材料力学用語辞典：残留応力
00:00 残留応力とは
03:50 残留応力の特徴
05:30 残留応力が課題になる例
06:49 残留応力を活用する例
08:54 まとめ
【書き起こし】(2) 残留応力ってなに？材料力学の専門用語を分かりやすく説明【材料力学用語辞典】
(00:00) こんにちは 材料力学用語辞典では 材料力学で出てくる専門用語を分かり やすく説明していきます今日の用語は残留 応力です 名前の通り 変形した後に残る応力ですまず 男性変形の応力分布を見ましょうこのよう な方持ち針の 先端に荷重をかけると曲げ変形しますこの 時 根元付近の断面の応力を見ると曲げ応力が 生じます 梁の上側に引っ張り応力が生じて中心で 応力が0になり 下側には圧縮応力が生じます 応力分布はハリの上側から下側まで直線的 に変化します 次に 先端の荷重を取り除くと 先ほどとは逆向きに変形して 初めの形に戻りますこの変形によって根元 付近の断面に生じる応力は 先ほどとは逆で梁の上側に圧縮応力が生じ て中心で応力がゼロになり
(01:05) 下側には引っ張り応力が生じます 一連の流れをもう一度追いかけると 初めの応力がない状態から 荷重をかけるとこのような応力分布になり 荷重を取り除くとこのような応力分布が 追加されます 荷重をかけた時の応力と荷重を取り除いた 時の応力は完全に打ち消し合うので 荷重を取り除いた後の応力は0になります つまり 初めの状態に戻りますこのように 与えた果汁を取り除くと元の状態に戻る ことが 男性変形の特徴です 次に 男性変形だけでなく組成変形も起こる炭素 生変形の応力分布を見ましょう 先ほどと同じ型持ち針の 先端に荷重をかけると曲げ変形します 根元付近の上下に蘇生変形が生じた時の 根元付近の断面の応力を見ると曲げ応力の 分布はこのようになります 梁の上側に引っ張り応力が生じて中心で
(02:09) 応力が0になり 下側には圧縮応力が生じるのは男性変形と 同じですが分布の形が異なりますこれは 男性変形する中心近くの応力分布とその 上下の蘇生変形する領域では 応力の勾配が異なるためです 組成変形する領域では男性変形する領域 よりも応力の勾配は小さくなります 次に 先端の荷重を取り除くと 先ほどとは逆向きに男性変形しますが 初めの状態には戻らず初期形状と少し 異なる形になります 荷重を取り除いたことで生じた変形によっ てこの断面に生じる応力は 男性変形なので梁の上がわから下側まで 応力が直線的に変化して 上側に圧縮応力が生じて中心で応力が0に なり 下側には引っ張り応力が生じます 一連の流れをもう一度追いかけると 初めの応力がない状態から 荷重をかけると組成変形してこのような
(03:14) 応力分布になり 荷重を取り除くと男性変形してこのような 応力分布が追加されます 果汁をかけた時の応力と果汁を取り除いた 時の応力は異なるので 完全には打ち消しありません 荷重を取り除いた後の応力は0にならず 少し残りますこの応力を 果汁を取り除いた後でも残る応力である ことから残留応力と言いますこのように 与えた果汁を取り除いても変形が元の状態 に戻らず残留応力が生じることが炭素性 変形の特徴です 残留応力の特徴を見てみましょう今紹介し たように 残留応力は蘇生変形などの非線形な変形に よって生じますまた 外力がないとき残留応力同士で力が 釣り合います 果汁を取り除いているので 残留応力だけで力が釣り合わないと 部材がどこかに飛んでいってしまうことに なります 先ほどのケースでは一つの断面に引っ張り 応力が生じる箇所や
(04:20) 圧縮応力が生じる箇所ができて 力が釣り合っていますもしこのように残留 応力が引っ張り応力だけだと 力が釣り合うようにハリが伸び変形するの で 力が釣り合わない状態のままにはなりませ ん 他の特徴として一般に 圧縮の残留応力があると強度が大きくなり 引っ張りの残留応力があると強度が小さく なります 特に高サイクル疲労強度に影響が大きい ですこの動画で紹介したように4サイクル 疲労には平均応力の影響が大きいです 残留応力があると平均応力が変わるので 強度に影響します このことから 引っ張りの残留応力が生じる場合には 圧縮の残留応力を低減することで強度を 改善できます一方 わざと圧縮の残留応力を与えると強度を 大きくすることができますこのように 残留応力は課題の原因になるケースだけで なくうまく活用すれば高強度化に役立つ
