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プラスチックの実用強度と耐久性 5
第3章 プラスチックの力学的特性と 試験方法（続き） 呂毛．各試繍法と特性 3−3−4．衝撃試験 衝撃強さは，試験片が破壊するまでに吸収したエ ネルギーの大きさで表す。したがって，設計データ として利用するのではなく，それぞれの材料の設計 要因と衝撃特性の関係を知るために用いられる。シ ャルピー試験やアイゾット衝撃試験法については， それぞれの試験規格の中で， 「この試験法による結果 は，構造設計用のデータとして使用すべきぞない。 しかしながら，種々の温度，ノッチ半径および／また は厚さを変えた試験片を試験することによって材料 の代表的挙動の情報を得ることはできる』となって 合は，切削でノッチ加工するが，材料規格で規定さ れている場合は成形によるノッチでもよいとなって いる。ただ，切削ノッチと成形ノッチでは同一の試 験結果は得られないとなっている。試験片数は材料 規格に規定がなければ，少なくとも10個とする。変 動係数が5％より小さければ5個の試験片でよい。 試験機における打撃刃先端形状，試験片の固定台 へのセット・衝撃時の振り子位置などを図1に示す。 また，試験片に対する振り子の当て方としては，図 2のようにエッジワイズとフラットワイズの二つが ある。特別な表面効果を検討する以外は，通常エッ ジワイズで試験する。また，エッジワイズーノッチ 付き試験では，ノッチ先端アールは図3のように， 0．25費1．00，0．10mmの3種があるが，シングルボ イントデータでは0．25mmアールを指定する。 衝撃強さは）っぎのように求める。 いる。 プラスチックの衝撃試験法としては， シャルピー衝撃試験，アイゾット衝撃試 振り子の棒 験，引張衝撃試験，落錘衝撃試験などが ノッチ JISで規格化されている。 試験片 （1）各試験法 ［シャルピー衝撃強さの試験法（」正S 1 K711rエ996）コ 1 シャルピー試験法は，シングルポイン エツジワイズ衝撃 トデータのフォーマットの衝撃強さ表示 に指定されている。アイゾット試験法に 比較して，シャルピー試験ではテ試験片 の固定台へのセットばらつきによる誤差 が少ないことが選定理由のようである。 試験片は，通常多目的試験片の平行部 を切り出して使用する。ノッチ付きの場 （単位：皿mlI 打撃方向 試験片固定台 ≡← 一 フラットワイズ衝撃 ＊Seiichi HONMA，本間技術士事務所所長・ 〒254−0811神奈川県平塚市ノ1、重咲町19−23 Vo1．55，No．2 図1 シャルピー衝撃試験 85 45。圭ID 45。士16 450±1。 啄、 ！ 匹 〆 『rr ，’ 、 ！6 ％ ’．雪 打撃方向 ・ 打撃方向 ！〆 ぺ ！ ノッチの半径 ノッチの半径 γ㍑ニ0，25mn±0．05mmγκilmmエ0，05mm 曲 占 la）Aノッチ型 （b）Bノッチ型 図2 シャルピー衝撃に溶けるエッジワイズ衝撃と 図3 ノソチの半径 γ凋＝0 1mm±α0㎞ （c）Cノッチ型 シャルピー衝撃のノッチ形状 フラットワイズ衝撃 衝撃刃持上げ位置 指針1ハンマ・ 振上、驚r”D −l r 、，頑一 持土げ角度 ム lハンマの 脅回転軸中心線1 （ハンマの重心II 衝撃刃 支持響議 一 衝撃方向 ＼謹 ベット 衝撃刃 刃縁 ’ 45。±1q 450±正。 試験後の試験片の破壊状態を，つぎ もっとも頻度の高し ）破壊のタイプに対 衝撃方向 幅（mm） 0＝完全破壊またはヒンジ破壊 P；部分破壊 ム㌃非破壊 破壊のタイプで試験結果を層別し・ 試験片支持台固定郭 試験．片支持台可動郭 図4 アイゾット衝撃試験機 雇ノッチ付き試験片の厚さ （mm） 翻；ノッチ付き試験片の残り の三つに分類する。 張上がり催 勲片 蕪 N 基礎台脳 ＼ ルギー（ゴ） 試験寺 刃縁の自点 して衝撃強さ平均値と対応する破壊の タイプ（C，P享たはN）を記録する。 ［アイゾット衝撃強さの試験法 図5 アイゾッ卜衝撃試験に おける試験片とハンマー ノッチの半径 ノッチの半径 γ押＝Q．25mm±onSmmγ ’1㎜±o．05mm クイプAノッチ タイプBノッチ の関係 図6アイゾット衝撃のノッチ形状 〈ノッチなしの場合＞ ノッチなしの試験片のシャルピー衝撃強さ伽 （単位kJ／m2）はつぎの式によって計算する。 ，7 （3一一11） ασひ＝一x103 hδ ここに，躍：試験片に吸収された補正後の衝撃エネ ルギー（J） 〈振り子の摩擦損失の補正） ぬ：試験片の厚さ （mm） δ：試験片の幅（mm） （JIS K7110 1999 ］ 図4に試験機の全体を示す。