【2026年最新】弾性変形と塑性変形の違いとは｜応力ひずみ線図・降伏点・0.2%耐力・許容応力の決め方を図解で解説

Q: 曲げたあとに少し戻ってしまうのはなぜですか？

スプリングバックと呼ばれる現象で、塑性変形した部分の中に弾性変形分が残っているために起こります。降伏点の高い材料ほど戻り量が大きくなります。

製造DX編集部

2021年3月16日公開2026年9月11日更新

塑性変形（そせいへんけい）とは、力を取り除いても元の形状に戻らず、永久に残る変形のことです。一方弾性変形（だんせいへんけい）とは、力を取り除くと元の形状に戻る変形を指します。両者の境目となる応力が降伏点（明確な降伏点を持たないアルミ合金などでは0.2%耐力）であり、機械設計ではこの値を基準強さとして安全率で割った許容応力以下に応力を抑えるのが強度設計の基本です。

この記事の要点

弾性変形は力を除くと元に戻る変形、塑性変形は元に戻らない変形。両者の境目となる応力が降伏点です。
アルミ合金やSUS304など明確な降伏点を持たない材料は、0.2%耐力を降伏点相当の基準強さとして使います。
許容応力＝基準強さ（降伏点または0.2%耐力）÷安全率。安全率は荷重の性質で変わり、鋼では静荷重3・衝撃12が古典的な目安です。
加工硬化は「硬くなる＝脆くなる」でもあり、設計段階で正確にコントロールするのは困難です。
塑性変形は「壊れる前触れ」だけでなく、プレス・曲げ・鍛造などの塑性加工として意図的に利用される現象でもあります。
線形CAEは塑性域を計算しないため、AI・解析ツールの時代こそ弾性域・塑性域の理解が結果を正しく読む前提になります。

この記事が支援する判断
機械設計者・生産技術担当が、部品の材料と板厚（断面）を決める場面で、「どの数値を基準強さに取り、どの安全率で割って許容応力とするか」を判断するための記事です。図面出図前の強度検討、CAE結果のレビュー、材料変更の妥当性確認のタイミングで使えます。

機械設計や生産技術の現場で必ず登場する「弾性変形」と「塑性変形」。言葉は知っていても、「応力ひずみ線図のどこからが塑性域なのか」「アルミには降伏点がないと言われたが、では何を基準に設計するのか」と聞かれると、説明に詰まる方も多いのではないでしょうか。

本記事では、応力ひずみ線図の読み方から、降伏点と0.2%耐力の違い、許容応力と安全率の決め方、見落としがちな加工硬化まで、図解付きで一気に整理します。後半では、CAE（強度解析）やAIを使う2026年の設計現場で「弾性域・塑性域の理解」がむしろ重要性を増している理由も解説します。

弾性変形と塑性変形はどう違う？——まず結論

鋼などの金属材料は、ある応力以下であれば、力を取り除いたとき元の形状に戻ります。この「元に戻る変形」が弾性変形で、その応力範囲を弾性域と呼びます。

バネを思い浮かべてください。少し伸ばして手を離せば元の長さに戻りますが、あるところを境に伸ばしすぎると戻らなくなります。この「元に戻らない変形」が塑性変形で、その応力範囲が塑性域です。両者の境目の点を降伏点と呼び、強度計算ではこの降伏点以下の応力を許容応力の基準とします。

項目	弾性変形（弾性域）	塑性変形（塑性域）
力を除いたあと	元の形状に戻る	変形が残る（永久ひずみ）
応力とひずみの関係	比例（フックの法則・ヤング率が使える）	非線形（形状・加工条件に依存）
設計での扱い	通常使用の強度検討はこの範囲で行う	異常時・安全側の検討（破壊させない設計）
計算の難易度	材料力学の公式・線形CAEで計算可能	非線形解析が必要で難易度が高い
身近な例	バネが伸びて戻る	針金を曲げると曲がったまま

表1：弾性変形と塑性変形の違いの整理

応力ひずみ線図の読み方——比例限度・降伏点・引張強さ・破断

金属材料に引張荷重をかけたときの応力とひずみの関係を表したグラフが応力ひずみ線図です。軟鋼（一般的な構造用鋼）の場合、以下のような特徴的な経過をたどります。

図1：軟鋼の応力ひずみ線図。降伏点を境に弾性域から塑性域へ移行する

線図上の代表的なポイントは次の4つです。

① 比例限度〜弾性限度

応力とひずみが直線関係（比例）を保つ範囲です。この直線の傾きがヤング率（縦弾性係数）であり、たわみ計算などの線形計算はこの範囲を前提にしています。ヤング率は材料ごとにほぼ決まった値をとり、軟鋼で約206GPa、アルミニウム合金で約70GPa、SUS304で約193GPaが目安です（出典：日本機械学会『機械工学便覧』）。ヤング率が大きい材料ほど、同じ力に対するたわみが小さくなります。熱処理をしても、同じ鋼材ならヤング率はほとんど変わりません——「焼入れしたのにたわみが減らない」のはこのためです。

