さまざまな種類の残留応力を理解する

固体材料では、残留応力は、応力の元の原因が取り除かれた後に残留する応力です。残留応力は、材料にとって役に立たない場合と有用な場合があります。つまり、望ましい場合と望ましくない場合があります。材料に意図しない残留応力があると、早期に故障する可能性がありますが、強化ガラスに使用すると、大きくて薄く、割れにくく、傷がつきにくいスマートフォン ガラスを実現できます。

今日は、定義、アプリケーション、タイプ、原因、結果、図、制御、残留応力の測定方法について見ていきます。

残留応力とは?

残留応力とは、外部荷重や熱勾配がない場合でも、材料に残る応力です (溶接コンポーネントでは一般的)。残留応力は重大な塑性変形を引き起こす可能性があり、材料の歪みや反りにつながる可能性があります。場合によっては、骨折や疲労に対する感受性に影響を与える可能性があります。

残留応力は、物体に外力がかかっていなくても、金属物体内に閉じ込められた応力であるとも言われています。応力により、金属の 1 つの領域が、隣接する領域によって収縮、拡張、または弾性ひずみの解放から拘束される場合があります。残留応力は引張りまたは圧縮の可能性があるため、コンポーネント内に共存できます。

残留応力の原因は?

残留応力は、オブジェクトまたはコンポーネントが弾性限界を超えて応力を受けると発生し、塑性変形を引き起こします。塑性変形は、次のことが原因である可能性があります:

• 高温からの冷却中の相転移
• エナメル、電気めっき PVD、CVD コーティングなどの表面処理
• 加熱および冷却中の不均一な塑性変形
• 化学的または結晶学的順序の不均一性 (窒化または表面硬化)
• 圧延、成形操作 (曲げまたは絞り)、機械加工、および機械的表面処理 (ショット ピーニングおよびローラー バニシング) などの機械加工中の非塑性変形

残留応力の 3 つの原因は次のとおりです。

熱変動:

熱変動とは、対象物が温度から冷却されるときに発生します。これは、接合に激しい熱が使用されるため、溶接接合でよく発生します。このため、本体全体の冷却速度に大きな差があり、その結果、材料の表面と内部に局所的な変化が生じます。この異なるレベルの熱収縮により、物体内に不均一な応力が生じます。

冷却中、表面はより速い速度で冷却され、加熱された材料は中心で圧縮されます。素材の中心部分は冷えるのに時間がかかりますが、それは外側の素材の温度が低いため拘束されています。これにより、内側部分には残留引張応力が生じ、材料の外側部分には残留圧縮応力が生じます。

機械処理:

塑性変形により発生する残留応力は、機械加工によるものです。これは、曲げ、絞り、押し出し、圧延などの製造プロセスを経る材料の断面全体で塑性変形が不均一である場合に発生します。

変形プロセス中、材料の一部は弾性で、もう一方は可塑性です。そのため、荷重が取り除かれると、材料は変形の弾性部分を回復しようとします。ただし、隣接する塑性変形した材料のため、完全に回復することはできません。

相転移:

相変態は、残留応力が発生するもう 1 つの方法です。これは、材料が相転移を起こすときに発生します。つまり、新しく形成された相と、まだ相転移を受けていない周囲の材料との体積差です。この体積の違いにより、材料が膨張または収縮し、残留応力が生じます

残留応力の影響は?

残留応力は、応力が引張か圧縮かに応じて、状況によっては有益です。引張残留応力は、材料の歪みや亀裂を引き起こすほど大きくなる可能性があります。また、疲労や応力腐食割れには引張り応力が必要です。これは、残留応力が加えられた応力と代数的に合計されるためです。適用された引張応力と組み合わされた表面残留引張応力は、材料の信頼性を低下させる可能性があります。また、残留引張応力は、応力腐食割れを引き起こすのに十分な場合があります.