また， 図5に試験片支持台，ハンマの衝撃刃 および試験片間の関係を示す。試験片， シャルピー試験法 と同様である。また，試験片に対し振り子を当てる 方向はエッジワイズとフラットワイズがあるが，通 常はエッジワイズで試験する。ノッチのタイプとし ノッチ加工，試験片の数などは・ ては，図6のように0，25，1』㎜の2鱗醐る。『 アイゾット衝撃強さは，つぎの式で計算する。 く■ッチなしの場合〉 ノッチなしのアイゾット衝撃強さ伽（単位：kJ／ m2）は，つぎの式によって計算する。 『 伽一一万×103 〔3−13） 〈ノッチ付きの場合〉 ここに・砂：試験片に吸収された補軍後の衝撃エネ ルギー（J） ノッチ付き試験片のシャルピー衝撃強さ伽（単 （振り子の摩擦抵抗を補正した値） 位kJ〆m2）妹・ つぎの式によって計算する・ 再：試験片の厚さ （mm） 卯 伽＝一×103 （3−12） 劾κ ここに，躍r試験片に吸収された補正後の衝撃エネ δ：試験片の幅（皿m〉 85 くノッチ付きの場合＞ ノッチ付き試験片のアイゾット試験強さ露 プラスチックス （単位：kJ／m琴）はつぎの式によって計算する。 mmが望ましい。ノッチ先端半径は1mm±0，02 α測一湯×・・3 〔3 mm，角度は45ρ±19とし，切削加工で行う。 材料規格に規定がない場合は，少なくとも10個の ⊥4） ζこに，曜：試験片に吸収された補正後の衝撃エネ 試験片を用いる。 ルギー（」〕 血：ノッチ試験片の厚さ（mm） ノッチなし試験片の衝撃強さE（kJ！m2）および ノッチ付き試験片の引張衝撃強さE・（kJ／m2）は， 酬；ノッチ付き試験片の残り幅（mm） 試験片の破壊様式の表し方は，シャルピー試験法 6 の場合と同様である。 L99G コ ［引張衝撃強さの試験法（JIS K7160 この規格は，比較的高いひずみ速度で行う引張試 験の1種である。試験片が軟らか過ぎたり， 厚さが 振り子の腕 ストライカ ヤロ ア 、／／郵 薄過ぎたり，また衝撃強さが大き過ぎるためにシャ ルピー衝撃やアイゾット衝撃による試験方法を適用 、／ できない材料に用いる。 この試 験方法は，成形材料から作成した試験片ま たは最終製品もしくは中間製品（例＝成形品，フィ ルム，積層品，押出し板，注型板など）から採集し た試験片に適用する。試験方法としては，クロスヘ ッドを支持枠に静止して装着するA法と振り子に 固定して，振り子とともに振り下ろすB法がある。 クロスヘッド クロスヘッド支持台 つかみ具 図7にA法試験法を示す。 試験片の形状としては，図8に示すように5種類 クロヌヘッド支持台 の形状がある。A法には，工形試験片（ノッチ付きノ および3形試験片（ノッチなし）が望ましいが，必 要な場合2形，4形または5形試験片を使用しても よい。B法には，2形および4形試験片が望ましい。 また，試験片の厚さとしては，4mm以下のものは， その厚さで試験する。試験片の厚さは4．0±0．02 ストライカ つかみ具（可動） 図7 引張衝撃試 ＼ クロスヘッド 四一打撃方向 ．ヨ』つかみ具（静止〉 験機（A法の 場合） 魁 衷1 落錘衝撃試験の重錘の種類 種類 球形重錘 醐 『 球1形 球2形 質量 O．5±0．D5kg 工±O．05k暮 鰍．直径細0㎜直径約63㎜ 種類 なす形重錘 呼ぴ なす工形 4形 1 ∫管 なす2形 質量 1±0．05kg 2±CI、D5㎏ ノ ド 形状 図9に示す。 凝 マ ・o、 〆 12 2形 ’ ’ 5形 尺 呉 RI鐸 ら ’1 R ギ 1暴 闘． 』馬『 旨 心 r 3形 Vol，55，No．2 図8 引張衝撃試験片の形状 図9 落錘衝撃試験の重錘形状 87 らす。このようにして試験片が破壊しなくなるまで， っぎの式で計算する。 この操作を続ける。 E EおよぴE。信坐×103 （3−15） 謬4 （ロ）もし，第1番目の試験片が破壊しないときは， こ二に，島：補正済みの引張衝撃エネルギー（」） 落下高さを一定値4（cm）だけ増す。第2番目の試 ∬：試験片平行部の最少幅（mm）またはノ 験片も破壊しないときは，落下高さを一定値ゴ（cm） ッチの先端間距離 だけ増す。このようにして破壊するまで，この操作 ゴ： 試験片の厚さ （mm） ［落錘衝撃試験法（JIS K721r1975）］ 落錘衝撃試験は，規定の重錘による落錘衝撃で， （ハ）残りの試験片は，前の試験片が破壊したとき を続ける。 は4（cm）だけ減らし，または前の試験片が破壊しな 試験片の数の50％が破壊するときの高さと衝撃エ かったときは4（cm）だけ増して，同様に試験する。 