ストレス緩和

材料科学において、応力緩和とは、構造物に生じるひずみに応じて観察される応力の減少です。これは主に、構造物を一定の時間にわたってひずんだ状態に維持することで、ある程度の塑性ひずみが生じるためです。これを、ひずみが増加する一方で応力が一定状態にあるクリープと混同しないでください。

緩和はストレス状態を緩和するため、機器の反応も緩和する効果があります。したがって、緩和はコールドスプリングと同じ効果がありますが、より長い期間にわたって発生します。発生する緩和の量は時間、温度、ストレス レベルの関数であるため、システムに対する実際の効果は正確にはわかりませんが、制限することはできます。

応力緩和は、ポリマーが一定のひずみ下で応力を緩和する仕組みを表します。ポリマーは粘弾性があるため、非線形で非フック的な挙動を示します。^[1]この非線形性は、応力緩和とクリープと呼ばれる現象の両方によって説明され 、クリープはポリマーが一定の応力下でどのように歪むかを表します。実験的には、応力緩和はステップひずみ実験、つまり突然の1回限りのひずみを適用し、材料内の応力の蓄積とその後の緩和を伸張レオロジーまたはせん断レオロジーのいずれかで測定することによって決定されます (図を参照) 。

粘弾性材料は、粘性材料と弾性材料の両方の特性を持ち、これらの特性を表す要素を組み合わせてモデル化できます。マクスウェル モデルと呼ばれる粘弾性モデルの 1 つは、バネ (弾性要素) とダッシュポット (粘性要素) を直列に並べた場合に似た動作を予測しますが、フォークト モデルはこれらの要素を並列に配置します。マクスウェル モデルは応力緩和の予測には優れていますが、クリープの予測にはあまり向いていません。一方、フォークト モデルはクリープの予測には優れていますが、応力緩和の予測にはあまり向いていません (粘弾性を参照)。

細胞外マトリックスとほとんどの組織はストレスを緩和し、ストレス緩和の動態は、埋め込まれた細胞の移動、増殖、分化に影響を与える重要な機械的シグナルとして認識されています。^[2]

応力緩和の計算は材料によって異なる場合があります。

一般化するために、オブホフは力の依存関係を使用します。^[3]

${\displaystyle \sigma (t)={\frac {\sigma _{0}}{1-[1-(t/t^{*})(1^{1-n})]}}}$

ここで、は荷重が除去された時点（t*）での最大応力であり、nは材料パラメータです。 ${\displaystyle \sigma _{0}}$

ヴェゲナーらは、ポリアミドの応力緩和を記述するためにべき級数を使用している：^[3]

${\displaystyle \sigma (t)=\sum _{m,n}^{}{A_{mn}[\ln(1+t)]^{m}(\epsilon '_{0})^{n}}}$

ガラス材料の応力緩和をモデル化するために、ダウバルターは以下を使用します。^[3]

${\displaystyle \sigma (t)={\frac {1}{b}}\cdot \log {\frac {10^{\alpha }(t-t_{n})+1}{10^{\alpha }(t-t_{n})-1}}}$ ここで、 は材料定数であり、bは処理条件によって異なります。 ${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle t_{n}}$

以下の非物質的パラメータはすべてポリマーの応力緩和に影響を与える：^[3]

• 初期荷重の大きさ
• 読み込み速度
• 温度（等温と非等温）
• 読み込みメディア
• 摩擦と摩耗
• 長期保管

• クリープ
• 粘弾性
• 標準線形ソリッドモデル
• ハンバーガーの材料
• マクスウェル材料
• ケルビン・フォークト材料

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