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表面粗さと応力集中の関係について
2023/10/18 19:45
- 表面粗さと応力集中の関係について質問させてください。
- 表面に引張応力の掛かる部品などでは、表面粗さが応力集中に影響を与える可能性があります。
- 同じ応力が掛かっていても、表面粗さが異なると発生応力に変化が生じることが考えられます。
表面粗さと応力集中の関係について
2011/01/19 11:00
質問させてください。
表面に引張応力の掛かる部品などにおいては、表面粗さにより応力集中が起きると思いますが、
その表面粗さ（Ra、Rz等）と応力集中の関係を簡単に表すことの出来る計算式やグラフのようなものはありますでしょうか？
たとえば、同じ応力（ex.100MPa）が掛かっていて、表面粗さ違い(ex.Rz10、Rz50、Rz100等）では、発生応力はどう変わるのでしょうか？
回答 （3件中 1～3件目)
勿論、応力集中するのは確かでしょうが、実用的には、面粗さと疲れ強さの関係でよく論じられてます。
http://www.actment.co.jp/baneset33.htm
図Ｃ：表面の粗さと疲れ強さとの関係
http://ci.nii.ac.jp/naid/110001486742
鋼の疲れ強さにおよぼす表面粗さの影響
直感的には、表面粗さの数値だけで論じるのは無理で、谷の深さと、連続でなく離散的な谷があると集中度合いが増すことになるかと思います。
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意味は理解できました。表面の粗さは表面に連続して凸凹が存在します。
応力集中は連続体の異形部分に生じると言うのが、一般だと思います。
連続した凸凹は幾何平均的に考えて、有効断面が小さくなると言う考えの方
が自然だと思います。はたしていわゆる形状効果が表れるか疑問を感じま
す。表面粗さレベルの切り下記形状を想定して、切り欠き係数を求めること
は可能だと思います(機械学会の資料等を参照)が、数箇所の切欠きを見立て
たとして極めて小さな値になると思います。
誤変換訂正します。 切り下記→切り欠き
疲労強度などにおいて、確かに表面粗さの影響はあると思いますが、他の
応力集中要素に比べ、小さいと考えています。
http://jikosoft.com/cae/engineering/strmatf08.html#hyoumen
応力集中は連続体において異形の変化を有する部位に発生します。
例えばノッチ状の切り欠き，穴，断面変化の大きい部位(段付き部や溝部)，
肉盗み部などです。
幾何形状にかかわるものを形状係数，寸法にかかわるものを寸法効果と言い
ます。特徴的な形状においてはFEM解析ができます。
小さいと言ったのは、寸法効果にかかわります。応力集中は寸法の大きさに
影響します。表面の粗さは上記の例に挙げた寸法に比べ、小さいため効果も
少なく現れます。下記参照下さい。
http://jikosoft.com/cae/engineering/strmatf08.html#ouryokusyuutyuu
表面粗さによる応力集中が、材料強度学上の応力集中の範疇で小さいと言っ
ているのであって、無視できるほど小さいと言う意味ではありません。
回答（３）さんの紹介される論文にもあるように、疲労強度に対する表面粗
さの影響は少なからず現れます。要は影響レベルの問題です。
一般論でない特異論を論ずるなら、予め質問の中に条件付けをしておいた方
がわかり易いと思います。
お礼
2011/01/19 17:29
ご回答ありがとうございます。
恐縮ですが、さらに突っ込んだ質問をさせてください。
＞確かに表面粗さの影響はあると思いますが、他の
＞応力集中要素に比べ、小さいと考えています
「他の」とは、どういった応力集中要素に対しては、小さくなりますでしょうか？
たびたびのご回答ありがとうございます。
質問の主旨から外れているようなので、訂正させて頂きますと。
表面粗さによる応力集中効果以上の応力集中させる部位が、周りにあればそちらの方に強度が依存するということは理解できます。
今回の質問は、そういったものは考慮せずに、表面粗さだけの比較で比較した場合、例えば、限りなくまっさらな表面、Rz10の表面、Rz100の表面で比較した場合でも、応力集中は限りなく小さいと語れるのでしょうか？
質問の意図が理解できません。引張試験で応力集中部位の表面性状が変わる
と言うことでしょうか？「表面性状(粗さ)｣と「引張応力または応力集中」が
直接結びつきませんが。それとも応力集中部が塑性変形して、表面性状が
変化すると言う意味でしょうか？硬さと引張強さの相関なら理解できますが。
補足
2011/01/19 11:41
切り欠き効果による応力集中をご存知でしょうか？
同じ引張応力が掛かっていたとしたら、表面に切り欠きのようなものがあれば引張強度より低い応力で破断に至ります。（ヤング率、硬さ一定）
表面性状（凹凸）を、この切り欠きにみたてると、荒さをもつ表面には応力集中が起こります。
たとえば、同じ応力が掛かっていたとしたら、Rz10の表面のものとRz100の表面のものでは実際に発生している応力は違います。
荒い方が応力集中しやすく、早く破断に至ることは容易に想像出来ると思います。
この、表面粗さがあるときに、どれくらいの応力集中が起きるのかを計算で出すことは可能でしょうか？
という質問でした。
お礼
2011/01/19 17:25
ご回答ありがとうございます。
疲労強度と引張強度には相関があるので、面粗さ―疲労強度、引張強度の関係はあるということですね。
やはり、粗さから応力集中の影響度を語るのは厳しいですかね。
と、書いてたら、なんか表現できそうな気がしてきました。
単純に、粗さ違いを、凹凸の深さだけの違いと仮定すれば、それらしくは出せそうですね。