ネルギーを求める方法である。 以上のようにして得られた測定結果をもとに， 試験片の形状は円板や角板で，成形した試験片か 製品から切り出した試験片を用い，板厚は原厚とす る。試験片の数は原則どして20個とするが，当事者 50％破壊高さ（島。）と50％破壊エネルギー（E5D）を っぎの式で計算する。 ぬ一制［翠±司 （3郵） 間の協定により■0個ヒすることができる。 重錘の形状や重さは表1，図9に示すものを標準 ここに， 島b二5G％破壊高さ（cm） 昂：高さ水準（ぢ）がゼロのときの試験高さ とする。 試験方法はつぎの手順で行う。 （イ〕もし，第1番目の試験片が破壌するときは， （㎝1）であって，“試験片が破壊することが 予測される高さ”を指す。 落下高さを一定値ゴ（㎝）だけ減らす。第2番目の 試験片でも破壊するときは，一定値4（cm）だけ減 （1，0DO 厚み藩μ 日 （cm） 六島のときをゼロとし，」つずつ増減する高 4 ＼ 100℃ 9 0 800＿一 埋 さ水準（彦＝・一一3，一2，r1，0，1，2，3， 一r一） 0℃ o 辮6DO 渾 4＝試験高さを上下させるときの高さ間隔 鑑二各水準において破壊した（または破壊しな 一40℃ ム 40D かった）試験片の数 き 孕 〉 200 ヤ 一75℃ 一 ■ 卸＝破壊した（または破壊しなかった）試験片 の総数（N＝Σ簸） 一185℃ P、 D 1．5 2．0 2．5 3．0 3，5 4．O XIO4 いずれか多いほうのデータを使用する。な お，同数の場合はどちらを使用してもよい。 Mv 図1酔PCのアイゾツト衝撃強さの分子量依存性 1 ±万一＝破壊したデータを使用したときは負号を， （旧JISによる測定値） り 破壊しなかったデータを使用したときは正 号をとる。 図1121PCのシャル ピー衝撃強さ のノッチアー 帥 E5。＝解・9・鰯 （3−17） ル特性 ？ 巳60 ＼ ⊇ 表2 レ 窪 JISK7211 ・嚥による落錘衝撃試験例 1 試験結果〔x：破筏O 験水準局さ㎞1 （の 講40 1234 567 潭 10 I 20 0 −1 70 −2 −120 −80 −40 0 40 温度 8a （℃） 910 11 L2 破壊せず） ／3 1415 1617 18 L9 20 O 潅 動f × 00451 1go（1舌I D X 0 呂 O X o ○ x x O × o × O O × X C o X o 040 X 蜘f 10 Σ1幽〕 3 プラスチックス 500 ρ 婁 ＼3励 1，σ00 日 ＄00 ＞ パ 日400 送 図143）PAのア 話 ・落球 」 脚 ナイロン 酬 さの吸水率依存噸 、亭へ ム 勢 60D 『 一 『 一 一 『 ト ヤ ナイ自ン 6LO イゾット衝齪彊薫 溺300 ： ム ） アイゾットVノッチ oo・シャルピーUノッチ ャルピーVノッチ ．／つ■ 『 1DO 一一薗一r階−一ム 1，500（ ’ 窪 、か 鳶 劃 ト・40D 1 覧 L 50 1・000翠 1 20D 1 ＼ 一 』、u㌔− 『 一 ■ 一 コー■一−一一一 『 一■r一』一胃ロo 66 性（旧JISによ ム200 る測定値） 赤 ト ヤ100 ト ガラス繊維入リ ナイロン6 o 欝 漣 O l 2 3 吸水率（％） D 500 123456789101112 厚み（mm〉 50 図12・〕PCの衝撃強さの厚み依存性（旧JISによる測定値） at23℃ ノッチR＝0ユ5 ぼ ぎ 粘度平均分子量 1，0α0 矧 ■ 275×10q ロ2、34×1（戸 目 8DO ＞ 粘度平均分子量：23，200 R＝o，5 丑＝1．O 潭 02、2D×10咽 0 2、01×101 ’ ロ ひ 盗 L、92×104 1 ’ プ’ ノ只σ窒 ロ 駒 O lO 20 謹 6DO 変位〔mm〉 醐 潭 図15q計装化アイゾット衝撃による ユ 4DO 荷重 ト 変位曲線 ト ヤ 200 び の ヂ プ ’ 。1．59×鼠04 ト るため，ひずみ速度の大きい変形に対して車， 塑性変形するので衝撃強さは大きくなる。図 101）は，PCのアイゾット衝撃の分子量依存性 （〕 一［00 90 60 −40 −20 0 塾0 4D 60 8D 温 度（℃） である。同図からわかるように，3．0ん3，2× 図亘蓼1）PCのアイゾット衝撃強さの厚み依存性（旧JISによる測定値｝ ここに， E5ゴ50％破壊エネルギー（J） 彿：重錘の質量（kg） g：重力の加速度（9．80665m／s2） 岳。