引張試験とは？応力-ひずみ線図の見方から降伏点・引張強さ・JISとASTMの違いまで解説

材料の強度や特性を評価する代表的な方法の一つが「引張試験」です。

試験片を破断するまで引っ張ることで、引張強さや降伏点、ヤング率といった機械的性質を測定できます。

そこで本記事では、引張試験の目的と手順、応力-ひずみ線図の見方、評価指標の意味、JISとASTMの規格の違いを解説します。

引張試験は、試験片を一方向に引っ張り、加えた荷重と伸びの関係から材料の機械的性質を測定する試験方法です。

得られた値は、強度設計・材料選定・受入検査など、幅広い場面で使われています。

ここでは、引張試験で測定できる項目と、対象となる材料や分野について、以下の内容に沿って整理します。

• 引張試験の目的と得られる機械的性質
• 引張試験が使われる分野と対象材料

引張試験の目的と得られる機械的性質

引張試験とは、材料が引張荷重にどこまで耐え、どの程度変形するのかを数値で把握するための試験です。

試験片の両端をつかみ具で固定し、一方向に引っ張りながら荷重と伸びを記録します。

測定した荷重と伸びは、次の式によって応力とひずみに換算されます。

応力：σ＝F／S₀
ひずみ：ε＝ΔL／L₀

Fは試験片に加わる荷重、S₀は試験前の原断面積、ΔLは標点間の伸び、L₀は試験前の原標点距離です。

応力とひずみの関係からは、降伏応力または0.2%耐力、引張強さなどを求められます。

また、弾性域の応力とひずみを適切に測定すれば、材料の変形しにくさを表すヤング率の評価も可能です。

さらに、破断後の試験片を測定することで、破断伸びや絞りを算出できます。

これらの値は、強度設計における許容値の検討、材料選定時の比較、受入検査での品質確認などに用いられます。

引張試験が使われる分野と対象材料

引張試験の対象は、鋼やアルミニウム合金などの金属材料が中心です。

構造部材や機械部品では、規格に基づく強度データが設計や、品質保証の根拠として求められるため、金属材料の評価方法として広く定着しています。

一方、対象は金属に限りません。

プラスチックやゴム、繊維強化複合材料なども引張試験によって評価されます。

ただし、材料の種類によって、適用される規格や試験片の形状、試験速度や制御方法は異なります。

樹脂材料は、金属材料に比べて試験速度による影響を受けやすいため、条件設定にも注意が必要です。

分野としては、自動車や航空機、産業機械などの製造業に加え、建築・土木分野の材料評価にも使われています。

また、用途に応じて、室温での試験だけでなく、高温や低温といった環境条件を加えた試験が実施される場合もあります。

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引張試験の結果は、試験片の形状や寸法、標点距離、試験速度、測定に用いる装置によって変わります。

手順を把握しておくと、報告書に記載された数値がどの条件で得られたのか、確認することが可能です。

試験の準備から報告までの過程について、次の3点に沿って説明します。

• 試験片・試験機・試験条件
• 荷重・ひずみの測定と伸び計の役割
• 引張試験の流れ

試験片・試験機・試験条件

試験片の種類と原標点距離

引張試験では、材料から採取した試験片を規格所定の形状・寸法に加工して使用します。

JIS Z 2241が規定する試験片は、次の2種類です。

• 定形試験片：原標点距離と原断面積を個別に定める試験片で、棒状の代表例は4号。
• 比例試験片：原断面積に応じて原標点距離が決まる試験片で、棒状の代表例は14A号。

