ばねと残留応力

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ばねと残留応力の違い

ばね vs. 残留応力

ばねとは、力が加わると変形し、力を取り除くと元に戻るという、物体の弾性という性質を利用する機械要素である。広義には、弾性の利用を主な目的とするものの総称ともいえる。ばねの形状や材質は様々で、日用品から車両、電気電子機器、構造物に至るまで、非常に多岐にわたって使用される。 ばねの種類の中ではコイルばねがよく知られ、特に圧縮コイルばねが広く用いられてる。他には、板ばね、渦巻ばね、トーションバー、皿ばねなどがある。ばねの材料には金属、特に鉄鋼が広く用いられているが、用途に応じてゴム、プラスチック、セラミックスといった非金属材料も用いられている。空気を復元力を生み出す材料とする空気ばねなどもある。ばねの荷重とたわみの関係も、荷重とたわみが比例する線形のものから、比例しない非線形のものまで存在する。ばねばかりのように荷重を変形量で示させたり、自動車の懸架装置のように振動や衝撃を緩和したり、ぜんまい仕掛けのおもちゃのように弾性エネルギーの貯蔵と放出を行わせたりなど、色々な用途のためにばねが用いられる。 「ばね」は和語の一種だが、平仮名ではわかりにくいときは片仮名でバネとも表記される。現在使用されている漢字表記では発条と書かれる。英語に由来するスプリング（spring）という名称でもよく呼ばれる。語源は諸説あるが、「跳ね」「跳ねる」から転じて「ばね」という語になったとされる。 人類におけるばねの使用の歴史は太古に遡り、原始時代から利用されてきた弓はばねそのものである。カタパルト、クロスボウ、機械式時計、馬車の懸架装置といった様々な機械や器具で利用され、ばねは発展を遂げていった。1678年にはイギリスのロバート・フックが、ばねにおいて非常に重要な物理法則となるフックの法則を発表した。産業革命後には、他の工業と同じくばねも大きな発展を遂げ、理論的な設計手法も確立していった。今日では、ばねの製造は機械化された大量生産が主だが、一方で特殊なばねに対しては手作業による製造も行われる。現在のばねへの要求は多様化し、その実現に高度な技術も求められるようになっている。. 残留応力 （ざんりゅうおうりょく、residual stress）とは、 外力を除去した後でも物体内に存在する応力のことである。フックの法則により残留応力に対応するひずみを、残留ひずみ（ざんりゅうひずみ、residual strain）と呼ぶ。残留応力の分布は様々だが、物体の平衡状態を満足するため、物体全体では正負の残留応力が釣り合っている。 残留応力の発生は望ましいときと望ましくないときがある。一般的に、圧縮の残留応力は強度を向上させ、引張の残留応力は強度を低下させる。例えば、レーザーピーニングはタービンエンジンファンブレードのような金属部品に有益な圧縮の残留応力を与える。また、スマートフォンのディスプレイに使用されている強化ガラスにも応用され、大きくて薄く、かつ、き裂・擦り傷に抵抗のあるものを実現している。しかし、意図しない残留応力の発生は構造物の早期破壊を引き起こす場合もある。 残留応力は様々なメカニズムで発生する。例えば、塑性変形や温度勾配、物質の相転移などがある。溶接時に発生する熱は局所的な材料の膨張を発生させる。溶接中は、溶接されている部品が移動したり、溶融金属が膨張を吸収するが、溶接完了時には、ある部分は他の場所以上に早く冷却され、残留応力が残る結果となる。.

き裂

材料工学においてき裂（亀裂、Crack）とは、材料に生じた欠陥で、その先端の局所的な領域で原子面の分離が生じた破壊の状態をいう。弾性論の観点からは、先端部の曲率半径が半径0である切り欠きとみなせる。破壊力学においては、原子面間隔を曲率半径の下限値として考察する。 き裂を有する材料に荷重を与えると、き裂の先端近傍には著しく高い応力集中が発生する。先端部は降伏し塑性変形する。グリフィス理論によると、き裂に与えられるエネルギー（エネルギー解放率）が、材料の破壊靱性を上回ると、き裂はその長さを伸ばしていく。これをき裂進展という。き裂進展が始まると、き裂は急速に成長していき、短時間のうちに材料を破壊する。 弾性体を仮定して、き裂周囲の理論的な応力分布を求めると先端に特異点が生じるため、き裂の応力集中係数は評価できない。代わりに塑性変形を考慮した応力拡大係数によって、その応力分布が特徴づけられる。この応力拡大係数を創出したのはであり、流体力学で萌芽した座標変換技術を応用し、簡潔なき裂の進展における式を提示した。 図1に示すようにσはその部材にかかる平均的応力であり、その応力方向に垂直に内包された長さaのき裂がもつ駆動力であるK（応力拡大係数）を示すことで、どのサイズの欠陥を検出すれば強度の安全性が守られるかが理論的に示される。.

