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解決済みの質問

熱による塑性変形現象を再現するような実験方法

熱による塑性変形現象を
確認する実験を行いたいと思っております。

具体的にはどういった内容かと申しますと、
試験体(金属材料)に対して、
なんらかの方法で熱を加えることによって
熱の力のみで応力を発生させ、
試験体を塑性変形させたいと考えています。
ただし、単純な塑性変形現象を捉えるため、
変態する材料の場合は変態点以下の温度での実験を行いたいです。

そこで、自分なりに方法を考えて見たところ、
・高周波焼入れによって、局所的に急激な温度差を与えることによって応力を発生させる
・線膨張係数が異なる材料(クラッド材)に熱を与えることによって応力を発生させる
の2つの方法を考えつきました。

しかし、どの方法でも
熱のみの力で実際に測定できるほど大きな塑性変形を起こすことが出来ません。
問題となっているのが、
・測定することが可能となるよう、大きな塑性変形量を得ようとするには、線膨張係数と降伏点の兼ね合いを考えなければいけない。
(線膨張係数は大きく、降伏点は低い)
・熱のみで応力を発生させることが可能となる、莫大な熱量を与えなければならない。
・温度差をつける場合、熱拡散率、熱伝導率が低い材料にする必要がある。

上記問題点を解決できるようないい方法はないでしょうか?
皆さんのお力を貸していただけたら幸いです。
宜しく御願致します。

投稿日時 - 2012-06-12 10:13:00

QNo.9471322

すぐに回答ほしいです

質問者が選んだベストアンサー

降伏点を想定した場合、鉄系で0.6%、非鉄系で0.2%以上のひずみを与える
必要があります。例えば線膨張率が10^-5の材料ならこれを熱ひずみに換算す
ると、それぞれ600℃、200℃の温度差が必要です。
金属接触でこの温度差を実現するのはかなり難しいと思われます。
焼嵌め円筒なら、予め応力を与えておくことができるので、温度を上げたとき
接触面の応力を降伏点に到達できるかもしれませんが。

投稿日時 - 2012-06-12 13:53:00

お礼

ご回答有難うございます。

確かに、温度差のみでひずみを与えようとすると
ご回答頂いてる大きさの温度差にする必要があり、
そのような温度差をつけることができる急速加熱機構がなく
困っております。

焼きばめの理論を使えば、
確かに大きな応力を与えられるかもしれません。
CAEで確かめてみます。
アイデアを有難うございます。

投稿日時 - 2012-06-12 18:17:00

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回答(4)

溶接で測りはしないが歪むことはわかってるので
下記のようなもので測定は可能だと思います




クランプ         クランプ & ひずみ計
↓            ↓
============== 母材
↑     ↑      ↑
      加熱



クランプ  冷却     クランプ & ひずみ計
↓     ↓      ↓
============== 母材
↑            ↑
      
 

 

>>そうしないと、クランプ力がどのくらいかによって

そうですね

クランプ  冷却     ひずみ計
↓     ↓      ↓
============== 母材
↑            ↑

これで見えるはずです      

投稿日時 - 2012-06-12 17:27:00

お礼

ご回答有難うございます。

折角ご意見を頂けたのに申し訳ないのですが、
今回の実験では熱の力による塑性変形現象のみを捉えるため、
単純な状態(実験要因を少なくした状態)で
実験を行いたいと思っております。

そうすると、クランプの拘束などの要因は
なるべく排除した状態、
つまりフリーな状態(試験体を床に置くのみ)
での実験を行いたいのです。

そうしないと、クランプ力がどのくらいかによって
塑性変形量が変ってしまう恐れがあると考えています。

投稿日時 - 2012-06-12 18:24:00

小生は温度差による部品の塑性変形対応で、時々苦労した者です。

その内容は、樹脂部品とガラス類の石英部品です。

線膨張係数は、鉄鋼/金属類に比べ、樹脂部品は一桁大きい、石英部品は一桁小さいです。
また、樹脂部品は降伏点や耐力相当であるポイントも低いので、容易に塑性変形や
破損をしていました。
(工場内は0℃以下にはならないが、正月休みは大幅に下回り問題を発生させた等で。)

さて、石英ガラスは高価で取扱いが難ですが、強度的にも強いし、比較的高温でも強度がある
ので使用して、塑性変形を発生させる金属を華奢にして確認はできないでしょうか?

