シャルピー衝撃試験（JIS Z 2242）の指定と合否判定——試験温度・ノッチ・3本の平均と再試験

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シャルピー衝撃試験は、ノッチ（切欠き）を付けた角柱の試験片を振子のハンマーで一振りして破断し、そのとき吸収されたエネルギーを測る試験である^[1]。材料の粘り強さ（じん性）を見る代表的な試験で、溶接構造用の鋼材や低温で使う部品の材料に求められることが多い。

この記事は、試験そのものの解説ではなく、図面・注文書・仕様書に何を書き、ミルシートや試験報告書で何を確かめ、規定値を下回ったときにどう扱われるかに絞る。ミルシートの種類（2.2・3.1・3.2）の違いはEN 10204 のミルシート区分の記事で、内部のきずを見る試験の指定は非破壊検査を発注で指定するときの記事で扱っている。SM490 など溶接構造用圧延鋼材の種類の選び方はSM490（JIS G 3106）の指定の記事に送る。

「27 J 以上」だけでは決まらない七つの条件

JIS Z 2242 は、吸収エネルギーは試験温度によって変わるため、試験は指定された温度で行うと書いている^[1]。さらに、異なる半径の衝撃刃や異なる試験片形状で行った試験は異なる結果を示す可能性があり、試験結果を比べるには機器のタイプ・試験片・試験後の試験片の詳細をすべて明確に報告することが極めて重要だとしている^[1]。つまり、吸収エネルギーの数字は、条件と一組でなければ意味を持たない。

発注側が書かなかった場合に何で試験されるかを、JIS Z 2242 の既定から並べると次のとおりである。

試験温度は、使う温度から決める

発注側がいちばん先に決めるのは試験温度である。指定しなければ室温で試験される^[1]。低温で使う部品や、冬季の屋外で荷重を受ける構造物なら、使う側が想定する最低の温度をもとに試験温度を決め、図面や仕様書に「試験温度 0 ℃」「－20 ℃」のように書く（当方の提案）。どの温度を選ぶかは設計の判断であって、試験方法の規格が決めるものではない。

温度を指定した試験では、試験片を冷やした媒体から取り出して衝撃を与えるまでの時間は 5 秒以内と決められている（室温との差が 25 ℃未満なら 10 秒以内）^[1]。液体で冷やす場合は、液体の温度を 5 分以上、指定温度の ±1 ℃に保つ^[1]。外部の試験所に頼むときは、指定した温度で試験できる設備があるかを先に確かめる。

ノッチと衝撃刃は、記号で書かせる

JIS Z 2242 は、吸収エネルギーにノッチ形状を表す V か U を付け、衝撃刃の半径を添え字にして KV₂・KV₈・KU₂・KU₈ のように表すとしている^[1]。報告書の吸収エネルギーも、ノッチ形状と衝撃刃の半径を識別できるように記載すると定めている^[1]。衝撃刃は製品規格で明示しなければならず、明示のない場合は半径 2 mm を適用するという規定は、JIS が対応国際規格（ISO 148-1）に加えたものである^[1]。国際規格の側には同じ既定がないので、海外の仕入先の報告書では、どちらの衝撃刃の値かを記号で確かめる。仕様書には「KV₂（0 ℃）27 J 以上」のように、記号で一行に書いておくと読み違えが起きにくい（当方の提案）。

薄い材料はサブサイズ試験片になる

材料から 10 mm 角の標準試験片が採れない場合は、特に規定のない限り、厚さ 7.5 mm・5 mm・2.5 mm のサブサイズ試験片を使う^[1]。JIS Z 2242 は、結果の直接比較は同一形状・同一寸法の試験片の場合だけ意味をもつとしている^[1]。標準試験片で決めた規定値を、サブサイズの結果にそのまま当てはめることはできない。薄い板や小径の管で衝撃値を求めるなら、どの寸法の試験片で、いくつ以上を求めるのかを仕様書で決める。標準以外の厚さ（2 mm・3 mm など）を指定するときは、その許容差も規定しなければならない^[1]。

合否は「3 本の組」で判定される

衝撃試験の結果の見方で、発注側と仕入先が食い違いやすいのが判定の方法である。JIS G 0404（鋼材の一般受渡し条件）は、衝撃試験の吸収エネルギーは、製品規格の規定または注文書に特に指定がない場合、個々の試験の平均値とし、組試験の方法で評価するとしている^[2]。その方法は次のとおりである^[2]。