② 降伏点

弾性域と塑性域の境目です。名前の通り材料が「降伏」する点であり、強度計算ではこの降伏点の応力以下を許容応力とするのが基本です。一般的な軟鋼（SS400相当）の降伏点は235〜245MPa程度です。

③ 引張強さ（最大応力）

材料が耐えられる最大の応力です。降伏後もひずみ硬化により応力は一度上昇し、この点を超えるとくびれが生じて破断へ向かいます。

④ 破断

材料が分離する点です。設計上は当然ここに到達させてはいけませんが、衝突・落下のような異常荷重時に「壊れ方をコントロールする」目的で塑性域の挙動を使う設計もあります。

なお、横軸の「ひずみ」の定義があいまいなまま線図を読むと混乱します。当サイトの強度計算の基礎記事では、ひずみを次のように説明しています。

ひずみとは、軸方向に荷重を受けたときの変形と元の長さの比率のことです。こちらは輪ゴムをイメージするとわかりやすいですね。
素材や部材の強度を確認するために必要なこととは？ー強度計算に必須な基礎知識！

ひずみは「長さ」ではなく「比率（無次元量）」である、という点を押さえておくと、応力ひずみ線図がぐっと読みやすくなります。

アルミ合金に降伏点がないなら何を基準に設計する？——0.2%耐力とは

前章の線図は軟鋼の例ですが、アルミ合金や銅などの材料には、明確な降伏点が存在しません。応力を上げていくと、はっきりした折れ点を示さず、なだらかに塑性変形へ移行していきます。

このような材料では、「除荷した後に残る塑性ひずみが0.2%になるときの応力」を耐力として定義し、鋼の降伏点と同じ意味合いで使います。これが一般に0.2%耐力と呼ばれる値です。

図2：0.2%オフセット法。弾性直線を0.2%ずらした線と曲線の交点が耐力となる

求め方は図2の通りで、弾性域の直線をひずみ0.2%分だけ右に平行移動し、応力ひずみ曲線と交わる点の応力を読み取ります。アルミ材のカタログやJIS規格表で「耐力」と書かれていたら、この0.2%耐力のことだと考えてください。

材料ごとの降伏点・0.2%耐力はいくつ？——主要材料の目安一覧

強度検討の出発点として、よく使う材料の基準強さ（降伏点・耐力）の目安を整理しておきます。実際の設計では、板厚・調質・規格年度によって規定値が変わるため、必ずJIS規格表またはミルシートで確認してください。

材料	分類	降伏点 / 0.2%耐力（目安）	引張強さ（目安）	備考
SS400	一般構造用圧延鋼材	245MPa（降伏点・板厚16mm以下）	400〜510MPa	架台・フレームの定番。明確な降伏点あり
S45C（焼ならし）	機械構造用炭素鋼	345MPa（降伏点）	570MPa以上	軸・ピンなど機械部品。熱処理で大きく変わる
SUS304	オーステナイト系ステンレス	205MPa（0.2%耐力）	520MPa以上	明確な降伏点なし。耐力で評価
A5052-H34	アルミニウム合金	約180MPa（0.2%耐力）	約230MPa	明確な降伏点なし。調質記号で値が変わる

表3：主要材料の基準強さの目安。設計時はJIS規格表・ミルシートで要確認

注目してほしいのは、SUS304とアルミ合金の欄が「降伏点」ではなく「0.2%耐力」になっている点です。ステンレスの代表格であるSUS304も、実はアルミと同じく明確な降伏点を持たない材料です。「ステンレスは鉄の仲間だから降伏点があるはず」と思い込んでいると、規格表の読み違いにつながります。

また、同じ材料名でも調質（H34などの記号）や熱処理条件で基準強さは大きく変わります。「A5052だから耐力180MPa」と丸暗記するのではなく、「この材料はどの調質か」をセットで確認する習慣をつけましょう。

許容応力と安全率はどう決める？——計算式と荷重別の目安

許容応力は、次の式で決めるのが基本です。

許容応力＝基準強さ（降伏点または 0.2%耐力）÷ 安全率

安全率は荷重の性質によって変える必要があります。古くから使われる目安（アンウィンの安全率・鋼の場合）は以下の通りです。

荷重の種類	例	安全率の目安（鋼）
静荷重	架台・フレームに一定の重量物を載せる	3
繰返し荷重（片振り）	同一方向の荷重が繰り返し作用するシリンダ駆動部	5
繰返し荷重（両振り）	正逆に荷重が反転する回転軸・往復動部	8
衝撃荷重	ワークの落下・衝突が想定される受け部	12