一般に、表面残留圧縮応力は、加えられた引張応力の影響を軽減します。実際、表面の圧縮応力は、疲労強度の向上と応力腐食割れの耐性に寄与しています。

前述のように、残留応力は用途に応じて正または負のいずれかになります。一部のアプリケーションの設計に残留応力を実装すると、プラスの効果が得られます。これは、レーザー ピーニングによって実現できます。レーザーピーニングは、材料の表面に圧縮残留応力を与えます。これにより、脆い表面が強化されるか、薄い部分が強化されます。

一般に、残留応力も悪影響をもたらす可能性があります。多くの場合、応力は製造業者には見えませんが、それが重大な歪みをもたらす場合に限られます。構造的完全性に悪影響を及ぼす可能性があります。たとえば、溶接された厚肉構造は、応力緩和された構造よりも脆性破壊を起こしやすいです。

残留応力の種類

以下は、さまざまな種類の残留応力です:

引張残留応力:

引張残留応力は疲労強度を低下させ、疲労破壊を引き起こします。それらは通常、生産の副作用であり、亀裂の成長を引き起こす積極的な研削をもたらします.また、収縮、フィッティング、曲げ、またはねじれを引き起こす可能性があります。ねじれは常に残留応力として鋳造部品に残り、部品表面に亀裂を引き起こす可能性があります。さらに、応力腐食割れは、引張残留応力がある場合に発生するイベントです。

圧縮残留応力:

圧縮残留応力は、疲労強度と応力腐食割れに対する耐性の両方を高めます。それらは、ショット ピーニング、レーザー ピーニング、低可塑性バニシング、オートフレッテージなどのプロセスによって意図的に形成することができます。材料のひずみが材料を硬化または冷間加工します。ほとんどの場合、圧縮残留応力を誘発することの重要性は、引張応力の有害な影響のバランスを取ることです。残留引張応力を低減するために、応力緩和焼鈍と呼ばれる熱処理プロセスも使用されます。

残留応力も 3 つのタイプに分類できます。

タイプ 1 残留応力:

これらのタイプの残留応力は、マクロ残留応力として知られており、しばしば粒子に発生します。これは、巨視的な寸法の変化をもたらす残留応力の平衡の変化の結果です。歪みの不均一な分布を引き起こす処理またはプロセスは、タイプ 1 の残留応力を生成します。

タイプ 2 残留応力:

タイプ 2 の残留応力は、1 つの粒子に発生する微小な残留応力です。それらは、異なる粒子で異なるサイズにすることができます。この残留応力を生成するには、マルテンサイト変態が最適です。変態プロセス中に、オーステナイトの不完全な変態が得られます。ただし、マルテンサイトの体積はオーステナイトよりも大きいため、さまざまな形の残留応力が生じます。

タイプ 3 残留応力:

タイプ 3 の残留応力は、粒子から数原子の距離内で発生するサブマイクロの残留応力です。それらの形成は、空孔、転位などの結晶欠陥によって引き起こされます。

残留応力の詳細については、以下のビデオをご覧ください:

残留応力の測定方法

残留応力の測定に使用できるさまざまな手法があり、破壊的、半破壊的、非破壊的に分類されます。必要な情報に応じて使用されることがよくあります。

これらの残留応力測定技術を理解しましょう!

破壊的:

残留応力の破壊測定技術は、測定対象物または材料を破壊することによって実行されます。それらは一般的に研究開発目的で行われます。また、非破壊検査と比較すると、残留応力を測定および検出する安価な方法です。

破壊的テストは、次の 2 つの方法で実行できます。

• 輪郭法

等高線法では、オブジェクトを 2 つに切断し、切断によって作成された自由平面に向かって表面の高さマップを測定することにより、残留応力を決定します。この方法は、残留応力分布によって引き起こされる変形を決定し、試験片の弾性有限要素モデルを通じて残留応力の量を知るために使用されます。結果は、測定平面に垂直な残留応力の 2D マップです。

