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切削による残留応力影響
2023/09/06 19:40
- 冷間鍛造素材を旋盤で仕上げ加工している部品で残留応力を測定した結果、引っ張りで500～650MPaの値が示されました。この値は加工硬化による引っ張り強度と同じくらいの値です。
- 測定された残留応力は鍛造の影響ではなく、切削による引っかきが原因であり、極々浅い層にしか影響していない可能性があります。切削に伴う残留応力はおよそ50μｍ程度の深さまで影響が残っていると言われています。
- 一般的には深部の残留応力を無視し、表面の残留応力に基づいて亀裂発生を判断することがあります。しかし、素材の違いによって表面上の残留応力が同じでも寿命は異なることがあります。この点が疑問です。
切削による残留応力影響
2009/09/11 17:58
冷間鍛造素材（S12C）を旋盤にて仕上げ加工している部品が有ります。
表面の残留応力を何箇所か測定したところ、引っ張りで500～650MPaと言う値が示されました。
現品は冷間鍛造による加工硬化によりHv170～220程度の硬度分布を示しているのですが、上記の数値はこの硬度から推測する引っ張り強度と同じ位の値です。
【質問】
材料の引っ張り強度と同値の残留応力が掛かっている、と言う事はありえるのでしょうか？
それとも、測定された残留応力は鍛造の影響ではなく、切削よる引っかきが原因で極々浅い層だけなのでしょうか？切削に伴う残留応力とはどの程度の深さまで達しているのでしょうか？
残留応力の測定にはX線を使用しています。
この場合表面層より数ミクロンの深さの金属原子間距離を計測していると理解します。
旋盤による切削加工はミクロの視点では工具で金属組織をむしり取っている様なモノと考えます。つまり切削加工自体により結果的に素材そのものが持っている残留応力でなく切削加工に伴う応力を測定しているのではないか？
と危惧しています。
切削に伴う残留応力に関して、何パターンかトライを行ってみようと思います。
方向性が見えたらまた追記ます。チョット時間を下さい。
色々調べて見ると、切削に伴う残留応力は50μｍ程度の深部まで影響残っている様です。
その為、表面の残留応力上は素材の影響を反映しない様です。
一般には表面に掛かる応力で亀裂発生を判断する為、深部の残留応力は無視しても良いと聞きました。
しかし実際には表面上の残留応力が同じでも素材違いにより寿命は大きく異なります。この点が疑問です。
質問者が選んだベストアンサー
回答（２）の者です。
先ず、『現品は冷間鍛造による加工硬化によりHv170～220程度の硬度分布
を示しているのですが、上記の数値はこの硬度から推測する引っ張り強度
と同じ位の値です。』ですが、硬度換算表を使用して 硬度 ⇒ 引張強度の
変換をすると、硬度Hv170～220 ⇒ 引張強さ540～700N/mm2（MPa）です。
ですから、500～650MPaは、引張強さより少し小さい値となるので、残留
応力として残る事ができます。
その根拠は、回答（２）のアドバイス内容です。
次に、回答（２）のお礼での貴殿の質問内容は、補足で回答した内容が、
アドバイスの一例です。
最後に、判るより慣れろは、小学校低学年の時の漢字の宿題に、その漢字
を5又は10個書いてくる内容があり、何でそんな事をするのか疑問でした。
しかし、年を重ねてくると、物を覚えるためには、書いて覚える事が一番と
思い実践しています。漢字を目で確認で脳を通過し、手を動かす事で脳を
通過し、それを声に出して書くと脳を通過し、それを耳で聞きき脳を通過
し、書いた物を目でまた確認して脳を通過して、覚え易くなる。見るだけ
より、脳の通過が5倍になるので、当然覚えるには最適です。が、それを
小学校低学年の時に言っても？？？です。これが、判るより慣れろです。
勉強も記憶が殆どで、社会に出たばっかりの時は、役に立つ事があまり無い
と思っていました。しかし、社会に出て暫らく経つと、勉強のやり方や記憶
の内容が役に立つようになってきました。具体的には、おぼろげな記憶から
####を調べれば判るとか。社会に出たら、極端な話しですがカンニングは
自由です。書物を調べて設計しても自由ですから。また、記憶内容の点と点
であった内容が線になってくる事もありました。ですから、回答に（２）の
ような補足をしました。
御免なさい、次にと最後にの内容は、余談でした。先ずの内容を回答（２）
にすれば良かったと考えています。
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その他の回答 （4件中 1～4件目)
なにか、話がややこしくなっているので、余計かもしれませんが回答します。
鍛造での塑性変形は降伏強度以上の強度をかけることによっておこります。そのとき発生した応力は、徐加時に開放されてゼロとなりますが、実際にはまわりに支えられる形になって残留します。ですから、塑性変形が激しく加工硬化が大きい部分では一般的な降伏強度以上の残留応力が残ることもありえます。また、表面近くでは力が解放されて残留応力はゼロとなるはずですが、それは表面に垂直の方向であって、表面水平方向にはかなりの残留応力が残るでしょう。
問題は切削加工の影響ですが、当然あると考えるの普通です。エッチング等によりとりのぞけるかとは思いますが、このあたりの塩梅は経験者に任せたいと思います。測定装置の企業、あるいは機械学会等の情報をあたってみてください。
