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金属の熱膨張と寸法変化について
2023/10/21 01:27
- 金属の熱膨張とは何か？加熱によって金属が膨張し、冷却すると元の長さに戻ると考えられている。しかし、何十回、何百回も加熱冷却を繰り返すと、金属は元の寸法に完全に戻らないことがあるのか？
- 針金は伸線加工した物をアニール処理した場合としない場合で、加熱冷却中に外部からの力がかからないことを前提に、金属の熱膨張と寸法変化について考える。結晶粒成長の影響も考えるかどうかは問題ではない。
- 金属の熱膨張と寸法変化について、例えば初期値が1000mmの針金が昇降温後に元の温度で999mmになることや1001mmになることは起こり得るのだろうか。繰り返しの加熱冷却による金属の寸法変化について検証する。
金属の熱膨張と寸法変化について
2022/06/29 18:27
一般的に金属（ここでは針金をイメージしてください）は熱を加えると膨張（延びる）して元の温度に戻すと元の長さに戻ると思うのですが、この加熱冷却を何十回、何百回か繰り返すと元に戻らないという事は起こりえるでしょうか？
（無限に伸び続ける縮み続けるという意味ではありません）
つまり、例えば初期値1000mmの針金が、昇降温後元の温度で999mmになるとか1001ｍｍになるとかあり得るでしょうか？
針金は伸線加工した物をアニール処理した場合、しない場合とします。
また、加熱冷却中に外部からの力はかからない物とします。
温度は金属が軟化するほどまでは上げない物とします。
結晶粒が成長する事を前提としてもしなくても構いません。
宜しくお願いします。
質問者が選んだベストアンサー
回答No.4追記です。
基本的な考え方です。
(a)熱膨張測定用の短い加熱時間(通常の方法なら15粉程度でしょう)であっても、何度も繰り返すと、その温度で熱処理したことと同じになります。
(b)冷間加工材を加熱することで起きる現象は、再結晶温度以下では「回復」、再結晶温度を越すと「再結晶」です。
(c)再結晶温度は一定でなく、冷間加工率が高いほど低くなります。
(d)伸線加工や曲がり矯正による残留応力がある針金を加熱すると、回復現象により曲がります。アニール材でも矯正すると残留応力が発生します。
色々と考えてみましたが、「曲がったしても、何らかの方法で長さを正確に測定」した場合、回復や再結晶が起きたとしても、針金の長さは変わらないと考えます。
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その他の回答 （6件中 1～5件目)
https://costep-webteam.hatenadiary.jp/entry/20061023/p1
鉄道のロングレールのように加熱冷却を何十回、何百回か繰り返されたりして元に戻らないという事は起こりえないのでは？
参考になれば。
お礼
2022/07/14 17:35
回答ありがとうございます。
前提条件を再確認したいと思います。
質問を読み解くと、
(1)長さ1mの針金の長さを測るのは難しいが、何らかの方法で正確に測定する。
(2)曲がり易いが、曲がったしても、何らかの方法で長さを正確に測定する。
(3)加熱温度は数100℃程度とする。
(4)何らかの方法で、長さ方向、直径方向ともに均一に加熱する。
(5)金属は軟化しない。
(6)伸線加工ままの針金には残留応力がある。
(7)アニールした針金には残留応力はない。
(8)再結晶が起こる場合(8-1)と、起こらない場合(8-2)の２通りを考える。
となります。
しかし
(a)上記(5)と(8-1)は矛盾していますが、どうしますか。
(b)上記(1)(2)(4)では思考実験になり、現実に起こっていることの解明にはなりませんが、それでいいですか。
答えは(6)(8)に起因する現象の影響を受けて、変わります。
お礼
2022/07/14 17:35
回答ありがとうございます。
>何百回か繰り返すと元に戻らないという事は起こりえるでしょうか？
普通に起こります
完全に元に戻る方が少ないと思う
まぁ、直径０．１ｍｍ全長１０ｍｍくらいならまぁ気にするほどの残留歪はないでしょうけど
１０００ｍｍもの「長大な針金」は全域に亘って均一に昇温／降温するとは限らない
途中で温度不均衡が有るとその部分でゆがむ
一度ゆがんだ針金はそう簡単に治らない
それどころか歪みは加算されて更にひどくなるのが普通
http://www.sanyounetsuren.com/knowledge/prevention/
お礼
2022/07/14 17:35
回答ありがとうございます。
ご質問を拝見すると、外乱要素を排してできる限り一般化なさろうとしているようにお見受けします。
その一方で、想定するモデルは長さ1000mmの針金ということです。
針金のように細長い物体は、温度サイクルを加えることによって、曲がりが生じる可能性があり、曲がりが生じた状態では長さを正確に測ることが困難なので、寸法が元に戻るか／戻らないかという設問は、実証が困難と思います。
ご質問は、仮想的（思考）実験を想定なさっているのでしょうか？
現実の金属は、詳細に観測すれば、理想的な性質（単純化した理論）からの差異が生じてもおかしくありません。
単純化していえば、相変化を起こさない範囲の温度変化であれば、温度サイクルを繰り返しても寸法は元に戻ると捉えてよさそうに思います。その一方で、精密な測定を行えば、検出できる寸法変化が生じたとしても、不思議ではないとおもいます。
どの程度ミクロに観測・判断するか次第で、答えが変わってきそうに思います。
お礼
2022/07/14 17:34
回答ありがとうございます。
お礼
2022/07/14 17:31
ありがとうございます。
詳しい事はお伝え出来ませんが、もう少し説明させて頂きますと、
イメージとしては２本の並行したストローがあり一方のストローの手前側から向こう側に向かって針金が貫通しており、出たところから折り返してもう一方のストローの中を通って手前に来る一本の連続した針金があると想像してください。
勿論プラスチックではなく耐熱性のある物質です。
この一体の物（全長約1メートル、針金は往復で2メートルになりますね）全体を昇降温を繰り返すと、針金が切れてしまうという現象が起きてしまいます。（引きちぎられている様な感じ）
ストロー状の物より針金の方が、若干熱膨張率が大きい為、ストロー状の物に引っ張られて切れるという事は理屈の上では考えられません。
なお、ストロー状の物については常温に戻すと元の長さになっていることは確認済です。
一方針金の長さが正確に測定できない為、今回の質問、昇降温を繰り返すと長さが変わる（短くなる）事があり得るのでしょうか？ となった次第です。
短くなれば、相対的にストローより短くなり、結果として引っ張られて切れる。
この理屈が成り立つのかと思いまして質問を致しました。
頂いた回答からしますと、針金の長さの変化は起こらないという事の様ですので、恐らく他に原因があるのだろうと思われます。
ありがとう御座いました。