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残留応力とは？

解りやすく説明した動画です。パート1

残留応力とは何ですか？

残留応力とは、材料に閉じ込められた内部応力分布のことです。このような応力は、外部からの荷重が取り除かれた後も存在します。残留応力は、材料が塑性変形を経た後に平衡状態になった結果生じるものです。

残留応力と応用応力の比較

印加応力は、外部負荷（多くの場合、ひずみゲージで測定）により材料内部に発生する応力です。残留応力は、荷重に関係なく材料内部に存在します。部品内のある位置で材料が受ける総応力は、残留応力と印加応力を足したものになります。

全応力 = 残留応力 + 応力

例えば、-400 MPaの残留応力を持つ材料に+500 MPaの荷重を加えた場合、材料が受ける総応力は2つの応力の和となります： +100MPaとなります。従って、部品が実際に受ける荷重を決定する上で、残留応力の知識は重要です。

圧縮(-)残留応力は材料を押し合うように作用し、引張(+)残留応力は材料を引き離すように作用します。一般に、部品表面の圧縮残留応力は有益であり、疲労強度と疲労寿命を向上させ、き裂の進展を遅らせ、応力腐食割れや水素誘起割れなどの環境誘起割れに対する耐性を高める傾向があります。一方、部品表面の引張残留応力は、疲労強度と疲労寿命を低下させ、亀裂伝播を増加させ、環境支援割れに対する耐性を低下させるため、一般に望ましくない。

応力は、材料の面に垂直に作用する法線応力、または材料の面に平行に作用するせん断応力として特徴付けられます。材料内部のどの点においても、6つの独立した応力（3つの法線応力と3つのせん断応力）が存在します。

応力の単位

  • 応力のSI単位はメガパスカル（MPa）です。
  • 米国の応力の単位はキロポンド/平方インチ（ksi）です。

6.895 MPa = 1 ksi

残留応力の原因は何ですか？

残留応力は、機械的負荷、熱負荷、または相変化によって塑性変形が発生し、材料が平衡状態になったときに発生します。また、使用中にコンポーネントに加えられる機械的および熱的プロセスによっても、残留応力の状態が変化することがあります。

残留応力を発生させる可能性のあるプロセスの例：

機械的なもの： 機械的：機械加工中の材料の塑性化。
熱的(THERMAL): 材料の凝固の差(冷却鋳造など)。
相変化(PHASE CHANGE): 体積変化をもたらす析出/相変態(オーステナイトからマルテンサイトなど)。

残留応力はコンポーネントにどのような影響を与えますか？

どの断面でも、すべての残留応力の正味の合計は常にゼロです。しかし、コンポーネントのどの断面においても、通常は残留応力分布が存在します。残留応力分布は性能に影響します。XRDを使用して評価するのは、この残留応力分布です。

残留応力の重要性

残留応力は、以下のプロセスに影響します：

  • 低サイクルおよび高サイクル疲労性能
  • 歪み
  • ピーン成形（歪みの制御）
  • フレッティング
  • 応力腐食割れ (SCC) および水素誘起割れ (HIC)
  • き裂の発生と進展（損傷許容度）

残留応力測定の利点

残留応力を測定することで、多くの利点が得られます：

  • 重要な位置の部品に対するピーニングの効果の測定など、プロセスの最適化。
  • 仕様の決定やゴー/ノーの決定に役立つ定量的な指標を提供する。
  • 製品品質の向上、サプライヤーの品質の立証、エンジニアリングソースの承認（ESA）の取得
  • 安全性の確保と致命的な故障の低減
  • 十分な圧縮残留応力が存在することを確認することで、コンポーネントや構造物の寿命を延ばす。
  • 修理箇所が元の仕様に「復元」されていることを検証
  • 残留応力の劣化を追跡することで、より正確な交換要件を達成
  • 他の非破壊技術の検出確率の向上
  • FEモデルおよび/または破壊力学による残留応力分布の検証

製造時の残留応力の発生源

残留応力は、ショットピーニング、レーザーショックピーニング、超音波ピーニング、ハンマー加工、バニシング、低塑性バニシング、圧延、コイニング、スプリットスリーブエキスパンドなどの冷間加工技術によって製造中に発生します。残留応力は、研削、フライス加工、旋盤加工などの機械加工や、溶接、鋳造、鍛造、熱処理などの熱処理によっても製造中に発生します。

残留応力の管理

有害な残留応力は、応力腐食割れ、歪み、疲労割れ、部品の早期故障、過剰設計の原因になります。熱処理、制御冷却、局所加熱などの技術を適用することで、製造中に発生した潜在的に有害な残留応力を管理することができます。また、ショットピーニングなどの技術は、部品に有益な残留応力を導入して疲労寿命を延ばすために使用されます。コンポーネントの残留応力状態を分析することで、これらのプロセスが成功したことを確認できます。残留応力のわずかな変化でも部品の寿命に大きな影響を与える可能性があるため、残留応力のモニタリングは非常に重要です。