曲げ強さ

曲げ強さとは

曲げ強さ（flexural strength）とは、材料が曲げ変形によって破壊に至るまでの最大応力を指します。この値は、材料の曲げに対する抵抗力を示す指標であり、抗折力とも呼ばれます。引張試験における引張強さに相当する概念で、材料の機械的特性を評価する上で重要なパラメータの一つです。

曲げ強さは、材料の設計や選定、製品の強度評価において不可欠な情報です。例えば、建築物の構造部材や自動車部品、精密機器の部品など、曲げ応力が作用する可能性のある箇所では、曲げ強さを考慮した材料選定が求められます。また、製品の品質管理においても、曲げ強さの測定は重要な役割を果たします。

曲げ強さの測定方法

曲げ強さを測定する試験として、曲げ試験（抗折試験）が用いられます。曲げ試験では、試験片に曲げ荷重を加え、破壊に至るまでの最大荷重を計測します。この最大荷重と試験片の形状寸法から、曲げ強さを算出します。

曲げ試験には、主に3点曲げ試験と4点曲げ試験の2種類があります。これらの試験方法は、試験片の支持方法と荷重のかけ方が異なります。それぞれの試験方法については、後述の「曲げ試験の形式」で詳しく解説します。

曲げ強さの計算式

曲げ試験で得られる曲げ強さσfMは、以下の式で求められます。

math
\sigma_{fM} = \frac{M_{max}}{Z}


ここで、

Mmax: 曲げ試験における最大曲げモーメント
Z: 試験片の断面係数

です。

断面係数Zは、試験片の形状によって異なります。以下に、代表的な形状の断面係数の計算式を示します。

矩形断面の場合

試験片が幅w、高さtの矩形断面の場合、断面係数Zは以下のように求められます。

math
Z = \frac{wt^2}{6}

丸棒の場合

試験片が直径dの丸棒の場合、断面係数Zは以下のように求められます。

math
Z = \frac{\pi d^3}{32}

曲げ試験の形式

曲げ試験の標準形式には、3点曲げ試験と4点曲げ試験があります。

3点曲げ試験

3点曲げ試験では、試験片を2つの支点（可動支点）で支持し、中央に荷重をかけます。この時の最大曲げモーメントMmaxは、以下の式で求められます。

math
M_{max} = \frac{F_{max}L}{4}


ここで、

Fmax: 試験片が破壊に至るまでの最大荷重
L: 支点間距離

です。

4点曲げ試験

4点曲げ試験では、試験片を2つの支点で支持し、支点間の2箇所に荷重をかけます。この時の最大曲げモーメントMmaxは、以下の式で求められます。

math
M_{max} = \frac{F_{max}(L-L_i)}{4}


ここで、

Fmax: 試験片が破壊に至るまでの最大荷重
L: 支点間距離
Li: 荷重点間距離

です。

規格

様々な材料の曲げ強さを求める試験方法は、工業規格で規定されています。以下に代表的な規格を挙げます。

日本産業規格 (JIS)

JIS K 7171 プラスチック−曲げ特性の求め方
JIS R 1601 ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法
JIS R 1604 ファインセラミックスの高温曲げ強さ試験方法
JIS R 1624 ファインセラミックス接合の曲げ強さ試験方法
JIS R 1664 ファインセラミックス多孔体の曲げ強さ試験方法
JIS R 2213 耐火れんがの曲げ強さの試験方法
JIS R 2619 耐火断熱れんがの曲げ強さの試験方法
JIS R 2656 耐火れんが及び耐火断熱れんがの熱間曲げ強さ試験方法

国際規格 (ISO)

ISO 178 プラスチック - たわみ特性の測定
ISO 3327 超硬合金 - 曲げ強さ(抗折力)の測定方法
ISO 5014 緻密質耐火れんが及び耐火断熱れんが - 常温における曲げ強さの測定
ISO 14704 ファインセラミック(先進セラミック、先進技術セラミック) - モノリシックセラミックの室温における曲げ強さ試験方法
ISO 16978 木材ベースパネル - 曲げにおける弾性係数及び曲げ強さの測定

関連事項

曲げ強さに関連する項目として、以下のようなものがあります。

強度
曲げ剛性
曲げ弾性係数
はり部材

これらの項目についても、今後解説を加えていく予定です。

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