温度が材料の性能に与える影響：包括的な分析

温度に関する材料係数には、材料の機械的特性に関連するものと、熱伝導に関連するものの2種類がある。前者にはE、G、v、aなどの因子が含まれ、後者にはC（比熱容量）、ρ（密度）、k（熱伝導率）などが含まれる。

これらの係数は一定ではなく、温度によって変化する。しかし、温度が高くない場合は、その平均値を定数として扱うことが多い。しかし、温度が高くない場合には、その平均値は定数として扱われることが多い。温度が高い場合や変動が大きい場合には、温度による変化を考慮することが不可欠である。

1.弾性係数と温度の関係

金属の弾性率Eとせん断弾性率Gは温度の上昇とともに減少するが、ポアソン比vは温度によってほとんど変化しない。温度によるEとGの測定は、静的または動的に行うことができる。

静的手法では高温炉で荷重をかけて試験するのに対し、動的手法では振動や超音波パルスを利用する。

振動法では、高温の炉の中で試験試料に弾性振動を与え、周波数を測定して弾性定数を決定する。

超音波法では、試験サンプルに超音波を当て、波の伝搬速度を測定することでE、G、vを決定する。

2.熱係数と温度の関係

の熱係数である。 金属材料 は一般に温度と直線的な関係を示す。線膨張係数αは温度が上昇するにつれて直線的に増加する傾向があり、熱伝導率kは温度が上昇するにつれて減少し、比熱容量は温度が上昇するにつれて増加する。

実験試験によって測定された、熱係数と温度の関係を表す直線の傾きや曲率は、特定の材料の熱係数が温度によってどのように変化するかを明らかにする。

例えば、炭素鋼の熱係数の温度による変化は、様々なデータソースから得られた以下のグラフに示されている。

3.材料の熱疲労

延性材料は温度が上昇しても、応力が降伏点を超えてもすぐには破壊しない。しかし、応力レベルが低くても、大きな温度変化が繰り返されれば、最終的には疲労によって破壊され、亀裂が生じる。この現象を熱疲労という。

下図に示すように、両端を固定した試験棒を最高温度と最低温度の間で繰り返しヒートサイクルにかけることを考える。

実験開始時にロッドを最高温度で固定し、その後冷却して引張応力を発生させたとすると、OAFは応力変化線を表します。再加熱すると、応力-ひずみ曲線は、最初はOAに平行に下方に移動し、冷却サイクルの引張力よりも低い応力で降伏し、最終的には点Eに到達します。

最高温度でしばらく維持すると、応力緩和が起こり、圧縮応力が低下して点E'に達する。冷却が再開されると、応力はE'F'に沿って上昇し、最低温度でF'点に達する。

最低温度では圧力緩和が起こらないため、再加熱が始まると、曲線はF'E "に沿って下がり、最高温度で点E "に到達します。応力緩和により応力は減少し、点E"'に移動します。冷却が再開されると、曲線E"'F "に沿って下がり、最低温度で点F "に到達します。

この冷却と加熱のサイクルを繰り返すと、応力-ひずみ曲線は毎回ヒステリシスループを描き、それに伴う回復塑性ひずみが熱疲労の原因となる。熱サイクルの最高温度と最低温度、平均温度、最高温度での保持時間、繰り返し速度、材料の弾塑性特性はすべて、熱疲労に影響を与える要因です。

熱疲労の強度とは、1サイクルの塑性ひずみε_P と、故障に達するまでの繰り返し回数N。Manson-Coffinの経験式による：

ここで、εは_f は、熱サイクルの平均温度での静的引張試験における材料の破断点における伸びを示す。

前述の説明は、材料の一方向の熱応力疲労に関するものである。しかし、実際の構造物における熱疲労は多方向性であり、専門的な研究分野である。