クリープ試験を頼むとき——JIS Z 2271・K 7115の選び方と、試験時間・外挿の考え方

クリープとは、一定の応力がかかったまま、時間とともにひずみが増えていく現象である^[3]。高温で使う金属部品や、荷重がかかり続ける樹脂部品で問題になる。この記事は、クリープ試験を社内でできないので外部の試験機関に頼む技術者・品質担当の方に向けて、頼む前に決めることと伝え方、見積の比べ方、結果の受け取り方をまとめる。高温での材料の選び方はSUS310S の発注と高温引張試験で、常温の引張試験は引張試験（JIS Z 2241）の指定で扱った。

まず決める：知りたいのは「どれだけ伸びるか」か「いつ切れるか」か

JIS Z 2271:2025（金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法）は、四つの試験方法を定めている^[1]。

1. 連続クリープ試験：伸び計で伸びを連続して監視する^[1]。
2. 不連続クリープ試験：伸びを定期的に測る。試験片をいったん取り外して室温に冷やし、測ってから再び加熱・負荷する方法もある^[1]。
3. 応力破断試験：通常はクリープ破断時間だけを測る^[1]。
4. 所定の応力で所定の時間を超えられることを確かめる試験：クリープ伸びは報告しない^[1]。

部品の変形が問題になるなら 1 か 2、壊れるまでの時間が問題なら 3、取引先から「この温度・この応力で何時間もつこと」を求められているなら 4 が近い。4 は伸びを測らないので伸び計が要らず、試験の手間が小さくなる。逆に、あとで変形量のデータが欲しくなっても取り直すしかない。試験を始めてからの変更は時間がすべて無駄になるので、ここは最初に決める。

同規格は、一定の試験力をかける場合と、断面積の変化に合わせて一定の応力を保つ場合とでは、試験結果が一般に異なるとしている^[1]。どちらで試すかも依頼書に書く。

樹脂は引張か曲げかで規格が違う

樹脂のクリープは、JIS K 7115（引張クリープ）と JIS K 7116（3 点曲げによる曲げクリープ）で方法が分かれる^[3][4]。JIS K 7116 は、繊維の向きで性質が大きく違う繊維強化材料には不適当で、硬質の発泡プラスチックにも適していないとしている^[4]。両規格とも、クリープの特性を設計に使うなら、応力・時間・環境条件の広い範囲で試験することが望ましいとしている^[3][4]。樹脂のクリープは状態調節に使った温度と湿度にも影響されるので^[3]、使用環境の湿度も伝える。樹脂の部品で荷重が続く例はPTFE 部品の発注でも触れた。

高温引張試験とは別の試験である

「高温での強さ」を確かめたいとき、まず思い浮かぶのが高温引張試験である。JIS G 0567（鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法）は、室温を超える温度での引張試験の方法を定めている^[2]。これは短い時間で引っ張って破断までの強さや伸びを測る試験で、長い時間荷重がかかり続けたときの変形や破断は分からない。

JIS Z 2271 の附属書も、高温引張試験から求めた強さを、クリープ破断曲線の図の中に短い時間（例として 0.1 時間）の点として示すことができる、という扱いである^[1]。高温引張試験の値は、クリープの代わりにはならない。高温で長く使う部品の仕様に「高温引張試験に合格すること」とだけ書いてある場合は、本当に知りたいのが短時間の強さなのか、長時間の変形なのかを確かめる。

期間と費用は「何時間の値が欲しいか」で決まる

クリープ試験の費用の大半は、試験機を占有する時間である。長時間のデータがどれほど時間のかかるものかは、物質・材料研究機構（NIMS）のクリープデータシートを見ると分かる。2021 年 4 月の発表では、発電ボイラー用ステンレス鋼管のデータシートに最長約 10 万 9 千時間で破断した試験片のデータが含まれ、炭素鋼鋼管の微細組織写真集には最長約 25 万時間（約 28 年 6 か月）までのクリープ試験後の写真が収められている^[5]。

試験で得た最長時間より先の値を推定する（外挿する）ときについて、JIS Z 2271 は、外挿時間比（推定したい時間と最も長い試験時間の比）を 3 以下にすることが望ましく、その比を常に示すこととしている^[1]。この目安から、欲しい時間ごとに必要な最長の試験時間を計算すると次のようになる。

