の引張り強さは設計に使うことができるでしょうが、衝撃値は設計に使うことは難しいでしょう。というよりも、鉄鋼材料のシャルピー衝撃値などは、品質管理的に使用されているだけで規格ではありません。実際、材料の規格表から設計で必要な強度の材料を選択することはできるでしょうが、衝撃値を選択することはできません。
　ある材料の強度が規格を外れていたとすれば論外ですが、衝撃値は様々な要因でバラツキます。実は、特に金属の話ですが、引張り強さは組織依存性が小さく、所定の化学成分を外さなければ、所定の強度は出るものです。鋳造品にしろ鍛造や圧延材にしろ、何らかの原因で内部組織が荒れていても、まあ引張り強さは出ますが、衝撃値は比較的敏感に反応します。
　それでは、衝撃値は何を表すかというのは、あまり意味がありません。本当に知りたいのは、何らかの原因で亀裂が存在したときに、その小さな亀裂が構造物を破壊するような大割れに進展するか、ということでしょう。その目安としては、破壊靭性値ＫＩＣなどが知られています。その材料のＫＩＣを測定すれば、何ｍｍの亀裂が存在したときに、何Ｐａの平均応力が加わるとその亀裂が進展するかが分かります。別な言い方をすれば、何Ｐａの平均応力が加わるか分かっていれば、何ｍｍの亀裂まで許されるか、が分かります。例えば、造船や橋梁などの溶接部の欠陥は何ｍｍまで、あるいは何個まで許されるか、など。もっとも、どの破壊力学パラメータを用いて評価すべきかは、どのような破壊モードで破壊が進行するかによりますが。
　これらの破壊靭性値を実測するのは非常に大変なので、品質管理的に異常がないかについては、簡易的にシャルピー衝撃試験などが行われています。まあ、おおよそ高いか低いかの目安にはなりますが、測定値の力学的意味は考えても仕方ないでしょう。この試験片を壊すのに何Ｊのエネルギーを使ったか、というだけです。
　それと、静的荷重か、動的荷重かを気にされているようですが、これはあまり考えない方がよいでしょう。構造物が破壊するのは、多少スピードがあるようでも、大概は静的荷重の範囲内だと思ってよいでしょう。衝撃値で評価しようとしているのも、亀裂が存在するときの破壊に対する抵抗力です。
　100ｋｍ/ｈで走行する車と２０ｋｍ/ｈで走行する車を壁に衝突させたときの破壊形態が異なるのは、作用する荷重が異なるためであって、スピードの違いのためではありません。例えば、車のスクラップ屋にあるようなプレス機を100倍速にしたところで、車の破壊形態が変わるというわけでもありません。
　破壊靭性値ＫＩＣなどの測定は、静的です。では、なぜシャルピー試験は衝撃試験なのか。まあ、やりやすいからとしか言えないでしょう。ジワッとゆっくり折るより、ハンマーでバキッと折る方が装置が簡単だし。金属にとってシャルピーくらいの速度では、ガラスを割るときような材料構成原子の移動が追従できないような早い動的荷重、とは言えません。でも、シャルピーくらいの速度であれば、引張り強さが増加して伸びが減少するくらいの速度ではあります。そういう意味では、金属の塑性変形において転位の移動速度の影響が出るくらいの早い速度と言えなくもないか。

お礼

2005/04/19 00:29

有難うございます。
非常に詳しく説明していただき大変勉強になりました。今までの自分の衝撃値の概念が全く間違っていたことが理解できました。他の皆様のご説明とも合わせてみると「衝撃値」は
　1. 破壊の抵抗を表すパラメータ
　2. 脆性材か延性材かによって塑性変形に要するエネルギーが異なるので衝撃値が変わってくる。この為、低温脆性の閾値を評価するのに使われる。
　3. 同一材料でもKやJが大きい欠陥を含むかどうかで衝撃値が変わってくる。実際にどのくらいのKやJかまでは決定できないので材料の余寿命予測には使えないが、簡易試験データとして材料の品質管理等に利用される。

であることが理解できました。
本当に有難うございました。

質問者