鋼のストレス緩和：構造的完全性のための残留応力の排除
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定義と基本概念
応力緩和は、鋳造、成形、機械加工、溶接、または急冷などの製造プロセス中に蓄積される内部残留応力を減少または排除するために金属および合金に適用される熱処理プロセスです。このプロセスは、材料をその臨界変態点以下の温度に加熱し、その温度で指定された時間保持し、その後新しい応力の発生を最小限に抑えるためにゆっくり冷却することを含みます。
材料科学および工学において、応力緩和は寸法安定性、歪みの防止、サービス中の応力腐食割れや早期破損のリスクを減少させるために重要です。このプロセスは、通常、材料の微細構造や機械的特性に大きな変化をもたらさないため、アニーリングや正規化などの他の熱処理とは区別されます。
冶金学の広い分野の中で、応力緩和は一次製造プロセスと最終製品の展開の間に重要な位置を占めています。これは、特に複雑な形状を持つ鋼部品や精密機械加工操作を受ける部品の長期的な完全性と性能を確保するための重要な品質管理ステップを表しています。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
原子レベルでは、応力緩和は熱的に活性化された転位の移動と結晶格子内での再配置を通じて発生します。残留応力は、金属の歪んだ結晶構造に蓄えられた弾性ひずみエネルギーとして存在します。十分な熱エネルギーが供給されると、原子は移動性を得て、転位が登り滑ることができます。
この原子の移動性の増加により、材料は応力集中点で局所的な塑性変形を受けることができます。このプロセスは、転位の消失、多角化（サブグレインの形成）、および限られた回復プロセスを通じて内部応力の再分配を促進します。しかし、再結晶化とは異なり、応力緩和は元の粒構造を維持しながら内部ひずみエネルギーを減少させます。
理論モデル
応力緩和を説明する主な理論モデルは、熱活性化に基づいており、反応速度プロセスのためのアレニウス方程式に従います。このモデルは、応力緩和の速度を温度、活性化エネルギー、および時間に関連付け、熱力学および固体拡散の動力学の原則に従います。
歴史的に、応力緩和の理解は20世紀初頭の経験的観察から1950年代のより洗練されたモデルへと進化しました。ゼナーやワートのような研究者による初期の研究は、金属における内部摩擦と応力緩和の関係を確立しました。
現代のアプローチには、残留応力分布とその進化を予測するための有限要素モデリング（FEM）が含まれます。粘弾性および粘塑性モデルも、特に複雑な形状や不均一な温度分布に対する応力緩和の時間依存性を説明するために使用されます。
材料科学の基盤
応力緩和は結晶構造と密接に関連しており、フェライト鋼に見られる体心立方（BCC）構造は、オーステナイト鋼に見られる面心立方（FCC）構造よりも一般的に応力緩和が速いです。粒界は、応力緩和プロセス中に転位の供給源および吸収源として機能するため、重要な役割を果たします。
材料の微細構造は、応力緩和の効果に大きく影響します。細かい粒構造は、転位の移動のために利用可能な粒界面積が大きいため、通常、より迅速な応力緩和を促進します。析出物や第二相粒子は、そのサイズ、分布、およびマトリックスとの整合性に応じて、応力緩和を妨げたり、強化したりすることがあります。
このプロセスは、材料科学における回復の原則に根本的に関連しており、塑性変形によって変化した物理的特性の部分的な回復を表し、再結晶化中に発生する微細構造の完全な再構築は行われません。
数学的表現と計算方法
基本定義式
応力緩和を説明する基本的な方程式は、一次反応速度モデルに従います：
$$\sigma(t) = \sigma_0 \exp(-kt)$$
ここで、$\sigma(t)$は時間$t$における残留応力、$\sigma_0$は初期残留応力、$k$はアレニウス関係に従う緩和速度定数です。
関連計算式
緩和速度定数$k$は、アレニウス方程式を使用して表現できます：
$$k = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$
ここで、$A$は前指数因子、$Q$は応力緩和メカニズムの活性化エネルギー、$R$は普遍気体定数、$T$は絶対温度です。
ラルソン・ミラー係数（LMP）は、異なる時間-温度の組み合わせにおける応力緩和の効果を予測するためにしばしば使用されます：
$$\text{LMP} = T(C + \log t)$$
ここで、$T$は温度（ケルビン）、$t$は時間（時間単位）、$C$は材料特有の定数で、多くの鋼に対して通常約20です。
適用条件と制限
これらの数学モデルは、材料の融点（ケルビン）のおおよそ0.3から0.5の温度範囲で一般的に有効です。この範囲以下では、原子の移動性が不十分であり、重要な応力緩和は得られません。一方、この範囲を超えると、微細構造の変化が発生する可能性があります。
モデルは、部品全体で均一な温度分布を仮定しており、大きなまたは複雑な形状には当てはまらない場合があります。また、材料が均質で等方的であると仮定していますが、これは重加工またはテクスチャーのある材料には当てはまらない場合があります。
これらの式は、特定の温度で応力緩和と同時に発生する可能性のある相変態や析出反応を通常考慮しておらず、その場合に不正確な予測を引き起こす可能性があります。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
ASTM E1928: 直線薄壁チューブにおける残留円周応力の概算を推定するための標準実践。この標準は、応力緩和の前後での残留応力を測定する方法をカバーしています。
ISO 689