SUS304丸棒（直径10mm）は何Nで破断する？引張荷重の計算方法と強度の求め方を解説

SUS304の丸棒にどの程度の引張荷重を加えると破断するのかを知るには、材料の引張強さと断面積を使って計算します。特に機械設計や材料強度の計算では、単純な荷重だけではなく、材料の種類や安全率を考慮することが重要です。

この記事では、直径10mmのSUS304丸棒を例にして、引張破断荷重を求める計算式や考え方をわかりやすく解説します。

引張荷重で破断する条件とは

金属材料が引張荷重によって破断するかどうかは、材料に発生する「引張応力」と、その材料が持つ「引張強さ」を比較して判断します。

引張応力とは、材料の断面積に対してどれだけ大きな力がかかっているかを表す値で、以下の式で求められます。

引張応力 σ（MPa）＝荷重 F（N）÷断面積 A（mm²）

この応力が材料の引張強さを超えると、材料は破断します。

SUS304はステンレス鋼の代表的な材料で、耐食性や加工性に優れているため、機械部品や配管など幅広い用途で使用されています。

SUS304の引張強さは加工状態によって異なりますが、一般的な焼きなまし材では約520MPa以上が一つの目安になります。

ただし、冷間加工された材料では強度が高くなる場合があり、実際の破断荷重を求める場合は使用する材料のミルシートや規格値を確認する必要があります。

丸棒の断面積は円の面積として計算します。

断面積 A＝π×d²÷4

直径10mmの場合、

A＝3.1416×10²÷4
＝78.54mm²

したがって、直径10mmのSUS304丸棒の断面積は約78.5mm²になります。

破断荷重は、材料の引張強さと断面積を掛けることで求められます。

破断荷重 F＝引張強さ×断面積

SUS304の引張強さを520MPa（N/mm²）として計算すると、

F＝520N/mm²×78.54mm²

F＝40,840N

つまり、理論上では約40.8kN（約4,160kgf）程度の引張荷重で破断する計算になります。

kgfに換算すると、1kgfは約9.8Nなので、40,840N÷9.8≒4,167kgfとなります。

計算で求めた破断荷重は、あくまで材料試験上の目安です。実際の機械設計では、この数値いっぱいまで荷重をかけることはありません。

例えば、安全率を3として設計する場合、使用できる荷重の目安は以下になります。

40,840N÷3＝約13,600N

つまり、安全を考慮した設計では約13.6kN程度以下の荷重で使用する、といった考え方になります。

また、ねじ部や傷、腐食、曲げ荷重が加わる場合は、さらに強度が低下する可能性があります。

質問では「せん断について」とありますが、引張荷重による破断と、せん断による破断では計算方法が異なります。

引張破断は棒を長さ方向に引っ張って切れる状態ですが、せん断破断はハサミで切るように横方向の力で破断する状態です。

一般的に金属材料のせん断強度は、引張強さの約0.6倍程度として扱われることがあります。

そのため、SUS304の場合は概算として、

せん断強度≒520MPa×0.6＝約312MPa

として計算することもできます。

直径10mm丸棒が単純せん断を受ける場合、

F＝312N/mm²×78.54mm²
＝約24,500N

となり、理論上は約24.5kN程度がせん断破断荷重の目安になります。

直径10mmのSUS304丸棒の場合、引張強さを520MPaとして計算すると、引張破断荷重は約40,800Nになります。

一方、せん断破断の場合は引張強度より低く、概算では約24,500N程度が目安になります。

ただし、実際の設計では材料の状態、加工方法、傷、温度、繰り返し荷重、安全率などを考慮する必要があります。正確な設計値を求める場合は、使用するSUS304の規格値や設計条件を確認して計算することが大切です。