：（3−16）式により求めた5D％破壊高さであ ってメートル（m）に換算した値 表2に測定結果から破壊高さと破壊エネルギーを 求める例を示す。工kgの重錘により20個の試料に ついて4＝2腕mとして試験したとき10個が破壊 し，残りの10個が破壊しなかった。この場合，破壊 した数と，しなかった数が同数なのでどちらを計算 してもよいから，こここでは破壊した場合の例を示 104以下では，分子量の増加とともに値は大 きくなる。一方，高分子側で低下するのは， 分子量が高いため過酷な成形条件で成形することに よる残留ひずみなどの影響と考えられる。 衝撃強さは，基本的には高いひずみ速度のもとで， 引張応力が集中する部分でクラックが発生して・急 速に伝播して破壊に至る。このため，アイゾット衝 撃やシャルピー衝撃では，ノッチ先端アールの影響 を強く受ける。図ll2DはPCのシャルピ｝衝撃強さ の温度を変えた場合のノッチ先端アール依存性を示 している。先端アールが小さくなるほど，どの温度 においても衝撃強さは小さくなることがわかる。こ のことは，実際の製品設計においても，コーナーア ールの大きさが製品の衝撃強さに強く影響すること 丁。 を示唆している。また，肉厚も衝撃強さに影響する。 （2）衝撃強さ特性 特に，PCは衝撃強さの厚み依存性の大きいプラス プラスチックの衝撃強さは，分子量に依存する。 チックである。 つまり，分子量は大きいと分子は絡み合いやすくな 図121ンは各種衝撃試験法による試験片の厚み依 Vo1．55， No．2 89 4 プーリ 試験片厚さ：1mm 検力器 PC （3 検力器（ストレン ゲージ〉 量 糊2 躯 試験片つかみ具 PPB−1 1 ABS−1 PP PPB−2 試験液 試験片 容器 PE （コイルぱね） 恒温槽 試験片 つかみ具 試験片 持枠 PS 恒温槽 0 5101520 変位（mm） PPB−1：Propy正ene ethylene block copolymor 試験液 （a）ストレンゲージ式 （b）コイルばね式 図17 応力緩和試験装置（試験液のない場合は空気中での試験になる） エチレン含量 8．6mo1％ PPB−2；Propylene−ethylene block copolymer さて，通常の衝撃試験法では，破壊に要した全エ ネルギ」量しか測定できない。試験装置に破壊する までの荷重と変位量を計測できるようにロードセル を取り付けることによ って，引張試験や曲げ試験と 同様に，破壊過程での荷重と変位の挙動を調べるこ エチレン含量 12．6mol％ 図165》各種プラスチックの落錘衝撃に おける荷重一変位曲線（15m坦径 の落錘を高さ0．75mから落とし た場合） とができる。 パ 8100 ％ 5。：初期応力 ε1時間経過後の応力 ぐ 図18応力緩和曲線 の表し方 め 冊 融50 鰹 R 図1騨は，衝撃ハンマーにロードセルを取り付け た計装化アイゾット試験機を用い，PCのノッチ先 端アールを変えたときの変位量と荷重の関係を測定 した結果である。同図の挙動から，ノッチ先端アー ルが大きくなると，ノヅチ部分での伸びが大きくな るため，曲線の積分値として求められる衝撃強さは ／ 応力緩和曲線 煙 対数時間 大きくなることがわかる。 存性である。Vノッチを切った試験片では， つまり， ひずみ速度が速い場合には，4∼5mm以上で急に衝 撃強さが低下している。この理由は，肉厚が厚い場 合には，平面ひずみ状態で，多軸応力が発生するた め延性から脆性破壊に移行し，衝撃強さが低下する と考えられる。一方，U／ッチや落球試験では，ひ ずみ速度が小さいため，急激な低下は示さない。つ まり，応力の多軸化とひずみ速度が襲撃強さに関係 していることがうかがえる。 衝撃強さについては，温度も影響する。図131）は， PCの分子量を変えた場合，アイゾット衝撃強 さの 温度依存性を示している。同図から，温度の高い側 では延性破壊を示すが，温度の低い側では脆性破壊 を示すようなり，S字カーブを示す。また，延性破壊 から脆性破壊に移行する温度（遷移温度）は，分子 量が高い方が低温側にシフトする。 一方，吸水しやすいポリアミドでは，吸水率の影 響も受ける。図143〉はポリアミド6と66のアイゾ ット衝撃強さの吸水率依存性である。吸水率が大き くなると衝撃強さは大きくなっている。この理由は， 水分の可塑化効果によって，塑性変形しやすくなる ため，衝撃エネルギーを吸収す．るためと考えられる。 go 図16は，計装化落錘衝撃試験機による各種のプラ スチックの荷重一変位曲線である5）。試験条件は試 験片厚さ1mm，落錘の径15mmで高さ0．75mか ら落下した場合である。