1. 一組を構成する三つの試験片の平均値が、規定値を満たすこと。個々の値の一つは規定値未満でもよいが、規定値の 70 % 以上であること
2. 1 を満たさなくても、規定値未満の試験片が二つ以下で、規定値の 70 % 未満が一つ以下なら、製造業者は同じ供試材から三つの追加試験片を採って試験してよい。このときは、六つの平均が規定値以上、規定値未満が二つ以下、70 % 未満が一つ以下の三つを同時に満たせば合格
3. 1 も 2 も満たさない場合は、その供試製品を除き、試験単位の残りについて再試験を行う

規定値 27 J の場合で、具体的に当てはめると次のようになる。70 % は 18.9 J である。

例 B で追加の 3 本が 31・29・28 J なら、六つの平均は 27.2 J、規定値未満は 25 と 20 の二つ、70 % 未満は 0 となり、三つの条件を同時に満たして合格になる。例 C は、平均だけを見て合格と読むと誤る。ミルシートに平均値しか載っていないと、こうした判断ができない。

この組試験の方法は、あくまで「特に指定がない場合」の扱いである^[2]。発注側が「個々の値もすべて規定値以上」を求めたいなら、それを注文書・仕様書に書かなければならない。書かずに受け取った後で個々の値の不足を理由に不合格にすると、基準の後出しになる。受入の基準は発注時に明示する、が原則である。その線引きは受領拒否・返品・やり直しの記事に書いた。

規定値を下回ったとき：再試験・選別・再処理

組試験で合格にならなかった場合、JIS G 0404 は次の再試験を定めている。規定値を満たさなかった供試製品は除き、試験単位の残りから選んだ異なる二つの供試製品から、それぞれ 3 本を一組とする試験片を採り、合計 6 本で試験して、二組の結果がどちらも規定値を満たさなければならない^[2]。この再試験では、追加 3 本の救済（上の 2）は使えない^[2]。

試験そのものが無効になる場合もある。試験前に試験片の加工不良が認められたとき、材質に関係がないきずがあったとき、試験操作に誤りがあったと認められるときは、その結果は無効とされる^[2]。また、結果が対象の鋼種の規定値から異常に大きく外れている場合には、異材が混ざっていることが懸念されるため、再試験は選別の手順に基づいて適切に行うよう注意を要する、と注記されている^[2]。

製造業者には、再試験の前後で製品を選別したり、熱処理などの再処理を行って新しい試験単位としたりする権利がある^[2]。受渡当事者間で協定した場合は、製造業者は採った選別法・再処理法を検査代表者へ通知する^[2]。発注側としては、熱処理をやり直した材料が納入される可能性があるなら、その通知を受けることを注文時に協定しておく（当方の提案）。

試験片を採る材料の扱いも決めておく。JIS G 0404 は、注文者が注文寸法の鋼材から供試材の採取を要求した場合、供試材を採った残りの、注文寸法に満たない鋼材も注文寸法の鋼材として受け入れなければならないとしている^[2]。納入品そのものから試験片を採らせるなら、その分だけ使える長さが減ることを見込んで数量を決める。材料の重さと取り代の見積もり方は鋼材の重量計算の記事で扱っている。

製品規格が決めている条件を読む——SM 材の例

材料の規格に衝撃試験の規定がある場合は、その規格が温度・試験片・方向・本数を決めている。溶接構造用圧延鋼材（JIS G 3106）を例にとると、SM400B・SM490B などの B 種と、SM400C・SM490C などの C 種には、0 ℃でのシャルピー吸収エネルギーが決められており、V ノッチ試験片・圧延方向で試験する^[3]。この吸収エネルギーは 3 個の試験片の平均値とし、JIS G 0404 の組試験の方法で判定する^[3]。

ここで発注側が見落としやすい点が三つある。

• 試験するのは厚さ 12 mm を超える鋼材だけである^[3]。B 種・C 種を指定しても、薄い鋼材にはこの規格による衝撃試験の値は付いてこない
• 鋼板では、同一溶鋼ごとに、最大厚さの鋼材から供試材を一つ採り、試験片を 3 個採る^[3]。熱処理を行った鋼材は、同一熱処理条件ごとに同じ採り方をする^[3]。ミルシートの衝撃値は、その溶鋼（熱処理材は熱処理条件）でいちばん厚い鋼材の値であって、自社が受け取った 1 枚ごとの値ではない
• 試験温度は、受渡当事者間の協定によって規定より低い温度に置き換えてもよい。圧延方向に直角な方向で試験する場合は、注文者の承認があれば圧延方向の試験を省略してもよい^[3]。より厳しい条件が要るなら、注文時に協定しておく

