とあるのんきな昼下がり・・・

あるる「博士ぇ～、コーヒーはいりました～」
博士「おお、あるる。いつもありがとう」
あるる「いえいえ。博士は砂糖とミルクでしたよね。両方ともたっぷり…」
博士「そうそう、特に砂糖は多めに…♪　苦いのは苦手じゃ」
あるる「子供みたいですね。今日のミルクはこれにしました～。ジャーン！」
博士「おお、クリープ！」
あるる「クリープを入れないコーヒーなんて・・・ってコマーシャルがあったんですって？」
博士「懐かしいのぅ。よく知ってるのぅ」
あるる「おじいちゃんい教えてもらいました」
博士「よく溶けるのぅ～。さすがはクリーミーなパウダーじゃ。ところであるる。クリープは金属にも関係があることを知っておるかな？」
あるる「え？金属に？　クリープ？　え？え？どういうこと？」
博士「あはは。想像つかんのもムリはないのぅ」
あるる「もう、気になってコーヒーが飲めなくなりそうですよ。言いたいんでしょ、博士？　早く教えてください！」


金属は常温においてはそこにかける荷重（応力）が弾性限以下であれば、その変形量が時間の経過で変化することはありません。

しかし高温下となると、弾性限以下の応力であっても長時間加え続けることで変形量が増大し、引張り強さより低い応力で破壊に至ることもあります。

これを「クリープ現象」と言います。

 

Q&A　vol.2　「アルミフレームは何度くらいまで高温に耐えられますか？」

今月のまめ知識 第5回　「強さって何？」

の中にも出ていますが、今回はこの「クリープ現象」についてもう少し詳しくお話しします。

 

クリープ(creep)とは、「這う、忍び寄る」などといった意味で、まさにじわじわと気付かぬうちに起こる現象です。
クリープ変形には3つの段階があります。

○1次クリープ
遷移クリープとも呼ばれ、変形初期で急激にひずんだ後、ひずみ速度が時間とともに小さくなりクリープ曲線の勾配が緩やかになります。

○2次クリープ
定常クリープとも呼ばれ、ひずみ速度は一定になりクリープ曲線の勾配は一定になります。

○3次クリープ
加速クリープとも呼ばれ、急激にひずみが進行し破断にいたります。

 

 



 

このクリープ曲線は、温度が一定でも荷重が大きくなれば勾配は急になり、荷重が一定でも温度が高くなれば勾配が急になります。金属の場合、一般的には絶対温度(K)での融点の約1/2以上でその影響があると言われています。

鉄だと(1536+273)/2＝904.5(K) → 631.5℃程度ですが、アルミニウムの場合は注意が必要です。同様に計算すると

(660+273)/2＝466.5(K) → 193.5℃

となりますが、実は100℃を越えたあたりから目立った影響があります。

 

（出典：「アルミニウムハンドブック」第6版）

このクリープ強さは、0.1%/1000hを例に説明すると、

1000時間経過後の変形は

50℃では耐力の85%程度(147/173)の応力で0.1%の変形

100℃では耐力の70%程度(119/173)の応力で0.1％の変形

150℃では耐力の34%程度(59/173)の応力で0.1%の変形

（0.1％の変形というのは1mの棒に重りをぶら下げていたとすれば1mm伸びたということ）

これはあくまでアルミフレーム自体がその温度になった場合です。

 

高温の環境内に置かれる場合や、広い面積で高温のものに接触している場合には慎重な検討が必要ですが、熱源に非接触の場合には多くの場合、あまり心配する必要はありません。

なお、樹脂材料では常温でもこのクリープ現象が起こります。樹脂ケースなどの上に重量物を置いておくと長時間経過後に変形していることで理解できると思います。金属では余程の高温構造物でない限りはあまり気にする必要はありませんが、

・一般的な金属では融点(K)の1/2以上

・アルミニウムでは100℃以上

・樹脂では常温から

クリープ現象があることを知っておけばよいでしょう。

 

博士「どうじゃ、あるる。クリープはコーヒーだけじゃないことがわかったかの？」

あるる「はい！よくわかりました。しかも3次クリープまであるなんて・・・（にやっ）」

博士「あるるよ、なにを笑っているのじゃ？」

あるる「いえ、やっぱり3時のおやつにはクリープだなと（笑）」

博士「なんじゃ、そのオヤジギャクは」

あるる「博士とずっと一緒にいるから、知らない間に移っちゃったみたいです。これもひとつのクリープ現象なんでしょうか？知らない間に忍びよる・・・」

博士「ふぉっほっほ。うまいこと言うのぅ。山田くん、座布団一枚じゃ！」

あるる「座布団って・・・。博士、笑点の見過ぎですよ！」