しかも、これは 1 本の試験片の話である。クリープ破断の線図を描くには複数の応力で試す必要があり、JIS K 7115 は、クリープ破壊線図を描くことが目的なら応力の水準は 7 個以上が望ましく、クリープ線図が目的なら線形粘弾性の範囲が大きい材料で 3 個以上、そうでなければ 5 個以上が望ましいとしている^[3]。試験機 1 台に試験片 1 本の試験なら、台数分の期間と費用がかかる。

そこで、10 万時間のような長時間の強度が要る場合は、新しく試験を頼む前に、材料規格や NIMS のデータシートなどの公開データで設計できないかを先に確かめる。NIMS のデータシートは、中立的な立場で試験規格に従って系統的に取得したもので、強度設計での設計応力の設定や材料選択の基盤データとして 40 年以上使われてきたと説明されている^[5]。外部に頼む試験は、手元の材料が公開データと同じ傾向を示すかを、数本の短い試験で確かめる形にすると期間と費用を抑えやすい。

試験機関に伝えること

1. 試験の種類
上の四つのどれか。樹脂なら引張か曲げか。一定の試験力か一定の応力か。

2. 材料の特定
鋼種や材質、溶鋼番号（ヒート）や製造ロット、熱処理の条件。JIS K 7115 は報告に、組成、製造業者、商品名、コード番号、製造日、成形方法、アニーリングの方法など材料の特定に必要な事項を含めるとしている^[3]。後で比べられるよう、依頼の時点で揃えて渡す。

3. 試験片
形状と寸法、どの部位から、どの向きで採るか、加工を誰がするか。樹脂は板の面や配向方向に対する試験片の向きで結果が変わるので、報告に向きを書く項目がある^[3]。

4. 温度と応力
試験温度と、応力の水準と本数。使用温度より高い温度で試して時間を短くしたいなら、その考え方も相談する。

5. 測定と打ち切り
伸びをどの間隔で測るか。破断まで続けるか、所定の時間で止めるか。JIS K 7115 は、自動記録をしない場合の測定の例として、1 分、3 分、6 分、12 分、30 分、1 時間、2 時間、5 時間、10 時間、20 時間、50 時間、100 時間、200 時間、500 時間、1,000 時間などを挙げている^[3]。

6. 試験後の扱い
破断した試験片を返してもらうか、組織観察まで頼むか。

温度の管理と記録を確かめる

クリープは温度に敏感なので、規格は温度の許容差を細かく決めている。JIS Z 2271 は、補正後の測定温度と規定温度との差と、試験片の中の温度差の許容値を次のように定めている^[1]。

1,100 ℃を超える場合の許容差は、受渡当事者間の協定で決めるとされている^[1]。また同規格は、熱電対の出力は高温に長くさらされると変化する（ドリフト）ことがあり、炉の温度を試験片の熱電対で制御していると、出力が下がった分だけ炉の出力が上がってしまうことを附属書で説明している^[1]。長時間の試験を頼むなら、温度測定装置の校正の時期と、熱電対のドリフトの値を報告に入れてもらえるか確かめる。同規格は、全試験期間中の熱電対のドリフトの値を、注文時の要求で利用できる項目に挙げている^[1]。樹脂の試験は、試験期間中の温度の変動を ±2 ℃ とすることになっている^[3]。

見積で比べること

試験機の台数と方式：試験片 1 本ずつを試す単式の試験機か、複数本を同時に試す複式の試験機か。JIS Z 2271 の附属書は、連続測定は単式試験機で、不連続測定は複式試験機で行うのが通常の形として説明している^[1]。本数が多いのに単式しかない試験先だと、期間が延びる。

試験片の加工：試験片の加工と寸法測定が含まれるか。

途中の測定：不連続試験で何回測るか。測るたびに冷却と再加熱が入る。

途中経過の報告：長い試験では、途中のデータを定期的に受け取れるか。結果が早く出た試験片から次の手を打てる。

報告の項目：JIS Z 2271 は報告に記載する項目として、規格に従って試験した旨、試験の種類、材料と試験片の識別、試験片の形状寸法、規定温度、初期応力、一定の試験力か一定応力か、試験結果、破断位置（平行部中央の 3 分の 2 より外側の場合）、初期塑性伸び、試験の偶然の中断と再開の条件などを挙げ、受渡当事者間の協定でこの中から選んでもよいとしている^[1]。どれを入れるかを見積の段階で決めておく。