規格の B 種・C 種の規定値で足りるかどうかは、設計側の判断になる。足りなければ、試験温度を下げるか、規定値を上げるか、上位の種類を選ぶかを、注文の前に決める。鋼種の選び方は前出の SM490 の記事で、S45C・SCM435 などの機械構造用鋼の材料指定はS45C・SCM435 の材料指定の記事で扱っている。

ミルシート・試験報告書で確かめること

まず、その数値がどの検査の結果なのかを確かめる。JIS G 0415（鋼及び鋼製品－検査文書）では、試験報告書 2.2 は製造業者が自らの手順で行う随時検査の結果で、検査・試験される製品は実際に出荷される製品と異なってもよい^[4]。検査証明書 3.1 は、出荷品そのもの、または出荷品が一部を構成する試験単位に対する受渡検査の結果で、製造部門から独立した検査代表者が妥当性を確認する^[4]。出荷される材料の衝撃値を確かめたいなら、3.1 以上を注文時に指定する。製品規格で規定する以外の検査文書が必要な場合は、注文者が注文時にその種類を指示する^[2]。

次に、JIS Z 2242 が報告書の必須項目として挙げる 7 つがそろっているかを見る。規格の番号、試験片の識別（鋼の種類や溶鋼番号）、標準以外の試験片ならその寸法、試験温度、吸収エネルギー（ノッチ形状と衝撃刃の半径を識別できる形）、試験片の過半数が破断したかどうか、試験に影響を与えたと思われる異常事態である^[1]。ただし、試験片の破断の有無は材料の合否判定試験には適用されず、報告する項目は受渡当事者間の協定で選んでもよい^[1]。必要な項目は、注文時に指定しておく。

確かめる順番は、次のとおりにするとよい（当方の提案）。

1. 規格番号と鋼種、溶鋼番号が、納入品の表示と一致しているか
2. 検査文書の種類が、注文で指定したもの（3.1 など）か
3. 試験温度が、指定した温度か
4. 記号が KV₂ か KV₈ か、U ノッチではないか
5. 3 本の個々の値が載っているか。平均だけなら、個々の値を求める
6. 標準試験片か。サブサイズなら寸法が書かれているか
7. 個々の値と平均を、組試験の方法で自分でも判定する

吸収エネルギーが試験機の初期位置エネルギーの 80 % を超えた場合は、概数として報告し、その旨を付記しなければならない^[1]。報告書にこの付記があれば、その値は正確な吸収エネルギーではなく、十分に高かったという意味で読む。

商社・加工業者を通すとき

商社や切断業者（中間業者）を通して買う場合、中間業者は注文者の要求があれば製造業者の検査文書の原本か複製を出さなければならず、検査文書の修正や追加を一切行ってはならない^[4]。加工業者は、加工によって変化する特性について自ら検査し、追加文書に加工の種類と検査結果を記載する^[4]。熱処理や溶接で材料のじん性が変わる加工を経た部品なら、鋼材メーカーのミルシートの衝撃値は、加工後の部品の値ではない。部品として衝撃値を求めるなら、加工後に試験することと、その試験の条件を別に指定する。

部品・溶接部で衝撃値を求めるとき

熱処理した材料を評価する場合、試験片は最終的な熱処理の後に機械加工しなければならない（熱処理前に加工しても結果に差が出ないことが明らかな場合を除く）^[1]。熱処理品で衝撃値を求めるときは、どの段階の材料から試験片を採るかを仕入先と決める。熱処理の指定そのものは熱処理を図面で指定するの記事で扱っている。

溶接継手の衝撃試験では、ノッチを溶接金属に入れるか熱影響部（HAZ）に入れるかで、見ている部分がまったく違う。JIS Z 3128（溶接継手の衝撃試験片採取方法）は、ノッチ形状（V・U）、ノッチ位置（W＝溶接金属、H＝HAZ）、ノッチ方向（T＝厚さ方向、S＝表面に平行）を記号で表す採取指示記号を定め、試験片のノッチ位置はマクロエッチングで特定するとしている^[5]。記録には、規格番号、採取指示記号、溶接不完全部が観察された場合の形態と大きさを入れ、母材・開先・溶接方法と条件・溶接後熱処理は協定で記録する^[5]。溶接部の衝撃値を求めるなら、採取指示記号まで仕様書に書く。溶接方法や溶接士の資格の指定は溶接を含む部品の発注で指定することの記事に書いた。