試験片の平行部には、破断伸びを算出する基準となる原標点距離L₀を設定します。

万能試験機とつかみ具

試験に用いるのは、引張荷重を加える機構とロードセルを備えた万能試験機です。

つかみ具で固定する際は、試験片の軸と試験機の荷重軸を一致させます。

軸ずれによって曲げが加わると、降伏応力や耐力の測定値に影響するためです。

JIS Z 2241でも、試験片をできる限り荷重軸に沿って引っ張るよう求めています。

試験速度と試験温度

主な試験条件は、試験速度と温度です。

JIS Z 2241には、応力増加速度に基づく方法と、ひずみ速度に基づく方法の2種類があります。

適用する方法に合わせて、クロスヘッド変位速度などを設定します。

同規格が対象とするのは、室温（10 ℃〜35 ℃）での試験です。

高温や低温で評価する場合は、恒温槽や加熱炉で温度を管理します。

ただし、高温・低温試験には、室温試験とは異なる規格や追加条件が適用される場合もあります。

荷重・ひずみの測定と伸び計の役割

引張試験では、荷重と変形量を測定し、応力とひずみの関係から各種の特性値を求めます。

荷重はロードセルで検出し、原断面積S₀で割って応力に換算します。

変形量は、試験機のクロスヘッド変位から把握が可能です。

ただし、クロスヘッド変位には、試験片の伸びだけでなく、つかみ具や試験機の変形、試験片の滑りなども含まれる場合があります。

そのため、試験片の変形を把握する目安にはなりますが、標点間の伸びそのものを表す値ではありません。

0.2%耐力や降伏伸びなどを求める場合に、試験片の標点間の伸びを測定するのが伸び計です。

原標点距離とは、区別して定める伸び計標点距離を基準に伸びを検出するもので、試験片に取り付ける接触式と、カメラで標点を追跡する非接触式があります。

一方、ひずみゲージで測定するのは、試験片表面の貼付位置における局所ひずみや変形挙動です。

JIS Z 2241では、耐力Rp（0.2%耐力など）や降伏伸びAeなど、伸びに基づく特性値の決定に伸び計の使用を求めています。

引張試験の流れ

引張試験は、試験目的と要求仕様の確認から、試験結果の報告までを一連の工程として進めます。

試験片や測定方法、速度条件によって結果が変わるため、各工程の条件を記録しておく必要があります。

一般的な流れは次のとおりです。

① 試験目的・要求仕様の確認：材料、適用規格、試験温度、評価する項目を確認する
② 試験片の採取・加工：規格に沿った形状・寸法に加工する
③ 寸法測定：断面寸法と原標点距離を測定し、原断面積を算出する
④ 試験片の取り付け：つかみ具で固定し、試験片の軸と試験機の荷重軸が一致しているか確認する
⑤ 測定機器の選定・装着：評価項目と適用規格に応じて、伸び計などを装着する
⑥ 試験速度の設定：適用する試験方法の速度条件に合わせて設定する
⑦ 試験の実施：設定した条件で試験片を引っ張り、荷重、クロスヘッド変位、必要に応じて標点間の伸びを記録する
⑧ データ解析：応力-ひずみ線図を作成し、各評価指標を算出する
⑨ 結果の報告：試験条件、試験片寸法、測定方法、算出結果を記載する

