Material testing

Japanese: 材料試験 - ざいりょうしけん（英語表記）material testing

A general term for physical, chemical, electrical, and mechanical testing of various materials used industrially. When designing and manufacturing various machines and structures, in order to fully demonstrate the required functions, the materials to be used, their shapes, and dimensions must be determined taking into consideration the environment in which they will be used, the type and size of the loads to be applied, etc. In this case, it is essential to have sufficient knowledge of the characteristics and properties of the industrial materials used in the machines and structures. Currently, there are many types of materials used for industrial purposes, but they can be broadly classified into three types: metallic materials, non-metallic inorganic materials, and organic materials. Metallic materials are mainly used as components for machines and structures, and iron and steel are the most common. Non-ferrous metals such as aluminum and copper are also widely used. Non-metallic inorganic materials include stone, cement, concrete, glass, and ceramics, while organic materials include wood, paper, fiber, leather, rubber, and plastic. In recent years, the development of composite materials has progressed, and new materials that utilize the advantages of individual materials and compensate for their disadvantages have been created and put to practical use. Fiber reinforced plastic (FRP) is a typical example. Investigating the various properties of these materials is called materials testing in a broad sense, and there are physical, chemical, metallurgical, electrical and mechanical material tests depending on the properties and purpose being examined. In the narrow sense, however, any test that examines the mechanical properties of a material is called materials testing.

[Kunio Hayashi]

history

The first person to experimentally study the strength of materials was Leonardo da Vinci, who was active in a wide range of arts and sciences during the Renaissance. His manuscripts include a sketch of a tensile testing device in which a cage is attached to one end of an iron wire, and fine sand is gradually dropped into it to apply a load and measure the breaking strength of the wire. He also conducted experiments on the bending strength of beams and the compressive strength of columns, but these valuable seeds of material testing ended up being buried in da Vinci's manuscripts. Robert Hooke, known for Hooke's Law on the elastic deformation of materials, published a paper titled "On Springs" in 1678, which contained the results of numerous experiments showing the relationship between the force acting on an elastic body and the deformation. Other scientists such as Galileo, Mariotte, and Coulomb conducted experiments on the strength and deformation of materials, but these were mainly intended to prove the theory of material mechanics. Apart from these experiments, it was around the time of the Industrial Revolution that material testing began to be carried out systematically due to practical requirements, and in a book published in 1729 by Petrus van Musschenbroek (1692-1761), the tensile testing machine, bending testing machine, and compression testing device that he had designed and built, as well as the testing methods for these machines, were described. The testing methods he devised and the material test results obtained from them were said to have been used by many engineers at the time.

The invention of the steam engine by Watt triggered rapid growth in the mechanical engineering industry. In the mid-19th century, the production of iron also increased dramatically, and the importance of material testing increased in relation to the construction of steam locomotives and railways. William Fairbairn (1789-1874) and A. Wöhler (1819-1914) focused on the phenomenon of fatigue, the deterioration of metal strength due to repeated loading, and the fatigue test results obtained using fatigue testing machines that they built themselves were used in the design of axles and iron bridges. Wöhler also contributed to the creation of a system for standardizing material testing of metallic materials, and many of the material testing machines he designed and built were the highest standard at the time, and are said to be preserved today in the Deutsches Museum in Munich. In the second half of the 19th century, material testing laboratories were established throughout Europe, and there was a growing momentum toward the establishment of international standards for material testing methods. Thanks to the efforts of David Kirkaldy, Johann Bauschinger (1833-1893), and N.A. Belelubsky (1845-1922), the International Society for Testing and Materials was founded, and this society contributed greatly to the development of new methods for material testing.

[Kunio Hayashi]

the purpose

There are many different mechanical properties required for materials used in machines and structures, but the main ones are strength, rigidity, and hardness. Strength is a material's resistance to destruction, and is classified into tensile strength, compressive strength, bending strength, shear strength, torsional strength, etc. depending on the type of load, and is further classified into static strength, impact strength, creep strength, fatigue strength, etc. depending on how the load is applied. Rigidity is a material's resistance to deformation, and is also classified according to the type and manner of load application. Hardness is a combined property of strength and rigidity, but is also important in practical terms as it is related to abrasion resistance, etc.