実験した時の試験片の破壊 状態と合せて考えると，PCは重錘の「突き抜け破壊 型」で，破壊するまでの変形も大きいので，衝撃強 さは大きい。PPでは重錘が衝突した周囲に白化を ともなった変形が生じ，試験片が円板状に打ち抜か れる「クラック破壊型」となり，衝撃強さはやや小 さい。PSでは，試験片の中心からクラックが放射状 に伝播する「脆性破壊型」に分類され，衝撃強さも 小さい。 3−3−4．応力緩和，クリープ （1）試験方法 ［応力緩和（JIS K7107一工987）］ 応力緩和だけの試験法はないが，JIS K7107一玉987 （定引張変形下におけるプラスチックの耐薬品性試 の中に方法が示されている。この規格は， 定引張応力下で，空気中での応力緩和曲線と薬品中 での応力緩和曲線から，それぞれの限界応力を求め て，その差で耐薬品性を評価する方法である。 さて，ここでは，応力緩和曲線を求める試験方法 験方法） プラスチックス を説明する。試験装置は，図17に示すような装置を 用いる。通常の引張試験機でも同様な測定はできる が，微小な変形量での試験では，つかみ具でのずれ も誤差原因になるので，同図のような装置でストレ ンゲージやコイルばねによる方法が規格化されてい る。空気中での応力緩和曲線を求める場合には，図 の試験液の代わりに空気雰囲気にすればよい。 形ひずみゲージは，試験する材料がひずみゲージを 貼ることによって影響を受けない場合，または試験 中接着剤が変質しない場合だけ適用できる。 クリープ試験結果の表し方は，つぎのとおりであ る。 ①クリープ線図 経過時間の対数に対する引張ひずみをプロットす 試験片は，JIS K7113−1995（プラスチックの引張試 る（図19） 験方法）の付属書小型試験片による引張試験片の ②クリープ弾性率一時間線図 1（1／2）号形試験片を用いる。平行部の形状や寸法 経過時間の対数に対し，クリープ弾性率盈をプ を変えなければ，つかみ具部分の形状や寸法を変え ロットする（図20） てもよい。 ここで，引張クリープ弾性率昂は，つぎの式で計 測定はつぎの手順で行う、 ①プーリを回転して，所定の初期応力S・になるま 算する。 で一定の速度で負荷する。 呂一妾己菰 （年・s） 離を測定し，ただちにタイマーを作動させる。 ここに，σ：初期応力（MPa） ε亡＝時間員ζおけるひずみ ③荷重の減少量は，試験開始後1時間はほぼ連続 F：試験荷重（N） 的に，その後は12∼24時間ごとに測定する。 緩和後の荷重を初期の試験片の最少断面積で除し て，緩和応力Sを求め，初期応力SDとの比Sノ智・を L・＝初期標線間距離（mm） ！1：試験片の初期断面積〔mm2） 特間の対数値10g畠こ対してプロットして，応力緩 ③等時応カーひずみ線図 ②初期応力S。になったら，試験片っかみ具間の距 和曲線を描く。図18に応力緩和特性曲線を示す。 ［クリープ（JIS K7115一設999）］ クリープの試験方法としては，JIS K7115−1999（引 （∠L）直：時間封こおける伸ぴ（mm） いくつかの応力レベルでクリープひずみを測定 し・これらのデータをもとに，ある時問後の負荷応 力とひずみの関係を示す等時応カーひずみ曲線を描 張クリープ）とJIS K7116−1999（3点負荷による曲げ く（図21）。 クリープ）があるが，ここでは引張クリープ試験方 ④クリープ破断線図 破断するまでの対数の時間と負荷応力をグラフに 法について述べる。 試験片は，JIS K7162一上鰯で規定 された引張試験片を用いる。クリー ゼ プ変形量は，接触または非接触式の 継 為 伸び測定装置を用いる。クリープ破 ト 壊試験の場合，伸び測定はカセット よ メータの原理で作動する非接触式で へ 測定できるものとする。電気抵抗線 よ 尽 広1■ F2 11 ら 時間の対数r 時問の対数r 図19クリープ線図 r監 図20 クリーブ弾性率一時間線図 時 Pコ bσ3 R ■ P2 田 迫σ2 ’ 2 P1 も 長 蟄 θ1 温 度 θ2 εコE2 El の 増 σし 〆 θ3 1 加 ワ 恥星 時聞の対数’ クリープひずみ’、 〔備考〕応力は対数目盛でもよい。 図21等時応カーひずみ線図 図22クリーブ破壊線図 VoL．55，MD．2 ’ o 図23 3要素モデルと応力緩和特性 91 プロットする（図22）。 （2）応力緩和特牲 図241〕は，PCの引張応力緩和の曲線である。時問 と温度によって，緩和特性が変わることが分かる。 応力緩和は，成形工程で発生する残留応力や組立 特に120℃以上では緩和速度が大きいので，PCのア 工程で発生する一定ひずみ下における応力の緩和に 関する特性であり，実用的には重要な性質である。 