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ASTM D638: プラスチックの引張試験
はじめに
プラスチック工学や高分子科学では、材料の機械的特性を知る必要がある。あらゆる材料特性の中で最も重要なものは引張強さ、すなわち引張を受けたときに材料が破壊せずに耐えられる応力の大きさである。ASTM D638は、米国材料試験協会(ASTM)による国際的に認められた規格で、実験室条件下でのプラスチックの引張特性の試験方法を規定しています。
ASTM D638とは？
ASTM D638（プラスチックの引張特性に関する標準試験方法）は、熱可塑性ポリマーおよび熱硬化性ポリマーの引張強さ、破断伸び、弾性率を試験するための方法、試験片の種類、試験条件を規定しています。この試験法は、半硬質および硬質プラスチックに適用され、さまざまなメーカーの製品やさまざまな加工方法の製品を比較する手段を提供します。
この材料は、引張試験の再現性を確保するために標準化されており、試験速度、グリップの種類、試験片の形状のばらつきを最小限に抑えています。ASTM D638は広範な用途に使用され、工学設計、材料選択、規制支援の基礎となっています。
試験片の種類と準備
ASTM D638規格では、サイズに基づいて5種類の試験片（タイプIからタイプV）を分類しています。最も頻繁に使用されるのはタイプIとIVです：
タイプI：全長165mm、薄片幅13mm、厚さ3.2mm。一般的なプラスチックの一般引張試験に最もよく用いられる。
タイプIV：全長115mm、薄片幅6mm、厚さ3mm。材料の入手が困難な場合、または比較試験用。
試験片は、射出成形、圧縮成形、押し出し成形、または板からの切断によって作製することができる。また、試験片の表面にキズ、すなわちボイド、キズ、不規則な凹凸がないように注意しなければならない。
試験手順
引張試験は、試験片を万能試験機（UTM）内に設置し、試験片に制御された一軸引張荷重を破断まで負荷するものである。このプロセスに関わる重要な要素には、以下のようなものがある：
1.グリップの選択：試験片は空気圧式または機械式のグリップで保持する。グリップが滑りを起こしたり、グリップが応力集中の原因になってはならない。
2.試験速度：クロスヘッドの速度は、材料の種類と試験片の厚さによって異なる。厚さ3.2mmの公称タイプI試験片の場合、試験速度は50mm/分であることが多い。この速度は、測定される伸びや粘弾性プラスチックの場合の引張強さに影響することがある。
3.コンディショニング環境：ASTM D618に従い、相対湿度50％、温度23℃で最低40時間コンディショニングする。
測定される主要特性
ASTM D638試験では、最も重要な材料特性のいくつかを測定します：
降伏時引張強さ：降伏時引張強さ：材料が永久変形を起こすまでに許容できる最大応力。例えばHDPEは通常20-30MPaで降伏するが、ポリカーボネート（PC）は60-70MPaで降伏する。
破断時引張強さ：試験片が最終的に破断する応力。ポリスチレンのような脆いプラスチックは降伏点かその近くで破断するが、ポリエチレンのような延性のあるプラスチックは破断する前に大きく伸びる。
破断伸度：破断時の長さの伸びを百分率で表したもの。HDPEは400～600％の伸びがあるが、ポリスチレンは5％以下である。
弾性率（ヤング率）：応力-ひずみ曲線の最初の直線部分の傾きから剛性を表す。例えば、ポリプロピレンの弾性率は約1.5～2GPa、PVCは3～3.5GPaである。
これらの値は、材料が破断や永久変形することなく操作荷重に耐えられるかどうかを判断するためにエンジニアによって適用されます。
ASTM D638試験の用途
1.エンジニアリング材料の選択
設計者はASTM D638のデータから構造部品のプラスチックを検討します。例えば、内装パネルのような自動車部品の材料を選択する場合、引張強さと伸びによって、プラスチックが衝撃に強く、割れることなく柔軟であるかどうかを判断します。
2.製造品質管理
プラスチックメーカーは、機械的特性が一定であることを確認するために、ロットの試験を行うことがあります。押出温度、射出圧力、冷却速度を変化させると、引張特性が変化します。ASTM D638は、出荷前に材料が仕様を満たしていることを確認するための方法として認められている。
3.研究開発
研究開発では、引張試験によって原料中の添加剤、充填剤、補強材の効果を判定します。例えば、ポリプロピレンにガラス繊維を加えると、引張強さが30MPaから80MPa以上に倍増し、破断伸びが半分に減少します。ASTM D638は、配合間の効果的な比較を保証する。
4.規制への対応
医療機器、食品パック、電子部品などでは、ISO、FDA、ASTM の各規制基準を満たすため、ASTM D638 に準拠した機械試験が必要となる場合が多くあります。FDA認可のポリエチレン・チューブは、医療機器への安全な使用を保証するために引張特性の均一性を保証しなければならないそのような例の一つである。
結論
ASTM D638は、プラスチックの引張試験に関する規格です。ASTM D638は、試験、試験片の作成、分析に関する信頼性の高い手順を提供することで、エンジニアや製造業者が材料の選択、製品設計、品質保証に関して十分な情報を得た上で決定を下すことを可能にしています。自動車パネルから医療機器に至るまで、この規格は機械的応力下でのプラスチックの一貫した安全な挙動を保証します。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
Chin Trento
