ばね用ステンレス鋼帯の許容曲げ応力

Question

現在、板ばねを設計しています。
素材にばね用ステンレス鋼帯のSUS304-CSP Hを使用することを考えています。
JIS G 4313に引張強さは記載されているのですが、
板ばねとして使用するため許容曲げ応力が知りたく
色々と調べてみましたが結論が出ません。

許容曲げ応力についてどう考えればよいのか、どの値を用いればよいのかご教授下さい。

Answer

以下のURL資料等を確認してみて下さい。
“h200420”さんのアドバイスが判り易くなります。

ばね用ステンレス鋼帯SUS304-CSP Hの許容曲げ応力は、
バネ限界値N/mm2 を使用下さい。

疲労限界値を考慮した数値です。

Answer

すべての均一材料において、
曲げ強さ＞引張強さ
の関係があります。

どのくらい大きくなるかと言えば、延性材では最大1.5倍、
曲げ強さ＝1.5×引張強さ
になり得ます。
これは材料力学の教科書に普通に載っている有名な式です。

脆性材においては、寸法効果があって、一概には言えないにせよ、薄板においては、1.2倍ぐらいになることはザラです。

要するに、曲げ強さがわからない時は、引張強さで代用しておば、安全側の設計ができということです。（逆に、曲げ強さしか測定されていない材料を引っ張りで使用すると、危険側になってしまうということです。）

「許容曲げ応力」という言葉を使われていますが、これは曲げ強さや耐力などを元に、安全率などを考慮しながら、設計上発生を許す最大曲げ応力のことであって、曲げ強さとは違います。
「許容引張応力」についても同様です。
世の中、この辺が区別できていない人も多いので、これを機会にしっかりと覚えましょう。

以上の説明でのなかで、曲げ応力を計算するときの式は、弾性計算の式です。
要するに、
曲げ応力＝モーメント／断面係数
です。

○まず、1.5倍について
弾完全塑性体を考えて下さい。この材料は、降伏応力までは弾性、それを過ぎると、応力は降伏応力（＝引張強さ）になります。
弾完全塑性体の梁が曲げを受けると、弾性域では応力が厚さ方向に線形分布します。先端（上下面同時）から降伏が始まると、塑性域に入った箇所は応力が平らになります。弾性域で残っている部分では、線形分布します。

降伏が進むと、その極限では、「中立軸から上側では、＋の降伏応力、下側では、－の降伏応力」という、全面塑性状態になります。この時のモーメントを計算すると、上下面から降伏が始まった時点のモーメントの1.5倍になることがわかります。

このような理想的な材料でなくとも、伸びや絞りが10%以上もあるような塑性域の大きい材料では同様のことがいえます。この場合、材料が引張強さまで弾性であるとして計算したモーメントに対し、全面塑性状態のモーメントが1.5倍になります。

上の説明でわからない場合には、別途質問を立てて下さい。
どなたかが、わかりやすく説明して下さるのを期待しましょう。

○次に、引張り強さ＝曲げ強さではない、ということについて
最近、コンピュータが進歩したこともあって、材料力学もよくわからないのに、CAEの計算結果ばかりを振り回す人が多くなってきたために、「点の応力で破断が評価できる」という迷信（＝最大主応力説）がはびこってきています、困ったものです。

点の応力は、直接破断とは対応しません。点の応力が破断応力に達しても、応力分布が一様分布でない限り、要するに、応力分布に勾配があれば、破断は発生しないのです。

応力分布がゆるやかであれば、当然のことながら最大主応力説があてはまります。しかし、急勾配になればなるほど、破断応力は上昇していきます。これが、寸法効果の原因です。

30年ぐらい前に技術の中心にいた人たちは、実測を通じて、このことを良く知っていたのですが、最近は実測をしたことのない人が増えてきたためか、最大主応力説ばかりが一人歩きしていて、困ったものだと思っています。

Answer

線材の資料を添付します。板材とは若干の差異が予想されますが，参考レベ
ルなら十分だと思います。

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