表2：荷重の種類と安全率の目安（アンウィンの安全率・鋼材）

基本的に設計者は弾性域内で強度検討を進めます。椅子の設計で例えると、「座る・上に立つ」のような通常起こりうる使い方では必ず弾性域内に収めます。一方で、バランスの悪い場所に置いた椅子の上に立つような異常な使われ方をされた場合でも、お客様の安全が第一優先です。脚が曲がってしまっても（塑性変形しても）破壊には至らない——そんな「壊れ方を設計する」場面で塑性域の検討が登場します。

ただし塑性域内の計算は形状に左右されることが多く難易度が高いため、経験のある技術者と一緒に進めることをおすすめします。

加工硬化はなぜ設計で見落とされる？——「硬くなる」は「脆くなる」でもある

金属に応力を加えて塑性変形させたとき、金属が硬くなる現象を加工硬化（ひずみ硬化）と呼びます。針金をクネクネと曲げたとき、一度曲げたところが硬くなって曲がりづらくなる——あれがまさに加工硬化です。

設計の頭から抜けやすいのは、設計時には加工硬化をコントロールできないからです。たとえば板金設計では素材の物性値で強度計算を行いますが、その後の曲げ加工や絞り加工で材料がどの程度伸ばされるかは、製造元のノウハウに属することが多く、設計段階で加工硬化を織り込んだ計算をすることは稀です。

そして加工硬化には大きなデメリットがあります。「硬くて脆い」という言葉の通り、硬くなるにつれて粘り強さ（じん性）が低下し、耐久試験では素材に比べて割れや破断が発生しやすくなります。曲げ部の近くに荷重がかかる構造では、この点を頭の片隅に置いておきましょう。

塑性変形はどんな加工で使われる？——塑性加工と延性・脆性の違い

塑性変形は、プレス・曲げ・鍛造・絞り・転造といった塑性加工で意図的に使われます。これらはいずれも、材料に降伏点以上の力をかけてわざと塑性変形させ、狙った形状を作り込む加工法です。「塑性変形＝壊れる前触れ」という理解は、強度設計の側から見た一面にすぎません。

塑性加工が成立するのは、金属が塑性域に入っても急には破断せず、大きく変形しながら耐える延性（粘り強さ）を持つためです。逆に、鋳鉄・ガラス・焼入れしたままの高炭素鋼のように、ほとんど塑性変形せずに割れる材料を脆性材料と呼びます。同じ寸法・同じ図面でも、材料が延性か脆性かで「壊れ方」が変わるため、材料選定の段階で確認が必要です。

加工法	塑性変形のさせ方	設計で注意する点
曲げ加工（板金）	曲げ部だけを局所的に降伏させる	スプリングバック量・曲げ半径の下限（割れ）
プレス・絞り加工	板全体を伸ばして立体形状にする	板厚減少・加工硬化による延性低下
鍛造	塊材を圧縮して繊維流れを作る	方向によって強度が変わる（異方性）
転造（ねじ・ローレット）	表面を塑性流動させて山を立てる	切削ねじより強いが、素材の延性が必要

表4：代表的な塑性加工と、設計側が押さえておく注意点

設計者が実務で最初にぶつかるのがスプリングバックです。板金を曲げて力を抜くと、狙った角度からわずかに戻ります。これは、塑性変形した部分の中に弾性変形分が残っているために起こる現象で、弾性変形と塑性変形が同時に起きていることの最もわかりやすい証拠でもあります。降伏点が高い材料ほど戻り量は大きくなるため、高張力鋼板では特に効いてきます。

【2026年最新】なぜCAEとAIの時代に弾性域・塑性域の理解が「前提知識」になるのか？

2026年現在、強度検討の現場では線形CAEが当たり前になり、生成AIに材料力学の質問をすれば即座に式が返ってくる時代になりました。しかし、だからこそ「弾性域・塑性域の理解」の重要性はむしろ増しています。

理由は単純で、多くの強度解析（線形解析）は塑性域の計算をしていないからです。一般的な鋼の降伏点は240MPa程度ですが、線形解析は降伏をはるかに通り越した状態でも平然と結果を返します。「解析結果は応力400MPa・変位20mmでした！目標変位以内なので達成です！」と喜ぶ新人さん——実は本来なら部材が降伏している状態です。解析ツールは間違っていません。弾性域の前提を理解せずに結果を読む側の問題です。

AIによる設計支援ツールの内製化が広がる中でも、この構図は変わりません。試作レベルのツールと実務で使える業務基盤の間には大きな溝があります。

試作はサンプル図面10枚で動いても、本番の数万枚で動かすには例外処理・権限制御・他システム連携・監査ログが要ります。
バイブコーディングは設計OS内製化を救うか——速度・粗利・カスタム性の3軸で評価する2026年現在

