残留応力とは

2013年1月5日更新

金属の残留応力とは、目の前で力を加えていないにも関わらず、以前に加えた力が組織の内部に残っていることがあり、こうした力を総称して残留応力と呼んでいます。金属材料は多くの構造材料や機械部品に使われるため、この残留応力の考え方はとても大切です。材料や素材、素形材などを扱う場合は金属に限らず、残留応力の影響を考慮するシチュエーションは少なくありません。

例えば、引張方向に残留応力がのこっている部材は、本来もっている引張強さに、この残留していた力を加算しておかないと、想定よりも小さな力で破断してしまうことになります。

これが特に目に見えて影響してくるのは、疲労強度の部分です。本来は十分な疲労強度があると見込んでいたにもかかわらず、部材が壊れてしまうのは、内部に残留応力があったため、ということがあります。

この残留応力にも方向があり、例えば圧縮方向にかかる残留応力があれば、引張り方向の力が加わった際には、材料が本来持っている引張強さよりも大きな力がかからないと破壊されません。このため、曲げや引張強度については、圧縮の応力が残っていたほうが材料の強度が上がるため良いという考え方もあります。

鋼材の多くは「応力除去焼きなまし」(材料が持っている再結晶温度よりも高い温度で熱して冷ます)という熱処理によって残留応力をある程度除去して使いますが、熱処理以外にも振動を与えて残留応力を除去したり、ショットブラスト(ショットピーニング)で無数の小さな鉄球等で材料に打撃を与えて圧縮方向の残留応力を与えることで引張応力を相殺したり、圧縮の残留応力を作り出して強度を上げるといった処理があります。

金属の残留応力が及ぼす影響

  • 応力が引張方向の場合、強度が弱くなる(圧縮方向の残留応力なら逆に強度は上がる)
  • 耐腐食性が落ち、錆びやすくなる
  • 腐食割れや脆化などにつながることがある
  • メッキなどをする場合は、メッキの応力と鋼材の外側の応力の方向により、メッキ層が剥離しやすくなることがある
  • 摩擦がおきる箇所に使用する場合、磨耗量が増加することがある

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