伸び｜引張試験で評価する材料の延性指標

伸び

伸び（のび、英語:elongation）とは、引張試験において試験片が破断するまでに生じる長さ方向の変形量を、原標点距離に対する比率で表した機械的性質の指標である。材料がどれだけ塑性変形に耐えられるかを示す延性の尺度として、引張強度や引張応力と並び、金属材料の強度設計や品質管理において欠かせない基礎データとなっている。日本ではJISに試験方法が定められており、欧米の規格とあわせて鋼材、非鉄金属、樹脂など幅広い材料の仕様書に記載される代表的な数値の一つとなっている。設計者は伸びの大小を通じて、部材が破断に至るまでにどの程度の余裕を持って変形できるかを見積もり、想定外の過負荷に対する安全余裕を確保する際の判断材料としている。

定義と測定方法

伸びは、引張試験片の平行部に設けた標点間の距離を基準に算出される。試験前の標点距離をL0、破断後に再度突き合わせて測定した標点距離をL1とすると、伸びはパーセンテージで(L1-L0)/L0×100として求められる。実際の測定では伸び計と呼ばれる装置を試験片に取り付け、引張荷重と変位の関係を連続的に記録する方法も広く用いられている。標点距離の取り方によって数値が変わるため、規格では試験片の形状ごとに標準的な標点距離が定められており、異なる条件間で数値を比較する際には試験条件をそろえる必要がある。板厚や試験片の幅が異なれば、同一材料であっても測定される伸びの値は変動するため、薄板用と丸棒用とでそれぞれ専用の試験片形状が定められている。破断位置が標点距離の外側に生じた場合は測定値が不正確になるおそれがあるため、規格では破断位置に応じた補正計算の方法もあわせて規定されている。

伸びの種類

伸びは変形の分布に着目すると、全伸び、均一伸び、局部伸びの三つに区分される。それぞれが示す意味は異なり、材料の破壊挙動を理解するうえで重要な手がかりとなる。単に一つの数値として扱われがちであるが、内訳を分けて見ることで、成形加工に適した材料なのか、あるいは破断に至るまでの粘りに優れた材料なのかを判断することができる。

全伸び

全伸びは、標点間全体で生じた変形量を基準とする最も一般的な指標であり、規格上「伸び」として表示される数値の大半はこれに該当する。破断後の標点距離から算出されるため、均一な変形部分と破断直前の局所的な変形部分の両方を含んでいる。

均一伸び

均一伸びは、試験片の断面全体が一様に変形している範囲、すなわち最大荷重に達するまでの変形量を指す。最大荷重点を超えると特定の箇所にひずみが集中し始めるため、均一伸びはそれ以前の変形能力を表す指標として、成形加工の限界を評価する際に用いられる。

局部伸び

局部伸びは、最大荷重点以降にくびれ（ネッキング）が生じた部分に集中する変形量であり、全伸びから均一伸びを差し引いた値に相当する。局部伸びが大きい材料ほど、破断直前まで局所的な塑性変形を許容する性質を持つといえる。

伸びに影響を及ぼす因子

伸びの大小は、材料の結晶構造、化学成分、熱処理条件、加工履歴など多くの因子によって左右される。一般に炭素含有量が増加するほど硬さが高まる一方で伸びは低下する傾向があり、強度と延性は相反する関係にあることが多い。熱処理によって内部応力を除去し結晶粒を整えると伸びは向上しやすく、逆に冷間加工によって加工硬化が進行した材料では伸びが減少する。結晶粒が微細であるほど転位の移動が阻害されて強度は高まるものの、粒界の総面積が増えることで変形の分散が進み、粒径と伸びの関係は単純な比例では説明できない場合もある。また試験温度やひずみ速度も影響し、低温や高速変形の条件では脆性的な破壊が生じやすく、伸びの値は小さくなる傾向にある。介在物や不純物の存在も破断の起点となりやすく、清浄度の高い鋼ほど安定した伸びを示すことが知られている。塑性域における変形の均一性も、局部伸びの大きさを左右する要因の一つである。

他の機械的性質との関係

伸びは単独で評価されることは少なく、引張強度や降伏点、絞りなど他の機械的性質と組み合わせて材料の総合的な性能が判断される。応力-ひずみ曲線上では、弾性変形域を経て塑性域に入り破断に至るまでの過程全体を通じて伸びの挙動を追うことができ、縦弾性係数によって表される剛性とは異なる観点から材料の粘り強さを示している。強度の高い材料は加工硬化の影響を受けやすく伸びが小さくなりやすいため、機械特性を規定する規格では引張強さの下限値とあわせて伸びの下限値が設定される場合が多い。両者の積で表される靭性の簡易的な目安が用いられることもあり、強度一辺倒ではなく変形能力を含めた総合評価が求められる場面で伸びの重要性が増している。

工業規格と品質管理における役割

伸びの値は、鋼材のミルシートや材料証明書に必ず記載される項目であり、需要家が材料を選定する際の基準として活用される。自動車の外板やプレス成形品には高い伸びが求められる一方、構造用部材では強度とのバランスが重視されるなど、用途によって要求水準は異なる。品質管理の現場では、規格で定められた下限値を下回らないことを確認するために、ロットごとに引張試験を実施し記録を残すことが一般的である。溶接部や熱影響部では母材と伸びが異なることも多く、継手全体としての変形性能を確認するために、母材とは別に継手用の試験片で評価が行われる場合もある。

• 自動車ボディ用鋼板における深絞り加工性の評価
• 配管・圧力容器用鋼材における耐変形性の評価
• ばね材・線材における加工限界の把握

主な鋼材における伸びの目安

代表的な鋼材の伸びの目安を以下に示す。数値は板厚や試験方法によって変動するため、あくまで参考値として扱う必要がある。