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１．はじめに
　装甲の強さを語る上で、重要なパラメーターに、靭性というものがあります。ここでは、靭性について説明するとともに、衝撃靭性の測定方法である、衝撃試験について説明します。

２．装甲と靭性について
　靭性とは、材料に応力をかけた場合に、破断に至るまでに、どのくらいの仕事を受けられるか、すなわち、引張試験の応力－歪線図で考えた場合、応力－歪曲線で囲まれた面積の大きさであると言えます（図１の衝撃試験の応力－歪線図と靭性の意味を参照）。 別の言い方をすれば、その材料の強度（硬さ、降伏点、耐力など）と延性（伸び、絞りなど）を、総合的に評価したものと言えるかと思います。どうして、この ようなパラメーターが、装甲の強さを語る上で、重要なのでしょうか？例えば、硬いけれど、脆くてすぐに割れてしまう装甲板（図２　高強度－低延性材の応力－歪線図参照）と、軟らかいけれど延性が高く、なかなか割れない装甲板（図３　低強度－高延性材の応力－歪線図参照） があるとします。両者では、どちらの装甲鋼板が強いでしょうか？これに答えるために、靭性というパラメーターが必要なのです。硬いということは、その装甲 板を変形させるために必要な力が大きいことになりますが、仮にすぐに割れてしまうとすれば、その力に耐える仕事量が少ないということなのです。装甲の場 合、着弾による衝撃で多少変形したとしても、護るべき内部に被害が出ないとすれば、目的は達せられるわけです。ですから、硬さだけで、装甲の強さ説明する ことは、至極ナンセンスな話なのです。

図１　衝撃試験の応力－歪線図と靭性の意味

図２　高強度－低延性材の応力－歪線図

図３　低強度－高延性材の応力－歪線図

２．延性破壊と脆性破壊
　鉄鋼材料は、低温、切り欠き（ノッチ）による集中応力、衝撃的な荷重などにより、靭性や延性が大きく低下して、破壊されやすくなります。このように、靭性や延性が大きく低下することを、脆化と呼び、脆化による破壊形態を、脆性破壊と呼びます。また、低温と切り欠き（ノッチ）による脆性を低温脆性または低温切り欠き脆性、衝撃による脆性を衝撃脆性と呼びます。装甲材料では、高速の弾丸の衝撃的な荷重がかかりますので、強度は、衝撃脆性の問題と密接に関係するわけです。
　延性破壊とは、脆性破壊の対義語で、その材料が持つ、通常の延性を保持した状態での破壊のことです。

３．衝撃試験
　金属材料の衝撃脆性を測定する方法の一つに、衝撃試験があります。以下、衝撃試験について説明します。

［衝撃試験方法］
　 金属材料の衝撃試験方法は、日本工業規格[JIS：Japan Industrias Standerds]で規定されています。該当するのは、JIS Z 2242 金属材料衝撃試験方法[Method of impact test for metallic materials]です。ここでは、基本的にこの規格にそってお話をします。もし、疑問点がありましたら、JISハンドブック等をご参照ください。

［衝撃試験片］
　 試験片とは、例えば、装甲材料の場合、装甲の一部を切り出して、試験用に規定された形状に加工した状態のものを言います。衝撃試験でも、試験に供するた めの試験片というものが規定されています。この規定もJISにあり、該当するのは、JIS Z 2202 金属材料衝撃試験片[Test Pieces for Impact Test for Metallic Materials]です。では、試験片がどういうものか見てみましょう。衝撃試験片の形状寸法を図４に示します。図４の試験片は、JIS４号試験片と呼ばれ、シャルピー衝撃試験に用いられるものです。ちなみに、試験片には、１～５号までの種類があり、１～２号は、アイゾット衝撃試験用で、３～５号は、シャルピー衝撃試験用です。