The main purpose of material testing is to test the strength and stiffness of individual materials under various load conditions based on standards, clarify the characteristics of the materials, enable comparison between materials, and provide basic information for the design and manufacture of machines and structures. However, in actual use, the shapes of the materials used are complex, and the loads applied are often a combination of several loads and vary irregularly over time. Therefore, it is common to proceed with design based on the knowledge obtained from standard material testing, combining theories of continuum mechanics such as material mechanics and the results of experimental research. Material testing is also conducted to check whether each component of a finished product or during the production process has the strength and stiffness required by the design, and in this case the tests are conducted under conditions close to the actual use conditions. This is an essential process for product quality control. Another type of mechanical material testing is conducted to clarify the relationship between the mechanical properties of a material and its physical or chemical properties, and to pursue the essence of the mechanical properties. If the strength and rigidity of the components that make up a machine or structure are insufficient, it can cause destruction or breakage, and it goes without saying that they will not be able to perform their intended functions. However, being stronger than necessary not only wastes materials, but can also significantly reduce the performance of the machine. Mobile machines such as vehicles, ships, and aircraft are required to be as light as possible in order to improve performance and be economical, and there is also a strong demand for lighter moving parts of machines as they become faster. On the other hand, the safety of machines and structures is the most important requirement, since the purpose of designing and manufacturing them is to lead to the happiness of mankind. To create safe, high-performance, and economically efficient products without waste, unnecessary margins must be eliminated as much as possible. For this reason, it is necessary to conduct appropriate tests according to the use of the materials, increase the measurement accuracy, and obtain reliable data.

Various material testing methods and testing machines have been devised for various purposes in the conduct of material testing. Standard test methods and testing machines have been standardized, and test results based on them are made public as design documents. However, the mechanical properties of materials are often affected by the dimensions of the test piece and the environmental conditions, so tests using full-scale or nearly full-scale test pieces in the actual usage environment are necessary to increase the reliability of products, and for this reason large-scale testing machines and environmental testing machines have come to be widely used.

[Kunio Hayashi]

Material Testing Machine

A material testing machine generally consists of a load-applying device that applies a load to one end of the test piece, a load-measuring device connected to the other end, and a device that detects the deformation and other behavior of the test piece. The load is applied to the test piece by amplifying a small driving force from an electric motor or the like using mechanical methods such as gears, levers, and ball screws, or by using hydraulics. In addition, when applying an impact load or repeated load, some machines utilize the inertial force of a moving weight. The simpler the shape of the test piece, the easier it is to handle the test results. Therefore, bar-shaped test pieces with circular cross sections, which are convenient for machining, are the most common, but tubular, plate-shaped, square, and rectangular cross-sectional test pieces are also used depending on the shape of the material and the purpose of the test. The main types of material tests currently being performed are shown below.

[Kunio Hayashi]

Static Material Testing

The mechanical behavior of a material is examined by gradually increasing the load until it breaks. Depending on the type of load, there are tensile tests, compression tests, bending tests, torsion tests, etc. Among these, static tensile tests are the most widely used material tests, and the test results are the basis of the mechanical properties of a material. The strength of this test is that the force is distributed almost uniformly across the cross section of the test piece, the most mechanical properties can be examined simultaneously, and the test method is relatively easy. The Japanese Industrial Standards (JIS) also specify the tensile test method and test piece. Values measured in tensile tests include elastic limit, proportional limit, elastic modulus, yield point or proof stress, tensile strength, elongation after break, and reduction in area. Compression tests are used to examine the strength of brittle materials such as cast iron, wood, cement, and concrete, and to test steel balls, springs, tires, and other components. Bending tests include flexural tests to examine the breaking strength against bending loads, and tests to examine deformability and workability. The torsion test is used to check the torsional strength of shafts and tubes, and is also used to measure the shear modulus of elasticity.

[Kunio Hayashi]

Hardness Testing

This is a test to check the hardness of a material, and is widely used as a simple material test because it can be performed with small test pieces with few requirements for shape and size. There are two types of hardness tests: indentation hardness test, in which a fixed indenter is pressed against the surface of the test piece with a specified load, and the hardness is displayed by the size of the indentation that is created, and rebound hardness test, in which a hammer of a fixed size is dropped from a fixed height onto the surface of the test piece, and the hardness is displayed by the height of the rebound after the impact. Both test methods basically measure the resistance of the material to deformation, but the measured value differs depending on the method of deformation, the degree of deformation, and the method of displaying the results. Indentation hardness includes Brinell hardness, Vickers hardness, and Rockwell hardness, while rebound hardness includes Shore hardness.