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ひずみ

ひずみ（Strain）は、連続体力学における物体の変形状態を表す尺度であり、物体の基準（初期）状態の単位長さあたりに物体内の物質点がどれだけ変位するかを示す。.

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塑性

塑性（そせい、英語：plasticity）は、力を加えて変形させたとき、永久変形を生じる物質の性質のことを指す。延性と展性がある。荷重を完全に除いた後に残るひずみ（伸び、縮みのこと）を永久ひずみあるいは残留ひずみという。この特性は加工しやすさを意味し金属が世界中に普及した大きな要因である。またこの特性を結晶学的に説明することに成功したのがOrowanらによる転位論である。 金属材料の展性および延性についての明確な定義は多岐に渡り一言には説明しづらいが、実用的には、次のように考えられている。金属材料の塑性変形抵抗を示す代表的指標に硬さがあり、さらには機械的性質を調べる代表的な方法として、引張試験があるが、低強度域（破壊力学的欠陥の作用しない領域）では硬さと比例関係にある。 この際、得られる特性値として、次のようなものがある。.

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応力

応力（おうりょく、ストレス、stress）とは、物体連続体などの基礎仮定を満たすものとする。の内部に生じる力の大きさや作用方向を表現するために用いられる物理量である。物体の変形や破壊などに対する負担の大きさを検討するのに用いられる。 この物理量には応力ベクトル と応力テンソル の2つがあり、単に「応力」といえば応力テンソルのことを指すことが多い。応力テンソルは座標系などを特別に断らない限り、主に2階の混合テンソルおよび混合ベクトルとして扱われる（混合テンソルについてはテンソル積#テンソル空間とテンソルを参照）。応力ベクトルと応力テンソルは、ともに連続体内部に定義した微小面積に作用する単位面積あたりの力として定義される。そのため、それらの単位は、SIではPa (N/m2)、重力単位系ではkgf/mm2で、圧力と同じである。.

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フックの法則

フックの法則（フックのほうそく、Hooke's law）は、力学や物理学における構成則の一種で、ばねの伸びと弾性限度以下の荷重は正比例するという近似的な法則である。弾性の法則（だんせいのほうそく）とも呼ばれる。フックの法則が近似として成り立つ物質を線形弾性体またはフック弾性体 (Hookean elastic material) と呼ぶ。 フックの法則は17世紀のイギリスの物理学者、ロバート・フックが提唱したものであり、彼の名を取ってフックの法則と名づけられた。フックは1676年にラテン語のアナグラムでこの法則を記述し、1678年にアナグラムの答えが、即ち であると発表した。フックの法則に従う系では、荷重は伸びに正比例し と表される。ここで.

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ショットピーニング

ョットピーニング (Shot Peening) とは、機械工作における噴射加工の一種で、無数の鋼鉄あるいは非鉄金属の小さな球体を高速で金属表面に衝突させることで、塑性変形による加工硬化、圧縮残留応力の付与を図る処理である。.

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疲労 (材料)

労（ひろう、Fatigue）は、物体が力学的応力を継続的に、あるいは繰り返し受けた場合にその物体の機械材料としての強度が低下する現象。金属で発生するものは金属疲労(Metal fatigue)として一般に知られているが、金属だけではなく樹脂やガラス、セラミックスでも起こり得る。また、力学的応力だけではなく電圧や温度の継続的または繰り返し負荷によって絶縁耐力や耐熱性が低下する現象を指すこともあるが一般的ではない。こちらはむしろ経年劣化と呼ぶ。.

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焼なまし

なまし（やきなまし、）、焼鈍し、焼き鈍し、焼鈍（しょうどん）、アニーリングとは、加工硬化による内部のひずみを取り除き、組織を軟化させ、展延性を向上させる熱処理である。目的に応じて多くの種類・方法が存在する。焼きなましと「き」の送り仮名をつける表記もあるが、本記事では日本工業規格、学術用語集の表記に準じる。「焼入れ」を緩和する「焼戻し」とは異なる。.

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脆性

脆性（ぜいせい、brittleness）は、物質の脆さを表す技術用語。破壊に要するエネルギーの小さいことをいう。対語としては靱性（じんせい：壊れにくいこと）と展延性（壊れずに変形すること）がある。 「脆」の文字が常用漢字に含まれていないことからぜい性と表記されることもある。本記事では学術用語集に準じて「脆性」の表記で統一する。.

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鋼

鋼（はがね、こう、釼は異体字、steel）とは、炭素を0.04～2パーセント程度含む鉄の合金。鋼鉄（こうてつ）とも呼ばれる。強靭で加工性に優れ、ニッケル・クロムなどを加えた特殊鋼や鋳鋼等とあわせて鉄鋼（てっこう）とも呼ばれ、産業上重要な位置を占める。.

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