【材料力学】応力-ひずみ線図とは?【リチウムイオン電池の構造解析】(コピー)

材料力学】応力-ひずみ線図とは?【リチウムイオン電池の構造解析】

 

構造解析はあらゆるモノづくりの現場で利用されています。

 

構造解析を行う方法としては複雑なシミュレーションを行う場合はCAEを使用し、簡単に手計算で計算できるような場合は手計算を行います。

 

当サイトのメインテーマであるリチウムイオン電池においては、電池異常時に内圧が上昇した際のケースの変形や応力のシミュレーションする場合(大型の角型電池などにおいて)や異常時の安全弁の作動圧のシミュレーションをする場合などに使用します。

 

CAEを行うにしても、手計算を行うにしても材料力学の知識が必要であり、こちらのページでは材料の破断応力の考え方などの基礎となる応力-ひずみ曲線について解説しています。

 

・応力-ひずみ曲線(S-Nカーブ)とは?

 

・実際の応力-ひずみ線図は?リチウムイオン電池設計においてどのような場面で応力-ひずみ線図を使用する??

 

というテーマで解説しています。

 

 

応力-ひずみ曲線(S-Nカーブ)

材料力学において、弾性係数ポアソン比と同様に重要な用語として応力ーひずみ線図または応力ーひずみ曲線、S-N曲線というものがあります。

 

応力ーひずみ曲線とは、ある物体に対して引張のような応力をかけた際の物体のひずみと応力の関係を表した曲線のことで、縦軸に応力、横軸にひずみをとった以下のような図のことを指します(軟鋼の場合)。

 

(材料力学を習うと初期に解説される軟鋼の応力ーひずみ線図のイメージ例を以下に示します)

 

 

まず、ひずみが少ない領域では、応力は直線状、つまり比例関係で上昇していきます。

 

これは弾性係数のページにても解説させていただきましたが弾性係数E=σ/εの関係があるため、応力σとひずみεは比例関係となるわけです。

 

この直線状になる領域のことを弾性域と呼び、この範囲内でしたら力をかけるをやめると元に戻ります。

 

 

そして、力をさらに加え弾性域を超えますと塑性域つまり力をかけるをやめても元に戻らない領域に入ります。

 

特に弾性域の最大応力に達する点を上降伏点と呼び、引張試験を行っている際はこの点でバキっとした音が聞こえます。

 

そして、その後応力が若干さがって状態が続き下降伏店を過ぎるとさらに材料が破断に向かっていきます。

 

破断に向かう際に最大応力をとる場合があります(材料によっては上降伏点が最大応力となる場合もあります)。

 

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実際の応力-ひずみ線図は?リチウムイオン電池設計においてどのような場面で応力-ひずみ線図を使用する??

 

上にて最も有名な応力-ひずみ線図である軟鋼の例を記載しましたが、実際のところは綺麗な直線の弾性域が見えない場合が多いです。

 

当サイトのメインテーマでもあるリチウムイオン電池関連では、タブリード周辺のシール部の応力を測定する場合や電極の剥離強度を測定する場合、組電池作製時バスバーと電池端子のレーザー溶接時の強度を測定するために引張試験を行う時にこの応力-ひずみ線図を見かけます。

 

このような実際の測定条件では、上に記載のような綺麗な直線の弾性域が見えない場合が多く、その最大の引張応力を参考値としている場合が多いです。

 

また、一般的な金属材料、例えばアルミや銅、ステンレスなどの応力-ひずみ線図も直線の弾性域が見えずに滑らかな変形をしていくことが知られています。

 

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