試験方法の説明の中でも述べたように，材料に一 定のひずみを与えて保持しておくと，材料内部に発 生した応力は，時問とともに一定の値まで減少する。 ニール処理温度として，120℃で行う理由が分かる。 （3）クり一プ特性 材料に一定の応力を加え，そのままの状態で放置 すると，材料の変形は時問とともに増加する。この 現象がクリープである。たとえば，粘弾性の3要素 このような現象を応力緩和という。粘弾性の3要素 モデルで応力緩和の特性を表すと，図23のとおりで ある。このモデルの応力とひずみの関係は，次式で モデルは図25のとおりである。この場合，応力σ。と ひずみε（云）の関係は，次式のとおりである。 ε（渉）一岳＋岳（・一6吻 表される。 σβε。（E2ε一亡’τ＋E1） （3−19） （3 20） ここで，τは緩和時間であり，この時間が短いほど， は遅延時間であり，この時間が短いほどク リープ速度が速いことを示している。 緩和しやすいことを表す。緩和時間は・温度が高い ほど短くなる。応力緩和は時間と温度に依存する。 ところで，クリープ曲線は荷重が大きい場合には， 図26のように模式化される6）。クリープ速度が次第 時間と温度は等価であり，いろいろな温度で測定し た応力緩和曲線から，時間一温度重ね合わせの原理 で，温度一時間換算係数を用いて，1本のマスターカ に減少する最初の段階を第1次クリープもしくは遷 移クリープ・それに続くクリープ速度が一定の段階 を第2次クリープあるいは定常クリープ，最後にク リープ速度が急に増加する段階を第3次クリープま ここで，λ ーブで表現できる。 100 第L次クリープ期間 20℃ （遷移クリープ） 旨 80 80℃ ハ 承 E且 ）60 冊 融 鰹40 R 惑 6 σ♂召2 OD℃ E2σ詔1 η 120℃ 俊20 130℃ 1 1 禦次クリープ期間 ， （疋常クリープ） 1 ‘ 襟多1仁耳押 時 間一 図253要素モデルとクリープ特性 図2斜 一般的なクリープ曲線 0，5 1．0 1，5 2．0 時問（h） 図24D PCの応力緩和曲線（初荷重9．8 1．6 ’ ノ’ 100℃9．81MPa ノ ！！ン雷6鎚昏 MPa，ただし濫度120←130℃の場 合は4．9MPa） 25℃19．6MPa 1．2 一一 4 ／ ＿一一一一一一一一一｝ よク／一 ） 2 兎 躰 b l 0 げ 12哩艶聾 ナイロン66，圧縮応力125kg／cm2（12．3MPa） ナイロン66，引張応力125kg／cm2（12．3MPa） ナイロン6，引張応力50kg／cm2（4．9MPa） ナィロン66，圧縮応力30kg／cm2（2．9MPa） ナイロン66，引張応力30k／cm（2．9MPa〉 500 100 200 300 400 時間（h） 図277｝PAのクリープ曲線 92 ∼’ 万 ／！ ／ 75℃9，81MPa ろ ナイ ロン6，引張応力200kg／cmz（19、6MPa） 3 ぷ プ‘ロー一 0．4 ノンー一7’ ご、 25℃9．81M［Pa ！ノ ，二一一一 75℃4．9MPa 〆 厚 7一 ／ 0 0 一 200 400 600 25℃4．9MPa 800 1，000 時間（h） 図281）PCのクリープ曲線 プラスチックス たは加速クリープという。遷移クリープでは・荷重 を加えると瞬間的に弾性変形し，その後大きく変形 する．遷移クリープでは，弾性変形が材料内部の粘 性抵抗によって変形が遅れる遅延弾性変形によるも のである。定常クリープでは，応力方向に分子鎖溺 部分的に配向しながら変形する段階と考えられる。 加速クリープは，応力によるひずみ軟化の影響との 考え方もあるが，明確な説はない。ただ，クリープ の対数時間ゐ（C＋10g諭の積，縦軸に負荷応力σ をとって整理すると，図30のような1本の直線にな る。このような関係をもとに，クリープ寿命を推定 する方法をラルソン・ミラ旨法というゆ。POMにつ いて実験した結果では，Cの値は空気中では20∼40 であると報告されているUl。 3−3−5．疲れ強さ 11）試験方法（JlS K7118−1995） 破断する前駆的現象としては・ 応力に垂直方向に多 JIS規格では，疲労ではなく，疲れという用語を用 数のクラックが入り，成長して破壊に至るので・ク リープ速度は急速に速くなる可能性はある。 いているので，以下では疲れという用語を用いるo 試験機については，試験目的に応じて適切な試験機 を用いる。