残留応力とは
読み: ざんりゅうおうりょく
残留応力とは、外力を取り除いた後もワーク内部に残ったままになっている応力で、加工歪みや割れの原因になり得る。
概要
材料は、圧延・鍛造・溶接・熱処理・切削加工といった工程を経る過程で、外部から力や熱を受ける。加工が終わって外力が無くなった後も、材料内部の各部分が均一に元の状態へ戻るとは限らず、部分ごとに応力がつり合ったまま残ることがある。これが残留応力である。
残留応力は目に見えないが、後工程で材料の一部を削ったり熱を加えたりすると解放され、加工歪みや割れとして表面化することがある。
発生要因
残留応力は、圧延や鍛造で材料が不均一に塑性変形することで生じるもの、溶接の急速な加熱・冷却で生じるもの、焼入れのような熱処理で表面と内部の冷却速度差から生じるもの、切削加工で刃先近傍の材料が塑性変形・発熱することで生じるものなど、工程ごとに異なる原因で発生する。
同じ材質・形状でも、どの工程をどの順序で経てきたかによって残留応力の分布は変わる。
深穴加工・機械加工での影響
残留応力を内部に抱えた素材を深穴加工や旋盤加工で削ると、応力のバランスが崩れて反りや曲がりが生じることがある。特に長尺・大径の部品や、片側だけを大きく削るような形状では、残留応力の影響が寸法精度に出やすい。
深穴の真直度や同軸度を安定させるには、素材の残留応力の状態も含めて工程を組む必要がある。
除去・低減方法
残留応力を低減する代表的な方法が、応力除去焼鈍である。材料を焼入れ温度より低い温度で一定時間保持し、ゆっくり冷却することで内部応力を緩和する。
このほか、荒加工と仕上げ加工の間に工程を分けて応力を段階的に解放させる、対称的な形状で加工して応力のバランスを崩しにくくする、といった工程設計上の工夫もある。
よくある誤解
✕ 残留応力は熱処理をしていない材料には存在しない。
○ 残留応力は熱処理だけでなく、圧延・鍛造・溶接・切削加工などあらゆる加工工程で生じ得る。熱処理をしていない材料でも残留応力が存在する場合がある。
✕ 残留応力は目に見えないので、加工上は無視してよい。
○ 残留応力は目に見えないが、後工程で材料を削った際に解放されて反りや曲がりとして現れることがある。長尺・大径部品や片側を大きく削る形状では特に影響が出やすい。
よくある質問
残留応力はどんな工程で生じますか？+
残留応力を減らすにはどうすればよいですか？+
残留応力は加工歪みとどう関係しますか？+
関連用語
出典
- 残留応力・応力除去焼鈍に関する一般的な金属工学知識
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