試験片の加工・取り付け・測定機器・試験速度などの条件は、測定値の再現性に影響します。

破断伸びや絞りを求める場合は、破断後に最終標点距離と破断部の最小断面積も測定します。

引張試験で測定した荷重と伸びを応力・ひずみに換算し、その関係を表したものが「応力-ひずみ線図」です。

この線図から、材料がどこまで弾性変形し、どの時点で塑性変形へ移り、破断に至るかを読み取れます。

線図の軸が示す内容と、材料による曲線の違いについて、以下の2点から解説していきます。

• 縦軸横軸と弾性域・塑性域
• 明確な降伏点を示す材料と示さない材料

縦軸横軸と弾性域・塑性域

応力-ひずみ線図とは、縦軸に応力、横軸にひずみをとり、試験中の両者の関係を曲線で表したものです。

荷重と伸びを応力とひずみに換算することで、寸法の異なる試験片でも材料特性を比較しやすくなります。

ただし、比較する際は、試験片の形状や標点距離、試験速度などの条件をそろえる必要があります。

多くの金属材料では、曲線の初期に応力とひずみがほぼ比例して増加します。

荷重を取り除くと元の長さに戻る範囲が「弾性域」です。

さらに、応力が増して降伏に至ると、荷重を取り除いても変形が残る塑性域へ移ります。

軟鋼などの延性金属では、降伏後に塑性変形が進み、加工硬化によって公称応力が再び上昇します。

最大公称応力である引張強さに達した後は、局部的なくびれが進行して破断に至りますが、脆性材料では、塑性変形やくびれがほとんど現れないまま破断することがあります。

こうした曲線の形状から、材料の強度と変形特性を読み取ることが可能です。

明確な降伏点を示す材料と示さない材料

応力-ひずみ線図の形状は、材料によって異なります。

軟鋼のような一部の鉄鋼材料では、弾性域から塑性域へ移る際に応力が一度低下し、その後ほぼ一定の応力で変形が進む降伏現象が現れます。

このとき、試験力が最初に減少する直前の応力の最大値が上降伏応力（上降伏点）、初期の過渡的な影響を除いた塑性降伏中の応力の最小値が下降伏応力（下降伏点）です。

一方、ステンレス鋼やアルミニウム合金など、明確な降伏現象が現れない金属材料もあります。

曲線が弾性域から緩やかに湾曲しながら塑性域へ移るため、降伏点を一点として読み取れません。

この場合は、0.2%耐力を用いて評価します。

なお、プラスチックでは材料や適用規格に応じて、降伏応力や破断応力などの指標を用います。

線図を確認する際は、対象材料がどちらの形状に該当するかを先に把握します。

降伏現象を前提とした読み方をそのまま当てはめると、指標の対応を誤る場合があるため、注意が必要です。

応力-ひずみ線図からは、材料の強度と変形の性質を表す複数の指標が求められます。

各指標を読み取る際は、線図上の位置と意味を対応させて確認することが重要です。

代表的な評価指標について、定義と線図上の位置、実務での使われ方について、以下の4点に沿って解説していきます。

• 降伏点と2%耐力
• 引張強さ
• ヤング率
• 伸び率と絞り

降伏点と0.2%耐力

降伏点とは、材料に顕著な塑性変形が始まる状態を示す実用上の指標です。

降伏現象が明確に現れる材料では、図2に示すように、最初に現れる最大応力を上降伏応力ReH、初期の過渡的な影響を除いた塑性降伏中の最小応力を下降伏応力ReLとします。