強度検討も同じです。降伏点・0.2%耐力・安全率といった判断基準は、ベテランの頭の中や過去の強度検討書のExcelに散在しがちで、ERPやPLMを導入していても解決しません。

ERPは「お金とモノの記録台帳」、PLMは「図面とBOMの保管庫」であり、いずれも「業務そのもの」を実行する仕組みではないからです。
業務OSとは何か——製造業ERPでもPLMでもない、第3の業務基盤の正体

過去の強度検討の判断（どの材料に・どの安全率を・なぜ採用したか）を組織の資産として引き継げる状態にしておくこと。それが、CAEとAIを安心して使い倒すための土台になります。

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この記事の基準が向かない条件——降伏点だけで判断してはいけない場面

ここまでの「降伏点（または0.2%耐力）÷安全率＝許容応力」という考え方は、常温・静的な荷重を受ける金属部品を前提にしています。次の条件に当てはまる場合、この基準だけで設計すると危険側に外れることがあります。

繰返し荷重が支配的な部品：応力が降伏点以下でも、繰返しによって破断します（疲労）。安全率での割り増しではなく、疲労限度・S-N線図での評価が必要です。
高温で使う部品：常温の降伏点は使えません。時間とともに変形が進むクリープを考慮した高温許容応力で評価します。目安として、炭素鋼では350℃を超えるあたりから考慮が必要になります。
樹脂・ゴム・CFRPなどの非金属：明確な降伏点を持たず、荷重速度・温度・吸水で特性が大きく変わります。金属と同じ考え方は適用できません。
脆性材料（鋳鉄・ガラス・セラミックス）：塑性変形をほとんどせずに割れるため、降伏点ではなく引張強さと欠陥（きず）を基準に評価します。
座屈が効く細長い部材・薄板：応力が許容値以下でも、形状の不安定によって先に潰れます。座屈計算が別途必要です。

逆に言えば、常温・静荷重・金属・座屈しない断面という条件がそろっているなら、本記事の基準で判断して差し支えありません。まず自分の部品がこの4条件に入るかを確認するのが、強度検討の最初のステップになります。

FAQ（よくある質問）

Q1. 弾性変形と塑性変形の違いを一言でいうと？

力を取り除いたとき元の形状に戻るのが弾性変形、戻らず変形が残るのが塑性変形です。境目となる応力を降伏点と呼びます。

Q2. 降伏点と0.2%耐力の違いは何ですか？

軟鋼のように線図上に明確な折れ点（降伏点）が現れる材料では降伏点を使います。アルミ合金や銅のように明確な降伏点がない材料では、除荷後に0.2%の永久ひずみが残る応力（0.2%耐力）を降伏点に相当する値として使います。

Q3. 許容応力はどうやって決めますか？

基準強さ（降伏点または0.2%耐力）を安全率で割って決めます。安全率は荷重の性質で変わり、鋼の場合は静荷重3、片振り繰返し5、両振り繰返し8、衝撃12が古典的な目安です。

Q4. 加工硬化のメリット・デメリットは？

メリットは塑性変形により材料が硬くなる（変形抵抗が増す）こと。デメリットは粘り強さが低下して脆くなり、割れや破断が発生しやすくなることです。設計時には加工硬化を正確にコントロールできない点にも注意が必要です。

Q5. CAEの解析結果で応力が降伏点を超えていたらどうすればいいですか？

線形解析は降伏後の挙動を計算していないため、その結果の変位や応力分布は実物と一致しません。形状変更や板厚アップで降伏点以下（さらに安全率を考慮した許容応力以下）に収めるのが基本です。塑性域の挙動を評価したい場合は弾塑性解析（非線形解析）が必要です。

Q6. 塑性変形の読み方は？

「そせいへんけい」と読みます。弾性変形は「だんせいへんけい」です。「塑」は粘土のように形を変えて固まる性質を表す字で、彫塑（ちょうそ）や可塑性（かそせい）と同じ用法です。

Q7. 塑性変形はどんな加工で使われますか？

プレス、曲げ、鍛造、絞り、転造などの塑性加工で使われます。材料に降伏点以上の力を意図的にかけて変形させ、狙った形状を作ります。塑性変形は避けるべき現象であると同時に、加工技術の原理でもあります。

Q8. 曲げたあとに少し戻ってしまうのはなぜですか？

スプリングバックと呼ばれる現象で、塑性変形した部分の中に弾性変形分が残っているために起こります。降伏点の高い材料（高張力鋼板など）ほど戻り量が大きくなります。

まとめ

弾性変形と塑性変形の違いは、強度設計のすべての土台になる知識です。「降伏点（または0.2%耐力）を基準強さとし、安全率で割った許容応力以下に抑える」——この原則と、線形CAEが塑性域を計算していないという事実さえ押さえておけば、解析結果やAIの回答を鵜呑みにせず、自分の判断で設計を進められるようになります。