[Kunio Hayashi]

Impact Testing

This test is conducted to determine the resistance to impact loads, i.e., the toughness and brittleness of materials, and is commonly used in industry, with Charpy and Izod impact bending tests. In the case of mechanical materials, it is important to examine properties such as low-temperature brittleness, notch brittleness, and temper brittleness.

[Kunio Hayashi]

Fatigue Testing

This is a test to examine the strength of materials against repeated loads. There are two types of fatigue tests: standard tests, which are conducted using test pieces of a set shape and dimensions with a prescribed loading method, and full-scale tests, which are conducted on actual parts such as crankshafts, or test pieces that are models of actual objects. In standard fatigue tests, a certain stress or strain amplitude is applied, and the relationship with the number of repetitions until destruction is examined to determine the fatigue limit, time strength, etc. Depending on the loading method, there are fatigue testing machines for rotating bending, plane bending, tension and compression, torsion, combined loading, etc., and some can be programmed to apply the actual loads that are applied to actual machines and structures.

[Kunio Hayashi]

Creep Test

Creep is a phenomenon in which deformation progresses over time even under a constant stress. With steel, this is not an issue unless the material is subjected to high temperatures, but some non-ferrous metals and plastics exhibit creep even at room temperature. In creep tests, a constant load is applied to a test piece at a constant temperature according to the material's operating environment, and the amount of deformation that progresses over time and the time to fracture are measured.

Other material tests include abrasion tests to check the wear resistance of materials, non-destructive tests to detect the size and location of defects in parts or components without destroying them, and processability tests to determine whether a material is suitable for various processing methods, i.e., castability, machinability, deformability, weldability, etc.

[Kunio Hayashi]

Tensile Test
The test piece is brass. This is the most common test method .

Tensile Test

Bending test
The test piece is epoxy resin. The load is applied at the center (three-point bending). ©Shogakukan ">

Bending test

Torsion Test
The test piece is brass. The drum on the right rotates. ©Shogakukan ">

Torsion Test

Stress-strain curve of carbon steel
©Shogakukan ">

Stress-strain curve of carbon steel

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

工業的に使用される各種材料の物理的・化学的・電気的・機械的試験の総称。各種の機械や構造物を設計製作する場合、要求される機能を十分に発揮させるには、それらが使用される環境、加わる荷重の種類や大きさなどを考慮して、用いる材料、形状、寸法を定めねばならない。この際、機械や構造物に使用される工業材料の特性、性質について十分な知識をもっていることが必須(ひっす)である。現在、工業用に使用される材料の種類はきわめて多いが、大きく金属材料、非金属無機材料、有機材料の3種に類別される。機械や構造物の部材としては主として金属材料が用いられ、なかでも鉄および鋼がもっとも多い。アルミニウム、銅などの非鉄金属もその使途は広い。非金属無機材料には石材、セメント、コンクリート、ガラス、セラミックスなどがあり、有機材料には木材、紙、繊維、皮革、ゴム、プラスチックなどが含まれる。近年、複合材料の開発が進み、個々の材料の長所を生かし欠点を補うような新材料が生み出され実用化されている。繊維強化プラスチック（FRP＝fiber reinforced plastic）はその代表例である。これらの材料の諸性質を調べることが広義の材料試験であり、調べる性質や目的に応じて物理的・化学的・金属学的・電気的・機械的材料試験があるが、狭義には材料の機械的性質を調べる試験を材料試験とよぶ。

［林　邦夫］

歴史

材料の強さを実験的に研究した最初の人は、ルネサンス時代に芸術や科学の広い領域で活躍したレオナルド・ダ・ビンチであろう。彼の手稿には、一端を固定した鉄線の他端に籠(かご)を取り付け、その中に細かな砂をすこしずつ落として荷重を加えて線の破断強さを測定する引張り試験装置のスケッチが描かれている。彼は、梁(はり)の曲げ強さや柱の圧縮強さに関する実験も行っているが、これらの材料試験に関する貴重な芽生えはダ・ビンチの手稿のなかに埋もれたままに終わってしまった。材料の弾性変形に関するフックの法則で知られるロバート・フックが「ばねについて」の論文を発表したのは1678年であり、その内容は弾性体に作用する力と変形の関係を示す数多くの実験結果であった。ほかにもガリレイ、マリオット、クーロンなどの科学者が材料の強さや変形に関する実験を行っているが、これらは主として材料力学の理論を証明するためのものであった。このような実験とは別に、実際面の要求から材料試験が系統的に行われるようになったのは産業革命のころからで、1729年に出版されたミュッセンブルークPetrus van Musschenbroek（1692―1761）の著書には、彼が設計製作した引張り試験機、曲げ試験機、圧縮試験装置およびそれらの試験方法が記載されている。彼の考案した試験方法とそれにより得られた材料試験結果は当時の多くの技術者に利用されたという。

