(有)加賀スプリング製作所

残留応力とは

金属材料に外力を加えて塑性変形を与えると、その後、必ず残留応力という応力が発生します。
残留応力とはどのようなものなのか上図で説明いたします。
1、材料に外力を加えて変形させて、その後、力を除いても変形が残るまで曲げた場合。
2、曲げ加工時において、外側は引っ張られて伸びる方向の力が、内側は圧縮して縮める方向の力が働く
３、続いて力を除くと材料はスプリングバックで戻った後、ある程度曲がった状態になるこの状態では外見からは何も力が働いているようには見えないが、材料内部には元の形状に戻ろうとする力が存在する。
この力の方向は曲げの外側で圧縮方向、内側では引張方向である。この内部に発生している目に見えない内部の力を残留応力といいます。

残留応力の種類と効果

このような残留応力はその効果から、ばねにとって有益な残留応力と有害な残留応力に分類されています。
有益な残留応力としては、初張力、ショットピーニングやセッチングにより導入される残留応力があげられますが、
有害な残留応力の代表は、ばね成形時に発生する残留応力ですが、
この残留応力はできる限り除去しないと
ばね成形を行った直後の曲げ加工の内側には、元の形状に戻ろうとする引張方向の残留応力が発生している、
そのままばねを使用すると、設計上の応力に加えて、この残留応力が追加されることになり、疲労強度や耐へたり性において設計上の性能が得られないなど、色々な問題を起こす要因になります。
この残留応力が大きい場合には、力を加えないままでも、遅れ破壊などを引き起こすことがあり、何らかの方法でこの有害な残留応力はできるだけ取り除く必要があります。
この解決策が低温焼なまし（低温熱処理）です。

[tag:残留応力 低温熱処理]

ばね用鋼線の引張強さに対する弾性限及び耐力の割合

上記まで線を引っ張る方向の場合について説明でしたが、圧縮コイルばねや引張コイルばねにおいて作用する力はねじりの方向です。引張強さとねじり強さ関係は材料ごとにほぼ一定であることがわかっているので引張強さがかればねじり方向における弾性限や降伏点（ねじりの場合は耐力と言わない）が推定できます。下図は低温焼なまし前後の引張強さに対するねじり弾性限及ねじり降伏点の割合を示しています。

引張強さに対するねじり弾性限及びねじり降伏点の割合

低温焼なましにより向上を図る機械的性質は弾性限です。
ばねに大きな力を加えて変形させた後、その力を除くとばねは変形する（へたる）場合と変形しない場合があります。このような場合で、ばねがへたりを発生しない限界を「弾性限」といいます。

この弾性限をばねにおいて厳密に測定することは、ばね仕様（剛性）に左右され意外と難しいです。
材料に力を加えた場合も同様のことが生じるので、一般的には引張試験により永久ひずみが0.03％もしくは0．05％発生する応力を弾性限として用います。この弾性限が高い方がばねのへたりが少なくなり、ばねとして使用できる範囲が広がるので、低温焼なましにより弾性限を高めます。

また、材料が変形する限界の指標としては、耐力（降伏点）が用いられる。弾性限との違いは永久ひずみが0．2％発生する応力を耐力としています。下図参照

比例限度・弾性限度の求め方（弾性限を0.03%の時）

冷間成形ばね用鋼線を用いたバネの製造工程

コイリング後に行われる低温焼なましの目的には二つの目的があります。

1、冷間で引抜加工を施されたピアノ線や硬銅線、ステンレス鋼線などの加工硬化をおこしているので、この材料の機械的性質を改善すること。

２、冷間でばね加工をすると加工部分に有害な残留応力を生じ、ばねの寸法変化の増大、疲れ強さ及び耐へたり性を低下させるので、その有害な残留応力除去をすること。