また、一方のスタートを冷やしてからにするとかも含めての検討も…。

それか、樹脂を金属にみたてて、補正を掛けてテスト結果報告書を作成する。

> 石英ガラスと金属を接合させて実験を行うということでしょうか?
YESです。
嵌め合いに近い形でセットしてです。
そして、ゆっくり両者を昇温してテストです。
金属を前もって冷して、石英ガラスにセットでも可です。

そうすれば、両者を何℃に昇温すればよいかや、金属を前もって何℃に冷せばよいか等が
判断できます。
只、石英ガラスは、やはりガラスなので、取扱要注意がネックです。

参考URL:http://www.theglassplant.com/img/pdf_japanese/quartz.pdf

投稿日時 - 2012-06-12 11:29:00

お礼

ご回答有難うございます。

今回の実験では、あくまでも金属材料を対象として行いたいと思っております。
そのため、樹脂等他の材料で代替的に行うことは考えていません。
金属では線膨張係数が小さく、降伏点も大きいので
実験が困難を極めているのですが、
なんとしてでも成功させなければならないので
私もほとほと困り果てているのが現状です。

冷やしてからスタートするのも一つの手ですが、
冷やしている状態下で大容量の熱を加えるというのは難しいかと思います。

>さて、石英ガラスは高価で取扱いが難ですが、強度的にも強いし、比較的高温でも強度がある
>ので使用して、塑性変形を発生させる金属を華奢にして確認はできないでしょうか?
とありますが、
石英ガラスと金属を接合させて実験を行うということでしょうか?

ご回答有難うございます。

石英ガラスのような、線膨張が低い材料で嵌め合い関係を作れば
確かに応力が発生しそうですね。

石英ガラスは取り扱いが難しそうなので、
他の低線膨張係数の材料を探したところ
インバーとうものがありました。
これを使用してもいいかもしれません。

アイデアを有難うございました。

投稿日時 - 2012-06-12 13:55:00

>熱のみの力で実際に測定できるほど大きな塑性変形を起こすことが出来ません
その通りでしょう。

>変態する材料の場合は変態点以下の温度での実験を行いたい
尚更難しい。

造船の鉄板を曲げる特殊技術。ぎょう鉄(撓鉄)
  http://www.nmri.go.jp/main/news/press/content/gyotetsu/gyotetsu.pdf
  http://www.nippon-foundation.or.jp/ships/topics_dtl/2004700/20047001.html
  http://www.sanwadock.co.jp/diary/19_gyotetu.html

>高周波
よりもレーザー加熱の勝ち。

ぎょう鉄も研究としてはあるみたいだが、極端な時間短縮にはならないのではないか。熟練技能の数値化には効果期待される。
  http://www.jasnaoe.or.jp/old_sites/snaj/tm/0407/ronbun2.html

>熱間加工を利用して塑性変形が出来るということでしょうか?

そういうことかと思います。詳しい論文が何処かにあったはずです。
しかし非常に緩やかな加工で、普通の熱間加工とは大きくイメージが異なります。

>変態点以下の加熱でも塑性変形するのかということ

赤色から判断するに超えてます。しかし鉄の場合、変態点超えて軟化が始まるわけてではないから、決定的ではないでしょう。

樹脂、ガラスなんてのは、事象が違いすぎ。
両方にあるガラス転移点は普通の金属には存在しない。

石英ガラス、、、低線膨張係数の材料を探したところインバー、、、

勿論ありますが組合わせようがありません。とくに石英ガラス。
インバーもエリンバーもコバールも某分野で使い加工もしたが、安い易しいモノではありません。コバールはガラス封止のため線膨張率を一致させるよう開発された。

今あるモノ、加工法では不可能なものとか、コストを度外視した殊更な使い方をする理由がない限り創造する価値がありません。
口外無用ながら、目的をハッキリさせるべきです。

投稿日時 - 2012-06-12 10:35:00

お礼

ご回答有難うございます。

やはり、熱のみの力で塑性変形を起こすのは難しいのですね。

ぎょう鉄の話ですが、熱間加工を利用して塑性変形が出来るということでしょうか?
その場合、問題なのがやはり変態点以下の加熱でも塑性変形するのかということだと思います。

また、質問には記載していなかったので申し訳ないのですが、
熱を加えてる時の時間ごとの温度も測定したいと思っています。
その際、レーザー加熱のような微小な区域しか加熱できないものについては
熱電対で正確に測定できるのか課題が残ると思っております。

ご回答有難うございます。

鉄の場合、やはり降伏点が高いため
相当な温度を与えなければ塑性変形をしないと思います。
そのため、熱間加工でも
変態点以上の温度で加熱してると思われ
厳しいのではないかと思います。

投稿日時 - 2012-06-12 13:43:00

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