熱応力|温度変化の膨張・縮小による材料内部に生じる応力

熱応力

熱応力とは温度変化によって膨張・縮小が繰り返される材料に対し、材料内部に生じる応力をいう。材料が拘束された状態において、温度上昇に伴い圧縮応力が、冷却に伴い引張応力が発生する。なお、材料の一部加熱などによって温度の不均一分布によって生じる応力もその熱応力の一つである。

温度の膨張

材料の温度が上昇していると、原子の振動の振幅が増えるために物体は膨張する。逆に冷えると縮む。

熱応力

両端を固定した鋼棒に生じる熱応力(σ)は、縦弾性係数(E)、線膨張係数(α)および温度変化(t₁-t₀)に比例する。熱応力は、材料の太さや長さには関係なく、材料の特性と温度変化によって決まり、横断面積に関係しない。

熱応力によるのび

熱応力の伸びは、次式で表される。

線膨張係数

線膨張係数とは、温度が1度変化するときのひずみの変化である。+(正)のとき引張応力が働き、-(負)のとき圧縮応力が働く。線膨張係数が同じ材料を使うと、相互に熱応力の影響がおきにくい。

線膨張係数(×10⁻⁶/K)
黄銅 18-23
ステンレス 17-18
鋳鉄 10-12
10-11
チタン 8.2
コンクリート 7-13
ガラス 9
石英ガラス 0.5

材料の選定

セラミックス金属など線膨張係数が大きく異なる材料を接合する場合は、それが原因で破壊にいたることがあり注意が必要である。