引張・圧縮疲れ試 験機，回転曲げ疲れ試 験機，平面曲げ疲れ試験機，ねじり疲れ試験機など クリープ曲線の事例として，図27にPA6およぴ 667ン，図28DにPCの例を示すbいずれも類似した特 性曲線を示している． がある。 クリープ破壊は，荷重を加えておくと変形すると ととに，長時問経つと試験片が破壊する現象である。 破壊の過程としては，まず応力の垂直方向にクラッ クが発生し，このクラックが成長して，ついには破 断する。したがって，クリープ破断時間は・クラッ クが発生するまでの誘導時間とクラックが成長して 破断するまでの時間の和である。クリープ破断線図 は，、応カ 破断時間く対数）で負の勾配の直線で示 試験片にづいては，関連規格または当事者問の協 される。 試験を打ち切る時期としては，通常つぎの三つが 図29はPOM（フポリマータイプ）のクリープ破 ある。 断綜図である5〕。一般に，クリープ破断時間畠と応力 σDの問にはつぎのような関係がある9D。 lqg 晦＝logメ1−Bσ （3−21） 二こで，A，βは温度に依存する定数 また，応力，温度などを変えてクリープ寿命試験 を行い，横軸に絶対温度丁とクリープ破壊するまで 定で定められた寸法・形状のものを用いる。ただ， 試験片の加工法にっいては・試験結果に影響するの で，いくつかの注意事項がある。成形する場合はゲ ート位置，パーティングラインなどは疲れ強さに影 響しないように適切に設計すること，試験片を機械 加工する場合は，加工ひずみやきずを残さないよう にすること，などである』 600 500 400 、、一＿こ、一唱一一 20℃ 歪3CO 盲250 一、 一、 一、一 鳶2co ’、 ＼− ¶r一…＿隔−鯉『一 じ 望150 一、、幅、」』 60℃ 騨 、・、、 80℃ 簡器 100℃ R 「T二絶対温度， 燈 為＝クリープ破断時間， 潭 賦 120℃ 3e【DD 夏0【 1げ 103 1C4 o＝定 数 ／＼ 図蜀lq ラルソンミラー法に 外挿して寿命予測 よるクリープ寿命推定 丁〔1091』十C） 法 図2951POM（コポリマー）のクリープ破壊線図 疲れ限度線 疲れ限度線 （L5 緊 髪1・ 只 憧 2点 羅蚕5 々 降伏限度線 105 io6 繰返し数N Vd．55，No．2 ／魑 黒 畷 ！〈45。（牙fad） 図31S−N曲線 1〔〕7 「7ヲ R 蟹 しつ 1ぴ 平均破壊時間（駈） 平均応力 最小応力 図32 疲れ限度線図 93 ①繰返し数1r回未満で破壊するとき ②繰返し数1び未満で剛性保持率が一定値まで低 横軸に平均応力をとっ て表すか，または縦軸に最大 応力，横軸に最少応力をとって表す（図32）。 下したとき （2）疲れ特性 ここで，剛性保持率とは，最終剛性を初期剛性で 繰返しまたは変動する負荷応力によって，材料が 除した値の百分率である（ひずみ軟化の影響）。 破壊する現象が疲れ破壊である。疲れ破壊の過程は， ③繰返し数工び回までに①，②の条件を満たさな かった場合はエ07回 試験片がつかみ部において破壊するのを避けるた め，つかみ具の角を丸めたり，つかみ具と試験片の 最大応力の発生する面からクラックが発生し・これ が繰り返し応力下で次第に成長して破壊に至る。基 本的な機構としては，クリープ破壊と同様であるが， 繰り返し応力の場合にはいぐつかの違いがある。 間にフィルムを挟んでもよい。 疲れ限度は無限回繰返しに耐える応力の上限値で あるが，プラスチックの場合には，107回までに疲れ 限度（S N曲線で，それ以上は横軸に水平となる繰 返し応力）を示さない場合が多いので，上述のよう に，r般に107回までに破壊しない応力の上限値と 対数目盛で描く（図31）。 疲れ時問線図（時間強さ）は，縦軸に応力振幅， 6 デ1レリン」 50 ぺ ボ1ノカーボネート 皇 40 （30Hzら23℃，10〔｝％RH） 痩3 な現象をひずみ軟化という。このため，上述したJls 7118−1鰯においても，剛性保持率の低下に注目し て，試験終了時期を決める方法をとっている。ひず み軟化が起こる機構については，っぎのように考え 黛 ナイロン （30Hz，22℃） （20Hz，22℃ 25％含水） R り返しでは， 応力は減少することがある。このよう 60 燈5 巨 レ よって，熱疲れ破壊することがある、 二つは，プラスチックは繰り返し応力をかけてい くと次第にひずみが増加し・たり，一定のひずみの繰 している。 通常・S−N曲線は横軸に繰返し数を対数目盛で， 縦軸に応力振幅または最大応力を等聞隔目盛または 望4 一つは，繰返し応力によって・機械的エネルギー は熱エネルギーに変わり試料自体の温度が上昇す る。一般に温度上昇は繰り返し周波数と応力振幅の 2剰に比例すると言われる・このような温度上昇に ＿ユ． 