ストレッチャーレベリング：メモリの排除と鋼の平坦性の最適化
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定義と基本概念
ストレッチャーレベリングは、材料の降伏点を超える制御された引張力を適用して内部応力を永久に排除し、板金を平坦にする金属加工技術です。この機械的プロセスは、シートの全断面にわたって塑性変形を誘発することにより、均一に平坦な材料を生成し、コイルセット、エッジウェーブ、センターバックル、オイル缶などの形状欠陥を効果的に排除します。
材料科学および工学において、ストレッチャーレベリングは、板金製品の寸法安定性と一貫した機械的特性を確保するための重要な応力緩和操作を表します。従来のローラーレベリングとは異なり、ストレッチャーレベリングは、材料の厚さ全体にわたって均一な応力状態を作成することにより、内部応力をその源で対処します。
冶金学の中で、ストレッチャーレベリングは、一次成形操作と最終加工プロセスの間に重要な位置を占めています。それは、一貫性のない圧延材料を予測可能な成形挙動を持つ精密に平坦化されたシートに変換する重要な中間ステップとして機能し、高い公差を必要とする産業にとって不可欠です。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
微細構造レベルでは、ストレッチャーレベリングは、材料の降伏強度を超えて、シートのすべての領域にわたって制御された塑性変形を誘発することによって機能します。このプロセスは、結晶格子内の転位を再分配し、形状欠陥を引き起こす残留応力パターンを効果的に中和します。
このメカニズムは、引張力が適用されるときに結晶構造内で転位が移動することを含みます。材料が弾性限界を超えて伸びると、これらの転位は粒子を通じておよび粒界を越えて伝播し、材料の内部応力状態を永久に変える滑り面を作成します。
適用された引張が全断面で降伏強度を超えると、以前は異なる応力状態（圧縮または引張）にあった領域が均一な塑性変形条件に強制されます。この内部応力の均一化は、後続の加工中に寸法的に安定した平坦な材料をもたらします。
理論モデル
ストレッチャーレベリングの主要な理論モデルは、降伏点を超えた塑性変形理論に基づいています。このモデルは、材料が十分な引張応力を受けると、弾性から塑性挙動に移行する様子を説明します。
ストレッチャーレベリングの理解は、20世紀初頭の引張下での材料平坦化の初期観察から進化しました。1950年代までに、エンジニアは適用された引張と結果としての平坦さを結びつける数学モデルを開発しましたが、これらのモデルは主に経験的でした。
現代のアプローチは、ストレッチング中の材料挙動を予測するために有限要素解析（FEA）を取り入れ、結晶塑性モデルは微細構造レベルでの洞察を提供します。これらの計算手法は、以前の試行錯誤アプローチと比較してプロセス最適化を大幅に改善しました。
材料科学の基盤
ストレッチャーレベリングは、好ましい結晶面に沿った滑りを誘発することによって、材料の結晶構造と直接相互作用します。鋼では、これらの滑り系は通常、体心立方（BCC）または面心立方（FCC）結晶構造内の密に詰まった面に沿って発生します。
このプロセスは、隣接する粒子間で均一な変形を作成することによって粒界に影響を与え、これらの界面でしばしば発生する応力集中を減少させます。この均一化は、圧延操作から生じる方向性のある粒構造を持つ材料にとって特に重要です。
ストレッチャーレベリングの根本的な材料科学の原則は、応力、ひずみ、および転位の動きとの関係です。塑性変形を制御することによって、このプロセスは材料の微細構造を操作し、望ましいマクロ的特性、特に改善された平坦さと応力緩和を達成します。
数学的表現と計算方法
基本定義式
ストレッチャーレベリングにおける基本的な関係は次のように表現されます：
$$\sigma_t > \sigma_y$$
ここで、$\sigma_t$は適用された引張応力で、$\sigma_y$は材料の降伏強度です。効果的なストレッチャーレベリングのためには、適用された応力が完全な塑性変形を確保するために降伏強度を十分に超えなければなりません。
関連計算式
効果的なストレッチャーレベリングに必要な永久的な伸び（塑性ひずみ）は次のように計算できます：
$$\varepsilon_p = \frac{\Delta L_p}{L_0}$$
ここで、$\varepsilon_p$は塑性ひずみ、$\Delta L_p$はストレッチ後の永久的な伸び、$L_0$は元の長さです。
必要なストレッチング力は次のように求めることができます：
$$F = \sigma_t \times A$$
ここで、$F$は必要な力、$\sigma_t$は目標引張応力（通常は降伏強度の1.1-1.2倍）、$A$はシートの断面積です。
適用条件と制限
これらの式は、明確な降伏点を持つ弾塑性挙動を示す材料に適用されます。連続的な降伏挙動を持つ材料の場合、0.2%オフセット降伏強度が通常$\sigma_y$として使用されます。
モデルは、シート全体にわたって均一な材料特性を仮定していますが、特性の変動や方向性のある特性を持つ材料には当てはまらない場合があります。温度の影響も考慮する必要があり、降伏強度は高温で低下します。
これらの計算は準静的荷重条件を仮定しており、高速加工時に重要となるひずみ速度感度は考慮されていません。さらに、材料の厚さの変動は非均一なストレッチング結果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 E1030: 鋼板製品の平坦性特性を測定するための標準試験方法
ISO 9445: 継続的に冷間圧延されたステンレス鋼ナローストリップ、ワイドストリップ、プレート/シートおよびカット長さ - 寸法と形状の公差
EN 10029: 厚さ3mm以上の熱間圧延鋼板 - 寸法と形状の公差
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