最後に、機械工学の基礎は判るより慣れろというご意見には納得しかねます。判る事自体、慣れの一種であるという見解もありますが、判ることを放棄しては、進歩はないかと思います。
お礼
2009/09/24 14:12
取り合えず残留応力が降伏強度以上の値で残る妥当性に関しては理解しました。
今後残留応力（表面・深部）が疲労強度に与える影響を検証します。
S12Cは材料の名称で、その素性により、
◆ S12C-A、<-A；焼きなまし（約800℃で炉冷）>、
引張強さ；370N/mm2以上、降伏点；235N/mm以上
◆ S12C-N、<-N；焼きならし（880～930℃で空冷）>、
引張強さと降伏点は、-Aと同等か10％増し位
◆ S12C-H、<-H；焼き入れ焼き戻し>
S10CとS15Cのデータしかないので、その中間値を取ると
引張強さ；440N/mm2以上、降伏点；295N/mm以上、となる
◆ S12C-C、<-C；冷間加工>
貴殿の記述で硬度がHv170～220、硬度換算表から、
引張強さ；540～700N/mm2
（硬度換算表から硬度と引張強さは比例するのルールから）
となります。
そして、冷間加工は降伏点を超えた塑性加工域を利用した加工ですが、
当然スプリングバックで表面の応力は、略零になる筈です。
そして、内部の方が加工方向等で応力が溜まり易く、それで均衡が保た
れている筈です。それが、加工により表面に出てきて、引張りの破断点
近くまでの応力が働いている箇所があるとなっているのでしょう。
塑性変形と弾性変形をネット検索して、充分に理解して下さい。
前述のURL“1.3.2 鋼材の強さ の第1.4図 弾性と塑性 付近”を観てピ～ン
とくるようになって下さい。
さて、鍛造の中に気泡がある例えで説明しますと、
◆ 鍛造品の内部は、四方八方からの圧力で、気泡は小さくなり高圧となり
ます。この高圧となるが、内部部応力と同じ内容です。
◆ 鍛造品の表面は、基本的に外側からの力で変形していきます。そして、
その力がなくなると、外側に弾性変形分だけ変形が戻ります。これが、
スプリングバックです。表面は、気泡が高圧になる事もなく、半分程度
が開いているので圧力は瞬時になくなります。これが、表面応力がゼロ
近く事です。
◇ 鍛造品内部の気泡が、加工で表面に出た時、圧力は放出されます。本来
は加工するとその部分の圧力バランスが壊れ、ミクロン単位で加工後に
変形をしています。気体なら気泡の一部が開くと圧力は全部放出され
ますが、内部応力の塊は固体です。因って、一部が加工によりカットされ
ても、出口が狭い場所に人が殺到しているのと同じで、内圧力は殆ど維持
されます。
若い頃は、判るよりは慣れろ。慣れてやっているうちに、判ってくる事があり
ます。聞く事は、良い事ですが、機械工学の基本を判るよりは慣れろで、何回
も何回も、何回も、…、…、読んで演習問題をやると、理解できます。
頑張って下さい。
お礼
2009/09/11 23:46
コメント有難うございます。
<当然スプリングバックで表面の応力は、略零になる筈です。
申し訳ありません、なぜスプリングバックがあると表面応力がゼロ近くになるのですか？
表面層こそ最も加工代が多く変形を多く受けている様に感じるのですか。
<加工により表面に出てきて、引張りの破断点
<近くまでの応力が働いている箇所があるとなっているのでしょう
鍛造状態でバランスが取れていた素材を加工しバランスを崩すと寸法が変化すると思うのですが、引っ張りの破断点近くが出てしまうと形状を維持出来ないのではないでしょうか？
S12Cの材料そのものの引張強さは400～600MPa位だと思いますが，鍛造などに
より加工硬化すると，表面硬度も上がり結果として引張強度が上がります。
これらは組織学的にいえば材料内部に生じた転位が応力の拡散を阻害する
ためと考えられます。いわゆる残留応力とはニュアンスが違うと思います。
金属のような結晶材料の力学的性質を支配するものは，結晶中に存在する
格子欠陥（とくに転位）です。応力－ひずみ曲線や各種の材料強化法（固溶
強化，析出強化，分散強化，結晶粒微細化強化，複合強化など）を，転位を
用いて論じた学問が転位論です。
材料強度学とか金属組織学などでも転位を論じています。
以下一例を紹介しますので，勉強してください。
・材料の強度と破壊 小山信次 (論文）
http://ms-laboratory.jp/pdf/recrystal/re_cry.htm
・「入門 転位論」 加藤雅治著 (裳華房)
http://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN978-4-7853-6106-8.htm
・「金属, 合金の強度」 辛島誠一著 (日本金属学会)
http://books.livedoor.com/item/2706224
・材料強度学要論 小寺沢 良一【著】
http://bookweb.kinokuniya.co.jp/htm/4254230842.html
お礼
2009/09/11 23:38
コメント有難うございます。
<これらは組織学的にいえば材料内部に生じた転位が応力の拡散を阻害する
<ためと考えられます。いわゆる残留応力とはニュアンスが違うと思います。
応力の拡散を阻害するとは？
申し訳ありません、もう少し判り易く説明頂けるでしょうか？
よろしくお願いいたします。
お礼
2009/09/24 14:14
先ずは残留応力が降伏強度以上の値で残る妥当性は理解出来ました。
今後残留応力（表面・深部）が疲労強度に与える影響を検証します。
表面層の残留応力だけでは説明が付かない点が多く深部影響が気になります。