• スリッティング方法

スリッティング法は、物体を切断した平面に垂直な残留応力の厚さを測定するために使用される手法です。これには、ワークピースの厚さを通して深さの増分で薄いスリットをカットすることが含まれます。測定結果の変形は、スリットの深さによって達成されます。また、残留応力は、測定された変形を使用して逆問題を解くことによって決定される厚さ方向の位置によって計算されます。

半破壊的:

半破壊残留応力測定技術は、破壊型に似ています。これは、ひずみ解放の原理を​​使用して残留応力を決定するためです。しかし、破壊するのではなく、少量の材料しか除去されませんでした。これにより、構造が完全性を維持しやすくなります。

半破壊検査も次の 2 つの方法で実行されます。

• 深穴掘削

深穴加工は、材料の厚さに穴を開け、穴の直径を測定することによって実現されます。穴の周りに円形のスロットを切り取り、穴の周りから材料のコアを取り除き、穴の直径を再測定します。ここで幾何学的変化によって残留応力が発見されます。

• センター穴あけ

センターホールドリル技術は、オブジェクトに小さな穴をドリルで開けることによって行われます。したがって、残留応力を含む材料が除去されると、残りの材料は新しい平衡状態に達します。これにより、穴の周囲の変形が関連付けられます。ひずみゲージまたは光学的手法を使用して、解析中に穴の周囲の変形を測定します。材料の元の残留応力は、測定された変形から計算されます。

非破壊:

非破壊は、材料の残留応力を測定およびテストする別の方法です。これには、残留応力と結晶格子間隔における材料の変化との関係の影響を測定することが含まれます。

非破壊的な方法は、次の 3 つの方法で実現できます。

• 中性子回折

中性子は、材料の結晶格子間隔を測定するために使用されます。物体に存在する中性子は、入射中性子と同等のエネルギーを持っています。これにより、格子間隔から残留応力を決定できます。

• 放射光 X 線回折

シンクロトロンを使用して電磁放射を加速し、材料の格子間隔を知っている真の厚さを可能にします。残留応力の計算には、中性子回折と同様のアプローチが使用されます。

• X 線回折

X線は物体表面を数百ミクロンしか透過しないため、この方法で表面残留応力を測定できます。

残留応力を制御する方法

残留応力を制御することは、アプリケーションに何らかの応力を必要とする場合に役立つため、材料では一般的です。材料が疲労または応力腐食割れ状態にさらされているか、残留応力がコンポーネントの変形または割れを引き起こすのに十分な大きさである場合。

残留応力の制御は、ショットピーニング、軽冷間圧延、延伸などの機械的処理によって実現できます。コンポーネントの表面に圧縮残留応力を誘発するために、少量の圧縮が使用されます。応力除去熱処理、熱処理プロセスの制御、および合金の選択は、残留応力を制御する他の方法です。

金属の降伏強度は、温度が上昇するにつれて低下するため、金属の降伏強度が残留応力の大きさと同じかそれ以下になる温度まで加熱することによって、金属を応力緩和することができます。これが起こると、金属は微視的な塑性変形を起こし、残留応力の少なくとも一部が解放されます。応力除去後、物体に残る最大残留応力は、応力除去温度での材料の降伏強度に等しくなります。

冷却速度を下げて温度変化を抑えることで、残留応力を減らすことができるため、コンポーネントの断面全体で相変態をより均一に発生させることができます。さて、これはコンポーネント処理の観点に基づいています。この場合、より遅い冷却速度の合金を選択することができますが、それでも目的の相変態が発生します。

結論

残留応力は、材料の位置または負であることがわかっています。それらは発生して材料の寿命を縮める可能性があり、また、特定の残留応力を得るために意図的にオブジェクトに実装することもできます.この記事では、残留応力の定義、種類、原因、影響、制御、および測定方法について説明しました。

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