　ワットの蒸気機関の発明を契機として機械工業が急速に成長した。19世紀中葉には鉄の生産量も飛躍的に増大し、蒸気機関車、鉄道建設に関連して材料試験の重要性が高まった。フェアベアンWilliam Fairbairn（1789―1874）やウェーラーA. Wöhler（1819―1914）は、繰り返し荷重による金属の強さの低下、すなわち疲労現象に注目し、自ら製作した疲労試験機を用いて得た疲労試験結果は車軸や鉄橋の設計に利用された。ウェーラーは金属材料の材料試験が統一して行われるための体制づくりにも寄与し、彼の設計製作による材料試験機には当時最高水準のものが多く、今日でもミュンヘンのドイツ博物館に保存されているという。19世紀後半にはヨーロッパ各地に材料試験所が設立され、材料試験法の国際基準の制定への気運も高まり、カーコルディDavid Kirkaldy、バウシンガーJohann Bauschinger（1833―1893）、ベレルブスキーN. A. Belelubsky（1845―1922）らの活躍で国際材料試験学会が設立され、その後の材料試験の新しい方法の育成などに貢献した。

［林　邦夫］

目的

機械や構造物に用いられる材料に要求される機械的性質も多岐にわたるが、強度（強さ）、剛性（剛(こわ)さ）、硬さなどがその主要なものである。強度は材料の破壊に対する抵抗であり、荷重の種類により引張り強度、圧縮強度、曲げ強度、剪断(せんだん)強度、ねじり強度などに区別され、また荷重の加わり方によって静的強度、衝撃強度、クリープ強度、疲労強度などに分類される。剛性は材料の変形に対する抵抗で、これも荷重の種類や加わり方により分類される。硬さは強度と剛性の複合された性質であるが、耐摩耗性などとも関連して実用上重要な性質である。

　材料試験の主目的は、個々の材料について各種荷重条件に対する強さ、剛さを規格に基づいて試験を行い、材料の特性を明らかにして材料間の比較を可能にし、機械や構造物の設計製作のための基礎資料を提供することであるが、実際の使用状態では使用される材料の形状は複雑であり、加わる荷重もいくつかの荷重の組合せで、しかも時間的にも不規則に変動する場合が多い。したがって、標準的材料試験から得られる知見を基礎に、材料力学など連続体力学の理論や実験的研究の成果を併用して設計を進めるのが普通である。材料試験は、完成品や生産過程中の各部材が設計上要求された強度や剛性を備えているか否かを検査するためにも行われ、この場合には実際の使用状態に近い条件下で試験が行われる。これは製品の品質管理上欠かせない過程である。機械的材料試験にはいま一つ、材料の機械的性質と物理的あるいは化学的性質との関連性を明らかにして、機械的性質の本質を追究する目的で行われるものもある。機械や構造物を構成する部材の強さや剛さが不十分であれば破壊や破損の原因となり、意図された機能を果たせなくなることはいうまでもないが、必要以上にじょうぶであることも材料の浪費であるばかりではなく、その機械の性能を著しく低下させることがある。車両、船舶、航空機などのように移動性をもつ機械では、性能の向上と経済性の面からそれ自体できるだけ軽量であることが要求され、また諸機械の運動部分の軽量化もその高速化に伴って強く要請される。一方、機械や構造物の安全性は本来、これらを設計製作することが人類の幸せにつながることを目的としているから、もっとも重要な要件である。安全で高性能な、しかも経済性も高いむだのないものをつくるには、不必要な余裕を可能な限りなくさねばならない。このためにも、材料の使途に応じた適切な試験を行い、その測定精度を高くして確実なデータを得る必要がある。

　材料試験の実施に関しては、その目的に応じて各種の材料試験法や試験機が考案された。標準的試験法や試験機は規格化され、それに基づく試験結果が設計資料として公にされている。しかし、材料の機械的性質は試験片の寸法や環境条件により影響を受ける場合も多く、実物大またはそれに近い寸法の試験片による実際の使用環境下での試験が製品の信頼性を高めるうえで必要であり、そのための大型試験機や環境試験機が盛んに利用されるようになった。