設計では、許容値や安全率を設定する際の基礎データとして用いられます。

降伏現象がはっきり現れない材料では、降伏点を一点として特定できません。

この場合に用いるのが、0.2%耐力(Rp0.2)です。

図3のように、応力-伸び計伸び曲線の直線部分に対し、0.2%の塑性伸びに相当する距離だけ離れた平行線を引き、曲線と交わる点の応力を読み取ります。

0.2%耐力は降伏点そのものではなく、降伏点の代わりに用いる代替指標です。

測定には、標点間の伸びを直接検出する伸び計を使用します。

材料仕様書や試験報告書を確認する際は、どちらの指標で規定されているかを併せて把握しておきましょう。

引張強さ

引張強さ（Rm）とは、試験中に記録された最大試験力を試験前の原断面積で割った、最大公称応力です。

応力-ひずみ線図では、曲線が最も高くなる位置に対応し、材料の強度を代表する値として広く用いられます。

注意したいのは、引張強さが破断時の応力とは異なる点です。

最大試験力に達した後は、試験片の一部にくびれが生じ、試験力が低下します。

公称応力は原断面積を基準に計算するため、この試験力の低下が線図上の応力低下として現れるのです。

なお、くびれ部の瞬間断面積から求める真応力は、公称応力とは異なる挙動を示します。

実務での引張強さの用途は、材料規格に示された範囲を満たしているかの確認や、材料同士の強度比較です。

不連続降伏を示す材料では、加工硬化が始まって以降の最大試験力を用い、引張強さを求めます。

ヤング率

ヤング率（E）は、弾性域における応力とひずみの関係から求める、材料の変形しにくさを示す指標で、縦弾性係数とも呼ばれます。

ヤング率が表すのは剛性です。

応力-ひずみ線図では、初期の直線部分の傾きに対応し、傾きが急な材料は同じ応力でも変形量が小さくなります。

硬さ試験で評価する硬さとは別の性質であり、強度を示す指標でもありません。

設計では、荷重を受けた部材のたわみ量や伸び量を計算する際、構造解析の入力値として使われます。

ただし、通常の引張試験で得られた応力-ひずみ線図の傾きが、そのまま弾性係数を示すとは限りません。

弾性係数として評価する場合は、傾きを求める範囲と算出方法、伸び計の測定精度、試験速度や温度などの条件を確認する必要があります。

伸び率と絞り

伸び率と絞りは、材料の延性を示す代表的な指標で、いずれも破断後の試験片から求めます。

破断伸び（A）は、破断後の標点距離が元の標点距離に対してどれだけ増加したかを百分率で表した値です。

測定方法は、破断した試験片を突き合わせて標点距離を測るのが一般的ですが、規格や測定条件によっては、伸び計の記録から求める方法もあります。

ここで注意が必要なのは、標点距離の設定が値に影響する点です。

同じ材料でも標点距離が異なれば数値は変わるため、比較する際は試験片の種類と標点距離を併せて確認します。

絞り（Z）は、破断部の最小断面積が原断面積に対して、どれだけ減少したかを百分率で表した値です。

局所的な変形の進み方を示すため、破断伸びと組み合わせて延性を評価します。

加工性の判断や、材料の変形挙動を比較する場面で用いられます。

引張試験の試験片や試験条件、評価項目を定めているのが、JISやASTMなどの規格です。

規格が異なると、試験片の形状や標点距離、試験速度の指定も変わるため、同じ材料でも測定値がそろわない場合があります。

金属材料と樹脂材料それぞれの代表規格に触れたうえで、数値を比較する際の注意点について、以下の3点から説明します。

• 金属材料（JIS Z 2241とASTM E8/E8M）
• 樹脂材料（JIS K 7161とASTM D638）
• 数値を比較するときの注意点

金属材料（JIS Z 2241とASTM E8/E8M）

金属材料の室温引張試験には、日本国内でJIS Z 2241、米国規格でASTM E8/E8Mが用いられます。

いずれも、試験片形状や試験速度、測定項目を規定していますが、細部の条件は一致しません。

ASTM E8/E8Mは、インチ・ポンド単位系とSI単位系を併記した一つの規格です。

両者の数値は厳密な換算関係ではないため、単位系を混用せず、それぞれ独立して扱います。

多くの丸棒試験片では、E8側が直径の4倍、E8M側が5倍を標点距離としています。

また、JISの標点距離は、試験片の種類によって決め方が異なります。

14A号は原標点距離を原断面積の平方根の5.65倍とする比例試験片で、4号は径14±0.5 mm・原標点距離50 mmの定形試験片です。

4号については、規定寸法を採れない場合、L₀＝4√S₀の関係から平行部径と原標点距離を定める方法も認められています。

樹脂材料（JIS K 7161とASTM D638）

樹脂材料の引張試験には、金属材料とは別の規格が適用されます。

代表的な規格は、JISではJIS K 7161シリーズ、ASTMではASTM D638です。

樹脂材料で注意したいのは、規格が材料の形態や成形方法によって枝分かれする点です。

JIS K 7161-1は引張特性の求め方に関する通則であり、試験片の形状や材料別の条件は、対象材料に対応する規格を併せて確認します。

繊維強化プラスチックについても、材料形態に応じて別の規格が用いられます。

