靱性

靱性 (じんせい)

靱性（じんせい、英: toughness）とは、物質が破壊に対して持つ抵抗力の程度を表します。具体的には、物体の脆化やき裂による強度の低下に対する感受性を示します。さらに言えば、靱性は材料の粘り強さとも言い換えられる重要な特性です。一般的には、靱性と呼ばれることが多いですが、常用漢字に「靱」は含まれていないため、「じん性」や「靭性」といった表記も見られます。本稿では統一的に「靱性」という表記を用います。

靱性の評価方法

靱性は定性的な観点から破壊に対する感受性や抵抗力として理解されますが、定量的には様々な試験を通じて評価されます。特に注目すべきは衝撃試験であり、この試験により材料の衝撃吸収エネルギーを測定することができます。シャルピー衝撃試験は、この靱性を簡便に評価する方法として非常に普及しています。ただし、これらの試験結果は靱性の絶対的な評価には向いておらず、主に材料選定や品質管理において他の材料との比較に利用されます。

また、引張試験によって得られる応力ひずみ線図からも靱性を測定できます。この場合、靱性の値はその曲線の面積に基づいて算出されます。さらに、き裂や切欠きが存在する材料の靱性を評価するためには、破壊力学のパラメータが用いられます。これらのパラメータには破壊靱性値としての応力拡大係数(KIC)や、き裂開口変位(CODC)、J積分の値(JIC)が含まれます。これらの値は材料定数として扱われるため、脆性破壊の発生基準にも用いることができます。

特に、ASTM規格に準じたKICの試験が行われる場合、小規模降伏応力条件や平面ひずみ条件を満たすことが求められます。ガラスなどの脆性材料については圧子圧入法と呼ばれる簡便な試験方法が考案されています。

材料別の靱性の傾向

靱性が高いということは、材料の引張強さや降伏点、さらには延性がともに優れていることを示します。しかし、強度が高いが延性がない材料の場合、脆性破壊が懸念されます。逆に、延性には優れているが強度が不足している素材は構造用材料としては不向きです。このため、靱性の高い材料が特に求められるシーンが増えています。

材料の強化が進むと一般的に靱性は低下することが整数的に知られています。金属材料は通常、高靱性を持つ特性がありますが、セラミックスは高強度である一方で脆性特性が強いのが特徴です。ただし、部分安定化ジルコニアというセラミックスは、その特異な組成により高い靱性を持っており、その靱性の向上に関する研究も活発に行われています。特に鉄鋼材料は、強度と靱性という観点からコストパフォーマンスに優れ、構造材料として広く受け入れられています。

参考文献

以下の文献により、靱性に関するさらに深い理解が得られます。

• - 小林俊郎『材料強靭学－材料の強度と靭性－』アグネ技術センター
• - 金子純一・須藤正俊・菅又信『改訂新版 基礎機械材料学』朝倉書店
• - 荘司郁夫他『機械材料学』丸善
• - 日本機械学会『機械工学辞典』（第2版）

靱性は材料選定や設計において重要な要素であり、さまざまな応用が期待される材料特性の一つです。

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