図４　4号衝撃試験片の形状寸法（JIS Z 2202 金属材料衝撃試験片より）

［試験機］
　衝撃試験機も、JISに規格があります。該当する規格は、JIS B 7722 シャルピー衝撃試験機とJIS B 7723 アイゾット衝撃試験機です。詳細は、JISハンドブック等をご覧ください。それでは、衝撃試験機がどのようなものか、写真を見てみましょう。シャルピー衝撃試験機の外観を図５に 示します。写真の左上のものが、ハンマーで、下の方に、試験片を置く所があります。構造は、ハンマーが振り子のように回転運動するようになっており、重力 により回転－落下運動し、一定の運動エネルギーで、試験片を叩くように造られています。ハンマーが試験片を叩くと、運動エネルギーの一部は、試験片を破壊 するために費やされますので、ハンマーの存速が低下します。それは、ハンマーが振り子のように戻ってくる際の、振り上がり角度に表れることになります。そ の戻り角度を測定するのがメーターで、ハンマーがどのくらいの角度まで戻ったかを指針で記録します。なお、ハンマーは重く、上げた状態だと危ないため、使 わないときは、落ちた状態にしてあります。ハンマーを持ち上げるときは、ハンドルを回します（最近は、電動モーター付きで、自動のものもあります）。

図５　シャルピー衝撃試験機の外観

［試験結果の解析］
●試験片を破断するために要したエネルギーの求め方
　試験片を破断するために要したエネルギーは、次式によって算出します。

Ｅ＝Ｍ（ｃｏｓβ－ｃｏｓα）

ここでのＭは、以下のように表せる。

Ｍ＝Ｗｒ

ただし、

Ｅ：試験片を破断するために要したエネルギー[J]
Ｍ：ハンマーの回転軸の周りのモーメント[N・m]
Ｗ：ハンマーの質量による負荷[N]
ｒ：ハンマーの回転軸中心から重心までの距離[m]
α：ハンマーの持ち上げ角度
β：試験片破断後のハンマーの振り上がり角度

計算結果の例を表１に 示します。表１の例では、ハンマーの質量による負荷（厳密にいうと違うのですが、重量だと思ってください）は、253.502[N]＝25.85 [kgf]、ハンマーの回転軸中心から重心までの距離は、0.75[m]、ハンマーの持上げ角度は、143[deg]の条件で試験し、破断後の戻り角度 が、133[deg]でした。計算の結果、試験片の破断に要するエネルギーは、約22.2[J]でした。

な お、厳密に計算する場合には、ハンマーの運動中に失ったエネルギー、すなわち、空気抵抗や、回転軸の抵抗などを考慮する必要があります。その場 合、あらかじめ、そのエネルギーを測定しておき、下式で計算します（その程度の誤差は無視して、前述の式で計算するのが一般的です）。

Ｅ＝Ｍ（ｃｏｓβ－ｃｏｓα）－Ｌ

ただし、
Ｌ：ハンマーの運動中に失ったエネルギー[J]

●脆性破面率の計算方法
　試験片の破断面を観察すると、脆性破面と延性破面が観察される場合があります。その際に、脆性破面率というものを計算することがあります。その計算方法は、下記の通りです。

Ｂ＝（Ｃ／Ａ）×100

ただし、
Ｂ：脆性破面率
Ａ：破断面の全面積
Ｃ：脆性破面の面積

●横膨率
　その他に横膨率というのも計算する場合がありますが、あんまり使わないので省略します。

●破面遷移温度Ｔｒｓ５０およびエネルギー遷移温度ＴｒＥ
　オーステナイト系ステンレス鋼以外の鉄鋼材料は、低温において、靭性が低下する現象が見られます。この現象は、試験片の温度を下げて、衝撃試験を行なうことで、確認することができます。試験温度と衝撃吸収エネルギーの関係を図６に示します。図６の例では、-30℃を境に、衝撃吸収エネルギーが低下し、脆性破面率が高くなっていくことが判ります。そして、図中の衝撃試験片の破面に５０％以上の脆性破面が見られる温度を、破面遷移温度Ｔｒｓ５０または、エネルギー遷移温度ＴｒＥと呼びます。なお、衝撃吸収エネルギーが、延性破面100%における値の50％以下になる温度を、エネルギー遷移温度ＴｒＥとする場合もあります。

図６　試験温度と衝撃吸収エネルギーの関係（JIS Z 2242より）

［シャルピー衝撃試験値の例］
　装甲鋼板等の機械的性質の規格値（SI単位換算）を表２に示します。例えば、大和型戦艦の舷側甲板であるＶＨ鋼板の母材部（ＶＨは表面焼入れ鋼板なので、表面側はこの規格範囲ではありません）のシャルピー衝撃値の規格値は、180mm厚さ以上のもので、最低41[J]、平均47[J]というものでした。

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