ASTM D638にも適用範囲があり、対象は厚さ14 mmまでの材料です。

厚さ1.0 mm未満の薄いシートやフィルムには、ASTM D882が推奨されています。

また、樹脂材料は金属材料と比べて、試験速度による測定値の変動が大きい傾向にあります。

試験片の形状や寸法についても、JIS・ISO系とASTM系で考え方が異なるため、評価目的に応じて適用規格を確認したうえで条件を設定しましょう。

数値を比較するときの注意点

引張試験の数値は、規格名が同じであれば無条件に比較できるものではありません。

試験片の形状・寸法、標点距離、試験速度、ひずみの測定方法といった条件がそろって、初めて同じ前提の値として扱えます。

とくに影響が大きいのは、標点距離です。

同じ丸棒試験片でも規格によって設定が異なるため、破断伸びの数値をそのまま横並びにすると、材料の延性を誤って評価しかねません。

試験速度も、制御量が違えば結果に差が出る場合があります。

そのため報告書では、規格名、試験片の種類、標点距離、速度条件、測定方法を数値と併記して扱います。

こうした条件を規格が求める水準で満たすには、試験機だけでなく、ひずみをどのように測定するかという計測系の構成が重要です。

引張試験で取得できる物性値は、試験機本体だけでなく、ひずみをどのような方法で測定するかによって変わります。

ヤング率や0.2%耐力などを評価する場合は、標点間の伸びを測定できる伸び計が必要です。

ここでは、装置構成と取得できる物性値の対応、および伸び計の選定について、以下の2点に沿って整理します。

• 装置構成と取得できる物性値の対応
• 伸び計の選定（接触式・非接触式）

装置構成と取得できる物性値の対応

取得できる物性値は、装置の優劣だけで決まるものではありません。

評価したい項目に必要な測定量と精度を確認し、荷重の検出系とひずみの測定系を組み合わせます。

ロードセルで最大試験力を測定し、試験前の原断面積が分かれば、引張強さを求められます。

一方、0.2%耐力やヤング率などの評価には、標点間の伸びを測定する伸び計が必要です。

破断伸びと絞りは、主に試験前後の寸法測定から算出します。

自社設備の対応範囲を確認する際は、求めたい物性値に必要な測定量と精度から、装置構成を検討しましょう。

伸び計の選定（接触式・非接触式）

接触式は、試験片の標点位置に直接取り付け、伸びを検出する方式です。

微小なひずみを安定して測定でき、金属材料の耐力や弾性域の評価に用いられます。

取り付け位置と校正の状態が測定値に影響するため、標点距離の設定と装置の精度管理が重要です。

非接触式のビデオ伸び計は、試験片に付けた標点をカメラで追跡してひずみを算出します。

取り付けによる影響を避けたい場合に適しており、軟質材料や薄膜、細線、高温環境下での試験などに用いられています。

標点を安定して認識できるよう、コントラストを確保したマーキングが必要です。

選定にあたっては、評価したい指標に求められる測定精度、試験片の材質と形状、試験温度などの条件を照らし合わせます。

規格によってひずみ測定の精度要件が定められている場合は、その水準を満たす構成を選びましょう。

※ 評価できる項目は、伸び計の方式だけでなく、機種の測定精度や測定範囲、適用規格によって異なります。各物性値の算出には、荷重や試験片寸法など複数の測定結果を組み合わせます。

自社で試験片の加工やひずみ測定系を準備できない場合は、外部の試験・計測サービスを利用する方法があります。

アレックス・ジャパンでは、航空・宇宙・防衛分野を中心に、試験計画から試験・計測、データ解析まで対応しています。

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本記事では、引張試験の目的と手順、応力-ひずみ線図の見方、評価指標の意味、JISとASTMの規格の違い、装置と伸び計の構成によって得られる物性値の範囲について解説しました。

要点は以下のとおりです。

• 引張試験では、試験片に一方向の引張荷重を加え、荷重と伸びから材料の強度と変形特性を評価する
• 応力-ひずみ線図では、弾性域の傾きからヤング率、最大公称応力から引張強さを読み取る
• 明確な降伏現象を示す材料では上降伏応力・下降伏応力を、示さない金属材料では2%耐力を用いる
• 破断伸びは標点距離の影響を受けるため、試験片形状や規格が異なる数値を単純に比較できない
• ヤング率や2%耐力の評価では、標点間の伸びを直接測定できる伸び計が必要となる

引張試験から得られる数値は、材料の強度と延性を評価する根拠になりますが、その値は試験片の形状、標点距離、試験速度、ひずみの測定方法といった条件に左右されます。

適用規格や試験片形状、測定する物性値が決まっていない段階では、試験目的から条件を整理しなければなりません。

アレックス・ジャパンでは、設計から解析、試験・計装までを一貫して支援しています。

引張試験を含む材料評価について、試験方法や計測構成の検討が必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

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