結果の受け取り方

報告書を受け取ったら、まず外挿したかどうかと、その外挿時間比を見る。JIS Z 2271 は、外挿した点は括弧で、外挿した線は破線で示すことが望ましいとしている^[1]。また、時間－温度パラメータのような方法で外挿するとき、データのばらつきが小さいことが外挿の精度を保証するものではないことを記載しておくことが望ましいとしている^[1]。グラフがきれいに並んでいても、試験した範囲の外は推定である。

規格の試験条件と許容値は、注文者の特別な指示がない限り、測定の不確かさで調整してはならず、不確かさを試験結果と組み合わせて製品規格への適合を評価してもならない、とも定められている^[1]。取引先の合否判定で不確かさをどう扱うかは、事前に決めておく。

樹脂の試験については、JIS K 7115 自身が、試験室間の共同実験のデータがないので精度は不明であると書いている^[3]。試験先を変えると値が揃わないことがあるので、比べたい材料は同じ試験先で、同じ時期に試すのが確実である。

依頼書の書き方の例

耐熱鋼の部品で、使用温度より高い温度での変形量を確かめたい場合の例。

・試験：JIS Z 2271 による連続クリープ試験（一定の試験力）
・材料：鋼種と溶鋼番号を明記した丸棒 1 本（自社で支給）。熱処理条件はミルシートのとおり
・試験片：つば付きの円形断面。採取位置は丸棒の中心と表面の中間
・温度：使用温度と、それより高い 1 水準の計 2 水準（相談したい）
・応力：各温度で 3 水準、各 1 本
・打ち切り：1,000 時間で止める。破断した場合はその時点まで
・報告：クリープ曲線、初期塑性伸び、温度の記録、熱電対の校正時期とドリフトの値
・その他：途中のデータを 250 時間ごとに受け取りたい

同じ束の記事として、温度で加速する試験の考え方は加速試験を頼むとき、材料の成分を確かめる試験は成分分析を頼むときで扱う。

よくある質問

1,000 時間の試験で 10 年分の強さが分かりますか

JIS Z 2271 の外挿時間比の目安（3 以下）からすると、1,000 時間の試験で言えるのは約 3,000 時間までである^[1]。10 年（約 8 万 8 千時間）の値が要るなら、公開データを使うか、温度を上げた試験と時間－温度パラメータによる推定を組み合わせることになり、その場合も推定であることを前提に使う。

試験片ではなく部品そのもので試せますか

規格の試験は決められた試験片で行う。部品そのもので荷重をかけ続ける試験は、試験先と治具を含めて個別に組むことになり、規格の値とは直接比べられない。何を比べたいのかを決めてから相談する。

樹脂の部品で、温度を上げて試験時間を短くしてもよいですか

JIS K 7116 は、曲げクリープは試験片の調製と寸法、試験環境の差で大きく変わる可能性があり、試験片の熱履歴もクリープの特性に深く影響しうると書いている^[4]。使用温度より高い温度の結果をそのまま使用温度に当てはめず、使用温度でも短い試験を入れて傾向を確かめる。

まとめ

クリープ試験を外に頼むときは、知りたいのが変形量か破断時間かを先に決め、試験の種類、一定の試験力か一定応力か、試験片の採り方を依頼書に書く。費用と期間は試験時間で決まり、外挿時間比は 3 以下が目安なので、長時間の値が要るなら公開データを使うことを先に考える。見積は試験機の台数と方式、途中の報告、報告の項目で比べ、結果は外挿の有無と比を必ず確かめる。

出典・参考資料

1. JIS Z 2271:2025 金属材料のクリープ及びクリープ破断試験方法（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2025 年 12 月 22 日改正）
2. JIS G 0567:2020 鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2020 年 6 月 22 日改正・2025 年 6 月 20 日確認）
3. JIS K 7115:1999 プラスチック－クリープ特性の試験方法－第１部：引張クリープ（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1999 年 10 月 20 日改正・2025 年 10 月 20 日確認）
4. JIS K 7116:1999 プラスチック－クリープ特性の試験方法－第２部：３点負荷による曲げクリープ（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1999 年 10 月 20 日改正・2025 年 10 月 20 日確認）
5. NIMS 構造材料データシートの発行について（国立研究開発法人 物質・材料研究機構／2021 年 4 月 1 日）

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