金属材料の衝撃値について

Question

衝撃値について教えて下さい。
通常部品の強度を計算する時は、引張り強さを使用しており、
衝撃が加わる部品の設計にも、衝撃力（質量×減速度）を出して、
やはり引張り強さで計算しています。
しかし、文献によるとシャルピー衝撃値は硬い金属材料（炭素鋼）ほど
低くなっています。
衝撃値というのは、設計ではあまり使われないようですが、
設計で衝撃を把握するのは難しいのでしょうか？

Accepted Answer

>衝撃荷重の求め方は分かりましたが、この値が材料の引張り強さ以下であれば、破壊しないと考えてよいのでしょうか。

否、負荷の状態によっては｛引張り強さ以下｝であっても破損に至ります。

破壊しない指標は設計対象物の状態によって千差万別です。この判断には
周到な設計知識を要します。近隣の設計事務所にご相談を進めます。
(当然有償になると思いますが）
この段階で負荷状況が絞れてきてはじめてここで相談の対象になります。
現状では雲を掴むような状態ですね。

衝撃の計算方法も衝撃の形態によってとるべき計算式が複数あります。
数十年前なら単一の計算式でしたが、現在では異なります。
このあたりは文献を徹底的に調べてください。自力でこの努力が不可能なら
衝撃の計算はあきらめることです。

Answer

元プラスチック屋です。衝撃強さは高速の応力(σ)・ひずみ(ε)曲線の面積、つまり1/2・σ・ε=1/2・σ・σ/E と考えますのでデータシートの静的引張り試験の数値とは異なるだろうし、Eが大きい材料は不利であろう。
衝撃荷重による変形(δi)、応力(σi)は、静荷重のそれら(δs、σs)と次の近似式が成立するとして計算する。
高さhからの自然落下衝撃による変形(δi)と応力(σi)は、
δi/δs=σi/σs=1+(1+2h/δs)の1/2乗
h=0からの急速荷重は、静荷重の2倍になる
衝撃速度をV(=2ghの1/2乗ともいえる)とすると
δi/δs=σi/σs=V/(g・δs)の1/2乗
つまり、静荷重での変形量(δs)を求めて、衝撃荷重の倍率はV、あるいは2hの平方根に比例し、δsの平方根に逆比例する、ということになる。
δsを大きくする、ショックアブソーバー効果による衝撃荷重の苛烈さを少しでもやわらげる設計となる。

Answer

衝撃が加わる部品の設計にも、衝撃力（質量×減速度）を出して、やはり引張り強さで計算しています。しかし、文献によるとシャルピー衝撃値は硬い金属材料（炭素鋼）ほど低くなっています。
→減速度を実測することは難しいので、便宜的な手法だと思います。感覚的には、硬いと相手材を急停止させるので衝撃力が大きく、硬いほど脆いとかイメージは出来ます。

衝撃値というのは、設計ではあまり使われないようですが、設計で衝撃を把握するのは難しいのでしょうか？
→シャルピーは完全に破壊されたときのエネルギーですが、実際はクラックが入るところが問題なので、クラックの進展に対する抵抗力として材料の破壊靱性(K?c)が問題とされます。K?cが大きいほど衝撃に強い材料と言うことになりますが、測定が難しいため、簡便法や衝撃値その他から推定する方法が提案されています。しかし、その部品にいくらのK?cが必要か結局のところは経験によるしかないのが現状と思っています。

金属材料の衝撃値について