残留応力の基礎・測定と有効利用および除去方法

残留応力とは何か

残留応力は、製造業において非常に重要な概念です。
これは、材料や製品が製造プロセスまたは外部からの力を受けた後に、その内部に残る応力のことを指します。
加工や成形、溶接、熱処理といった生産工程では、物質が変形したり温度変化にさらされたりする中で、内部に目に見えない応力が積み重なります。
この応力は、製品の強度や耐久性に影響を与える可能性があるため、適切な管理と理解が不可欠です。

残留応力の発生要因

残留応力は、主に以下の要因で発生します。

1. **塑性変形**:
金属の加工や鍛造によって、塑性変形が起こります。
これにより材料内部に永久変形が残り、その形を維持するための応力が残ります。

2. **熱処理**:
焼入れや焼戻しなどの熱処理作業では、急激な温度変化が材料表面と内部に異なる応力が発生させます。
冷却速度の違いにより、表面と内部で歪みが生じ、残留応力が生じます。

3. **溶接**:
異なる材質や厚みの溶接場合、局所的な熱膨張と収縮が際立ち、これが残留応力の大きな要因となります。

4. **機械加工**:
鋳造や鋳鉄製品の切削加工の過程で、表面と内部の間で応力が分布し、残ります。

残留応力の測定方法

残留応力の正確な測定は、製品の品質保証において不可欠です。
ここでは主要な測定方法をご紹介します。

X線回折法

X線回折法は、金属表面の結晶構造の歪みを検出することで、残留応力を測定します。
高精度な結果が得られるため、特に精密部品の評価には適しています。
ただし、この方法は表面層の応力しか測定できない点に注意が必要です。

ホール法

ホール法は、材料に小さな穴を開け、その際に発生する歪みを測定する手法です。
穴を開けることで、局所的に応力が開放される反応を測定するため、応力の分布状態を知ることができます。
内面の応力については測定しづらいため、全体の応力が問題となる場合には限界があります。

ひずみゲージ法

ひずみゲージ法は、材料表面にひずみゲージを取り付け、変形による電気抵抗の変化を測定します。
これにより、材料の応力状態を推定できます。
簡便でコストも抑えられるため、多くの現場で利用されています。

残留応力の有効活用

残留応力は、一見すると問題になると思われがちですが、適切に利用することで製品特性を向上させることも可能です。

加工硬化の活用

冷間加工では、加工硬化が生じやすくなります。
これらは意図的に操作することで、製品の強度を増し、性能向上に役立ちます。

表面圧縮応力の利用

例えば、ショットピーニングなどは、表面に圧縮応力を導入することで、疲労強度を上げる効果があります。
表面疲労が問題となる部品に有効です。

内部応力の設計

ガラスやセラミックスの分野では、残留応力を設計に織り込むことで、耐衝撃性や耐熱性などを調整することができます。

残留応力の除去方法

残留応力は、時として製品の滅すべき不具合の原因となることもあります。
このような場合、適切な除去方法を選択することが重要です。

熱応力除去焼なまし

焼き入れ後、緩やかに加熱し、応力を除去する方法です。
通常は実現しやすく、コントロールしやすいプロセスです。

機械的除去

機械加工によって表面の材料を削り取り、特に表面に残る応力を低減する方法です。
万が一設計上不可逆な影響を与えないためにも、適宜計測しながら進める必要があります。

振動時効処理

材料を振動させることで、内部応力を和らげる方法です。
熱をかけたくない場合や、サイズの大きい部品に対して効果的です。

結論

残留応力は、製造業における重要な側面であり、適切な理解と管理がなければ製品品質を損なう可能性があります。
しかし、逆に適切に活用すれば、製品の強度や耐久性を向上させることができます。
残留応力を測定し、場合によっては除去するための技術や方法を正しく選ぶことが、製品の信頼性と競争力を高める鍵です。
製造プロセスにおいて、この領域をしっかりとマネジメントすることが、製造業の発展にとって不可欠だと言えるでしょう。