スマートフォンや車のバンパーなど、私たちの日常生活で使用されている多くの樹脂製品には、衝撃に対する耐久性が求められます。樹脂の耐衝撃性と靭性を判断するために使用される最も簡単な方法のいくつかは、シャルピー衝撃試験とアイゾット衝撃試験です。これらは、テストサンプルに高速衝撃を加える振り子衝撃試験です。
振り子衝撃試験とは?
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振り子衝撃試験は、振り子の原理を使用します。振り子ハンマーが特定の高さから振り下ろされ、Vノッチ付きサンプルを叩きます。衝撃エネルギー（サンプルを破壊、変形、または押しのけるために必要なエネルギー）を測定して、サンプルの衝撃強度を決定します。衝撃強度は、サンプルを破壊する際に吸収される衝撃エネルギーです。衝撃強度が大きいほど、衝撃時のエネルギー吸収が大きくなります。したがって、より多くのエネルギーを吸収できる材料はより強靭で、より大きな衝撃に耐えることができます。
ハンマー上昇角度と衝撃エネルギー
衝撃エネルギーは、サンプル破損前と破損後のハンマーの位置エネルギーの差です。
W = サンプルを破壊することで吸収されるエネルギー
E1 = 開始位置でのハンマーの位置エネルギー
E2 = 上昇角度での衝突後のハンマーの位置エネルギー
衝突エネルギーを計算するには、2 つの角度の差を求める必要があります。1) 衝突後のハンマー上昇角度、2) 試験サンプルがない場合のハンマー上昇角度です。さらに、空気抵抗と振り子ベアリングの摩擦によって発生するエネルギー損失も考慮する必要があります。そのため、測定されたエネルギーは補正され、正確な結果が得られます。安田精機では、簡易補正法を採用しています。
【簡易補正方法】
Wc = 補正後の吸収エネルギー (J)
WR = ハンマーの回転軸周りのモーメント (N・m)
α = ハンマー解放角度 (°)
α’ = ハンマーを角度 α から解放したときの試験サンプルなしの上昇角度 (°)
β = 衝撃後の上昇角度 (°)
【衝撃強度 (kJ/㎡) の計算】
a = 衝撃強度（kJ/㎡）
Wc = 補正後の吸収エネルギー（J）
b = サンプル幅（mm）
h = サンプル厚さ（mm）
試験方法
振り子衝撃試験には、主にシャルピー、アイゾット、引張衝撃試験の 3 種類があります。前者の 2 つの方法が最も一般的であり、この記事ではこれらについて説明します。
シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験の試験規格：JIS K 7111-1、ISO 179-1、ASTM D 6110
シャルピー衝撃試験では、試験サンプルを両端で支え、ハンマーをノッチの反対側のサンプル中央に打ち付けます。サンプルはアンビル（試験台）に置くだけでセットされるため、簡単かつ効率的に試験を行うことができます。
シャルピー衝撃試験は振り子衝撃試験の主流の試験方法であり、アイゾット衝撃試験に比べてより一般的に使用されています。
アイゾット衝撃試験
アイゾット衝撃試験の試験規格：JIS K 7110、ISO180、ASTM D256
アイゾット衝撃試験では、試験サンプルの一端を固定します。ハンマーはノッチのある側でもう一端を叩きます。シャルピー衝撃試験と比較すると、この試験方法は手順に多くのステップが含まれるため、より多くの作業が必要です。しかし、この試験方法は今日でもいくつかの自動車メーカーで使用されています。このような自動車ブランドの部品や材料のサプライヤーもアイゾット衝撃試験を実施しています。
試験規格
シャルピー衝撃試験とアイゾット衝撃試験で使用される試験方法と試験機は、国際標準化機構 (ISO)、日本工業規格委員会 (JISC)、米国材料試験協会 (ASTM) によって標準化されています。
| 規格 | トピック | タイトル | |
|---|---|---|---|
| JIS※1 | K 7111-1 | シャルピー | プラスチック – シャルピー衝撃特性の測定 – 第 1 部: 非計装衝撃試験 |
| K 7110 | アイゾット | プラスチック – アイゾット衝撃特性の測定強度 | |