［林　邦夫］

材料試験機

材料試験機は一般に、試験片の一端に荷重を加える荷重負荷装置と他端に接続された荷重測定装置および試験片の変形などの挙動を検出する装置とからなる。荷重は、電動機などによる小さな駆動力を歯車やてこ、ボールねじによる機械的方法や油圧を利用して拡大して試験片に加えられる。また、衝撃荷重や繰り返し荷重を加える場合、運動するおもりの慣性力を利用したものもある。試験片の形は単純なものほど試験結果の取扱いが容易である。したがって機械加工にも好都合な円形断面の棒状試験片がもっとも一般的であるが、素材の形状や試験目的により、管状、板状、正方形断面や長方形断面の試験片も用いられる。現在行われている材料試験のおもなものを以下に示す。

［林　邦夫］

静的材料試験

荷重を緩やかに増加して、材料が破壊するまでの力学的挙動を調べるもので、荷重の種類により引張り試験、圧縮試験、曲げ試験、ねじり試験などがある。このなかで静的引張り試験はもっとも広く行われる材料試験であり、その試験結果は材料の機械的性質の基本である。試験片断面に力がほぼ均一に分布し、もっとも多くの機械的性質を同時に調べられ、しかも試験法が比較的容易であることがその優れた点である。日本工業規格（JIS(ジス)）にも引張り試験方法と試験片が規定されている。引張り試験で測定される値は弾性限度、比例限度、弾性係数、降伏点または耐力、引張り強度、破断後の伸びおよび絞りなどである。圧縮試験は、鋳鉄、木材、セメント、コンクリートのようにもろい材料の強さを調べる場合や、鋼球、ばね、タイヤなどの部材としての試験に用いられる。曲げ試験には、曲げ荷重に対する破壊強さを調べる抗折試験と、変形能を試験して加工性を調べる試験とがある。ねじり試験は、軸や管のねじりに対する強さを調べる試験であり、剪断弾性係数の測定にも用いられる。

［林　邦夫］

硬さ試験

材料の硬さを調べる試験であり、形や寸法に対する条件の少ない小形の試験片で試験できるので、簡便な材料試験として広く行われている。一定の押込み物体を規定の荷重で試験片表面に押し付け、生じたくぼみの大きさによって硬さを表示する押込み硬さ試験と、一定寸法のハンマーを一定の高さから試験片表面に落下させ、衝突後の跳ね上がり高さによって硬さを表す反発硬さ試験がある。いずれの試験法も基本的には材料の変形に対する抵抗を測定しているが、変形のさせ方、変形の程度や結果の表示方法により測定値が異なる。押込み硬さにはブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さなどがあり、反発硬さにはショア硬さがある。

［林　邦夫］

衝撃試験

衝撃的に加わる荷重に対する抵抗すなわち材料の靭性(じんせい)や脆性(ぜいせい)を判定するために行われる試験で、工業的にはシャルピーおよびアイゾットの衝撃曲げ試験が一般的である。機械材料の場合、低温脆性、切欠き脆性、焼戻し脆性などの性質を調べるのに重要となる。

［林　邦夫］

疲労試験

繰り返し荷重に対する材料の強さを調べる試験である。これには、定められた形状寸法の試験片を用いて規定された負荷方法で行われる標準的な試験と、クランク軸などの実際の部品や、実物をモデル化した試験体について行う実物試験とがある。標準的疲労試験では、一定の応力またはひずみ振幅を与えて、破壊するまでの繰り返し数との関係を調べて疲労限度、時間強さなどを求める。負荷方式により、回転曲げ、平面曲げ、引張り圧縮、ねじり、組合せ荷重などの疲労試験機があり、実際の機械や構造物に加わる実働荷重をプログラムして負荷できるものもある。

［林　邦夫］

クリープ試験

一定応力状態でも時間の経過とともに変形が進行する現象をクリープという。鉄鋼では高温でないと問題にならないが、非鉄金属やプラスチックスでは常温でもクリープ現象を示すものがある。クリープ試験では、材料の使用環境に応じ一定温度のもとで試験片に一定荷重を加え、時間とともに進行する変形量と破断までの時間を測定する。

　材料試験にはこのほかに、材料の耐摩耗性を調べる摩耗試験、部品や部材に存在する欠陥の大きさや位置を破壊させずに検出する非破壊試験、材料が種々の加工法に適するか否か、すなわち鋳造性、切削性、変形能、溶接性などの判定を行うための加工性試験などがある。

［林　邦夫］