鋼材の熱応力

質問

ど素人の質問ですが、ご勘弁下さい。
鋼材をオーステナイト状態に加熱してから　水か油で急冷します。
そこで、熱応力と変態応力が　生ずるそうですが・・・。
変態応力の方は　最終的には　表面では引っ張り応力が生ずるとうことで、
メカニズムは　理解できたのですが、熱応力の方では　表面で
圧縮応力が　発生するというメカニズムが理解できません。
テキストには以下のように記されておりましたが、意味がよくわかりません。
わかりやすく　このときの熱応力のメカニズムを教えていただければと思います。よろしくお願いします。

「急冷する時には表層部が中心部のまだ高い温度を有している部分を包み込んだ状態で冷却するので、表面部は中心部の高温でまだ収縮していない部分によって張力を受ける。温度がある程度高いうちは降伏点が低いので、この張力によって表面部は永久伸びをおこす。この永久伸びは、中心部が冷却によって収縮しても　そのままである。このため表層部は中心部から強く引き締める力（圧縮力）を受け、逆に反力として中心部は表層部から同じ圧力の引っ張り力を受けてバランスする」

回答No.3

noname#230359 · ベストアンサー

小生も理解に困った一人です。正確に理解しているかどうか、詳しい方から
の指摘も期待する意味で、今の小生の理解範疇で回答します。

中心と外側を縦に長い2つの長方形をイメージします。
?冷却が開始されると表面が先に冷やされて収縮します。（外の長方形の長さ
　が少し短くなります）

?鋼は中心長方形と外周長方形とで実際に収縮した分の段差はできないので
　長さを調整する為に、内部の長方形が少し縮じみ、外周の長方形が少し伸び
　ます。（この時点で、内部が圧縮、外周が引張りになってます。）

?今度は、中心部の熱が冷えて中心長方形が収縮します。その時外周部は
　冷却の収縮が完了していると考えます。

??と同じように鋼材は内部と外周が連続してつながっているので
　内部と外周の収縮段差を調整する為に、内部の長方形が少し伸びて、外部の長方
　形が少し縮じみます。よって外部は圧縮残留応力、内部が引張残留応力
　になります。
　と小生は理解しています。
　　詳しい方からのご指摘がありましたらよろしくお願いします。

お礼

非常にわかりやすくありがとうございました。

回答No.2

noname#230359

熱応力の反転問題、確かに理解するのが難しいですね。私も学生時代苦しみました。

理屈は貴兄が例にとられている解説通りです。

理解する為には割り箸か何かでH型の棒組みを作り、Hの縦棒の上下に横棒より長い棒と短い棒を挟み込みながら（表面部の材料の伸縮）考えるとイメージができやすいと思います。

お礼

おっしゃるような実験、早速やってみたいと思います。ありがとうございました。

回答No.1

noname#230359

表面は急冷によりすぐに縮むが、内部はあとから縮む。（熱の伝わり方により）
その収縮の時間の差により、外側に圧縮、内部に引張りの残留応力が生じる。

お礼

ご解答ありがとうございました