(05:26) ケースもありますそれぞれの例を見てみ ましょう 残留応力が課題になる例として 物を溶接するときがあります2枚の板を 用意してこのように溶接してつなげるとき 溶接するときには 溶接部の温度が周囲よりも高くなり 温度分布がある状態で固まります 溶接した後に温度が下がると全体が一定の 温度になるので 固まった状態を基準にすると 溶接部は温度変化が大きいので大きく熱 収縮します一方 周囲はもともと温度が高くなかったので 温度変化が小さく熱収縮量も小さいです その 結果 溶接部は周囲よりも収縮しようとしますが 周囲に拘束されて自由に変形できないので その分引っ張り応力が生じます したがって長手方向にも身近で方向にも 引っ張りの残留応力が生じます 引っ張りの残留応力は強度を小さくするの で
(06:28) 溶接部の残留応力が課題になります また 残留応力によっていたが曲がった理由だり することも過大になります そこで 残留応力を低減するために 溶接する時の温度分布冷却する方法 溶接する順番などを工夫する方法が開発さ れています 残留応力を活用する例として ガラスがあります ガラスは強度が小さいのでそのままでは 割れやすいですが 残留応力を活用することで強度を大きくし た 我にくい強化ガラスというものがあります ガラス板全体の温度をガラスが軟化する 温度近くまで上げてから 表面を急冷します 断面を拡大すると 表面の温度だけが下がって固まります中心 部はまだ温度が高い状態ですその後 全体の温度が下がると 表面は先に冷えていたので温度変化が 小さく 熱収縮は小さいです一方中心部は高温から 冷却されるので温度変化が大きく
(07:34) 表面よりも熱収縮が大きくなります その結果中心部の熱収縮によって表面が 圧縮され 表面には圧縮の残留を力中心部には 引っ張りの残留応力が生じます 我々は表面から生じるのでその表面に圧縮 の残留応力を生じさせることで強度が 上がりますこのように強化することで強化 ガラスの強度は通常のガラスの何倍も 大きくできますなお 強化ガラスは強度が大きいですがもちろん それ以上の力をかければ割れます 強化ガラスにヒビが入ると中心部にある 引っ張り応力が開放されて 板全体が粉々になるという特徴的な割れ方 をします 強化ガラスのように温度変化によって残留 応力を生じさせる方法以外にも 金属ではショットpingといって 表面に硬い球をぶつけて蘇生変形させる ことで 表面に圧縮の残留応力を発生させる方法も あります 他には
(08:36) 科学的に表面に圧縮の残留応力を発生さ せる方法など 強度を大きくする方法がいろいろ開発され ています 残留応力は 強度的な課題の原因になるケースがあり ますが うまく使うと公共とかに役立たせることも できますね まとめです 組成変形などの非線形な変形によって 外力を除化しても部材の内部に残る応力が 残留応力です 外力がないとき 残留応力同士で力が釣り合います 圧縮の残留応力は強度を大きく 引っ張りの残留応力は強度を小さくします 特に高サイクル疲労に影響が大きいです 溶接部などでは 製造時に生じる引っ張り応力が課題になり ます 強化ガラスなどでは 表面に圧縮の残留を力を与えることで強度 を大きくして割れを防止しています 今回のご視聴ありがとうございましたこの チャンネルでは
(09:39) 材料力学を分かりやすく紹介したり材料 力学を生活に役立てたりしています ぜひそれらの動画もご覧ください チャンネル登録と高評価もお願いします それでは 次回の動画でお会いしましょう
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