遷移温度で決めたいとき

一つの温度の値ではなく、どの温度でじん性が急に下がるかを知りたい場合は、遷移曲線を求める。JIS Z 2242 の附属書 D は、延性破面率 100 % とぜい性破面率 100 % に相当する温度を含む範囲で、いくつかの温度を選んで試験し、試験結果のほぼ中央を通して曲線を描くとし、曲線は外挿によって描いてはならないとしている^[1]。

遷移温度には一般的に適用できる定義がなく、規定の吸収エネルギーに対応する温度（例: 27 J）、上部棚の吸収エネルギーの特定の百分率に対応する温度、延性破面率の特定の百分率に対応する温度、特定の横膨出に対応する温度などがあり、どれを使うかは製品規格・仕様書・受渡当事者間の協定で決めることが望ましいとされている^[1]。遷移温度を求めるなら、定義と試験温度の点数を仕様書に書く。破面率や横膨出は、受渡当事者間の協定で報告項目に追加するものなので^[1]、試験の前に頼んでおく。

よくある質問

Q. 図面に「衝撃値 27 J 以上」とだけ書いてあります。仕入先はどう試験しますか。
温度の指定がなければ (23±5) ℃で試験され^[1]、判定は 3 本の組試験の方法になる^[2]。ノッチは製品規格か試験所の慣行で決まり、衝撃刃は製品規格に明示がなければ 2 mm になる^[1]。意図した条件があるなら、温度・ノッチ・衝撃刃を記号で書き足す。

Q. 3 本のうち 1 本が規定値を下回っていました。不合格ですか。
注文書に特に指定がなければ、平均が規定値以上で、下回った 1 本が規定値の 70 % 以上なら合格である^[2]。個々の値もすべて規定値以上を求めるなら、注文時にそう書いておく必要がある。

Q. 厚さ 9 mm の SM490B を買いました。ミルシートに衝撃値がありません。
JIS G 3106 のシャルピー吸収エネルギーの規定は厚さ 12 mm を超える鋼材に適用されるので^[3]、規格どおりなら値が付かないことがある。薄い材料で衝撃値が要るなら、サブサイズ試験片での試験と規定値を、注文時に協定する。

Q. 海外の試験所の報告書と国内の報告書で値が違います。
まず、ノッチ形状、衝撃刃の半径、試験片の寸法、試験温度が同じかを記号と記載で確かめる。JIS Z 2242 は、異なる衝撃刃や異なる試験片形状の結果は異なる可能性があるとしている^[1]。条件が同じでも、試験片の採取位置や方向が違えば値は変わりうる。

まとめ

シャルピー衝撃試験の吸収エネルギーは、温度・ノッチ・衝撃刃・試験片の寸法と一組で初めて意味をもつ^[1]。発注側は、試験温度、ノッチ形状、衝撃刃の半径、試験片の寸法、採取位置と方向、判定の方法、報告の項目を記号で書く。判定は、指定がなければ 3 本の平均と個々の値の 70 % で見る組試験になり、不足すれば追加試験・再試験・選別・再処理の手順がある^[2]。材料の規格が条件を決めている場合も、試験される厚さや試験片の採り方を読む^[3]。ミルシートでは、出荷品を含む試験単位の受渡検査の結果か（3.1）を確かめ^[4]、溶接部はノッチ位置を採取指示記号で指定する^[5]。

出典・参考資料

1. JIS Z 2242:2023 金属材料のシャルピー衝撃試験方法（JIS 検索）（日本産業標準調査会／2023 年 5 月改正）
2. JIS G 0404:2023 鋼材の一般受渡し条件（JIS 検索）（日本産業標準調査会／2023 年 12 月改正）
3. JIS G 3106:2024 溶接構造用圧延鋼材（JIS 検索）（日本産業標準調査会／2024 年 2 月改正）
4. JIS G 0415:2024 鋼及び鋼製品－検査文書（JIS 検索）（日本産業標準調査会／2024 年 6 月改正）
5. JIS Z 3128:2017 溶接継手の衝撃試験片採取方法（JIS 検索）（日本産業標準調査会／2017 年 4 月改正）

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