緊2 令 3・§ 硬質塩ビ フ土ノキシ樹脂 （2DH42￡℃） 製 30 120Hz，22℃1 1 2。漿 10 皇 責 図34’）PCの疲 々20 労強さと分 子量の関係 燕 嗜 10｝ 1ぴ 【05 105 107 粘度平均分子量2．3×1び 10 繰返し数 1σ 105 工0フ 〔回） サイクル数 図3313）各種プラスチックのS−N曲線 30 400 ● 図35↓）PCの試験片 翁20 加工法と疲労 強さ 皇 蒼 300 ム 令 の 象2。。 K 笹 妙聾 飛 畷10 ・ 20℃ 邊100 粘度平均分子量2．8×104 25℃ 105 94 1σ 107 図3611PCの疲労強 サイクル数 さの温度依存性 1伊 o 0℃ ー20℃ 一50℃ 一75℃ 105 工〔距 10， サイクル数 プラスチックス られている12）。繰返し応力のもとで試験片の徴細構 造が変化することによるといわれている。非晶性プ ラスチックでは，変形に応じて分子鎖が少しずつ移 動し，まづたく不規則だった構造がより秩序ある領 域とボイドを含むような領域に次第に2相化するも のと考えられる。また，結晶性プラスチックでは， 結晶が壊れて小さくなったり，非晶部が2相化して いくと言われている。 一般に，結晶性プラスチッタは非晶性プラスチッ クよP疲れ強さは大きい。図33二3〕に，各種プラスチ ッタの疲労強さの比較を示す7）。同図から，PC，硬質 塩ビなどの非晶性プラスチックの方が低い値になっ ていることがわかる。POM，PAなどの結晶性プラ スチックは強固な結晶構造をとっており，疲れ試験 の過程で発生したクラックの伝播が遅くなるため， 疲労強さは大きくなると考えられる。また， 分子量 も大きいほうが，同様の理由で疲労強さは大きくな る。図34エ1は，PCの疲労強さにおける粘度平均分子 量の効果を示したものである・分子量が高くなるほ ど，疲労強さは大きくなっている。 試験片の表面にきず，凹凸などがあると，この部 分に応力が集中しクラックが発生しやすいため，疲 労強さは低くなることがある。図35且レは，PCについ て射出成形による丸棒や板状の試験片，切削加工に よる試験片などを用いたときの疲労強さである。切 削加工試験片は表面にフライスなどで切削したとき の微細な凹凸があるため，これが応力集中源になり， 疲労強さは低い値になっている。 疲労強さは，試験温度にも依存する。図3砂は， PCの疲労強さと温度の関係である。温度が高い方 が疲労強さは低下する。温度が高いとクラックが発 生しやすく，かつその成長速度も速いため，疲労強 さは低下する。負荷応力が大きい場合や繰返し速度 が速い場合にも試験片の自己発熱で温度上昇するた めに，疲労強さは低下する場合がある。 く参考文献＞ 1）三菱エンジニアリングプラスチックス㈱，技術資料，物性 編 2）1、Narisゴwa，Proc．Jpn．Congr，Mater．Res，25，p．272〆 2呂／（1982） 3）福本修編ポリアミド樹脂ハンドブック，p．ユ58，日刊工業 新聞社〈ユ98ε） 4）本間精一編，ポリカーボネート樹脂ハンドブック，p．262、 日刊工業新聞社（1992〉 5）成澤郁夫，石川優，他，高分子論文集，44（11），p，845／852 〔訂正とお詫び〕 【1987） 6）成澤郁夫，プラスチックの強度設計と選び方，p．90，工業 「プラスチックの実用強さと耐久性叫』（本誌1月号）の論文 調査会（1986） 7）プラズチック・データハンドプック，p，工26，工業調査会 中， 図10におきまして試験片の変形状態を示す図が抜けてい ました。関係各位におかれまして1ま，お詫びし訂正いたしま す。 （編集部） 〔1999） 8〉高野菊雄編，ポリアセダール樹脂ハンドブック，P．153，日 刊工業新聞社（1992） 9）Lawrence E、Nie！sen著，小野木重治訳，高分子の力学的 性質，D．64，化学同人，（1965） 1①成澤郁夫，プラスチックの強度設計と選び方，p．99，工業 調査会（1985） Il〕高野菊雄，ポリアセタール樹脂ハンドブック，p．159！160， 日刊工業新聞社（1992） 12）大石不二夫，成澤郁夫共著，プラスチック材料の寿命，p． 1941195，日刊工業新聞祉（ヱ987） 器益一脚。．而一＿。，＿＿〆岬 O．75 13） プラスチックデータハンドプック，p．150，工業調査会 （19991 ＼ 闘 ’ε 潭 “3 0 0 0．25 o 0．OD 0．OD ①．25 0，50 0．75 1，00 伸び／ゲージ長さ Vol．55，No，2 曾5