| B 7739 | 衝撃試験機 | 非金属材料用振り子式衝撃試験機 – 試験機の検証 | |
| ISO | 179-1 | シャルピー | プラスチック – シャルピー衝撃特性の測定 – パート 1: 非計装衝撃試験 |
| 180 | アイゾット | プラスチック – アイゾット衝撃強度の測定 | |
| 13802 | 衝撃試験機械 | プラスチック – 振り子衝撃試験機の検証 – シャルピー、アイゾット、引張衝撃試験 | |
| ASTM | D6110 | シャルピー | プラスチックのノッチ付き試験片のシャルピー衝撃抵抗を測定するための標準試験方法 |
| D256 | アイゾット | プラスチックのアイゾット振り子衝撃抵抗を測定するための標準試験方法 | |
※1日本工業規格
【関連規格】
| 規格 | タイトル | |
|---|---|---|
| JIS | K 7062 | ガラス繊維強化プラスチックのアイゾット衝撃強度試験方法 |
| K 7077 | 炭素繊維強化プラスチックのシャルピー衝撃強度試験方法 | |
ハンマー、アンビル、試験サンプル
試験手順とともに、振り子ハンマー、アンビル、試験サンプルの詳細は、シャルピー衝撃試験とアイゾット衝撃試験の両方について ISO、JIS、ASTM 規格で規定されています。したがって、標準化された試験方法の基礎を理解することが不可欠です。
シャルピー衝撃試験
シャルピーハンマー
| 標準 | 位置エネルギー (J) |
サンプルなしの最大許容摩擦損失 (エネルギー容量の%) |
衝撃速度 (m/s) |
打撃エッジの角度 (°) |
打撃半径エッジ (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| ISO/JIS | 0.5 | 4 | 2.9 (±10%) | 30±1 | 2.0±0.5 |
| 1 | 2 | ||||
| 2 | 1 | ||||
| 4 | 0.5 | ||||
| 5 | 0.5 | ||||
| 7.5 | 0.5 | 3.8 (±10%) | |||
| 15 | 0.5 | ||||
| 25 | 0.5 | ||||
| ASTM | 2.7–21.7 | N/A | 3.46 | 45±2 | 3.17±0.12 |
シャルピーの特徴ハンマーは、上表の通り試験規格によって異なります。ISO規格やJIS規格では、衝撃速度に応じてハンマーの長さが変わります。そのため、例えば4Jの衝撃と7.5Jの衝撃を同じハンマーで作ることはできません。 2 種類のハンマーを用意する必要があります。
シャルピー アンビル
| シンボル | パラメータ | ISO/JIS | ASTM |
|---|---|---|---|
| ― | 試験サンプルの長軸と基準の平行度平面 | ±4/1000 | 該当なし |
| R2 | アンビルの曲率半径 (mm) | 1±0.1 | 3.17±0.12 |
| θ2 | アンビルのテーパー角度 (°) | 10±1 | 0 |
| θ3 | アンビルの傾斜角度(°) | 5±1 | 0 |
| ― | サポートとアンビルの角度 (°) | 90±0.1 | 90 |
| L | サンプルサポート間のスパン (mm) | 62±(0.5/0) | 101.6±0.5 |
アンビルの形状ISO (または JIS) 規格と ASTM 規格では異なります。したがって、ISO と ASTM の両方の標準テストを実行するには、2 つの異なるアンビルを準備する必要があります。
シャルピー試験サンプルの寸法
| 規格 | 長さ L (mm) |
幅 b (mm) |
厚さ h (mm) |
ノッチ先端の残り幅 hN (mm) |
|---|---|---|---|---|
| ISO/JIS | 80±2 | 4.0±0.2 | 10.0±0.2 | 8.0±0.2 |
| ASTM | 124.5–127 | 3.0–12.7 | 12.70±0.15 | 10.16±0.05 |
ノッチ深さの ISO および JIS 規格は 2 mm ですが、ASTM 規格は 2.54 mm です。ASTM では、テスト サンプルの正確な長さと幅も指定せず、代わりに特定の範囲を示します。
