熱応力と熱変形が問題になる場面
機械・構造物が温度変化を受けると、材料は膨張・収縮します。この変形が拘束されると熱応力が発生し、場合によっては降伏・破断・疲労破壊につながります。熱問題が重要な設計分野として、エンジン・発電機・タービン（高温部品）・電子機器（基板・半導体）・化学プラント（高温高圧配管）・建築構造物（鉄橋の温度膨張）・溶接構造物などが挙げられます。設計段階で熱応力・熱変形を予測して対策を施すことが重要です。
線膨張係数と熱変形量の計算
熱膨張の基本式を説明します。熱変形量ΔL = α × L₀ × ΔT ※α：線膨張係数[1/℃]、L₀：初期長さ[m]、ΔT：温度変化[℃]。代表的な材料の線膨張係数（α×10⁻⁶/℃）：鉄鋼（約11〜13）、アルミニウム（約23〜24）、銅（約17）、チタン（約8〜9）、ガラス（約8〜9）。例えばL₀=1m・鉄鋼α=12×10⁻⁶・ΔT=100℃の場合：ΔL = 12×10⁻⁶ × 1 × 100 = 1.2mm。100℃の温度変化で1mあたり約1.2mmの伸びが生じることがわかります。長い配管・橋梁では膨張逃がし構造（伸縮継手・ローラー支持）が必須の理由です。
熱応力の発生メカニズムと計算
熱変形が拘束されたときの熱応力を説明します。両端が完全に固定された棒がΔT上昇した場合の熱応力σth：σth = α × E × ΔT（圧縮応力） ※E：ヤング率[Pa]。鉄鋼でΔT=100℃の場合：σth = 12×10⁻⁶ × 206×10⁹ × 100 ≈ 247MPa。これは鉄鋼の降伏応力（SS400で235MPa）に近い値であり、100℃の温度変化だけで降伏に至る可能性があることを示しています。現実の設計では完全拘束ではなく部分拘束のため実際の応力は小さくなりますが、熱荷重の設計への考慮は非常に重要です。
異種材料接合における熱応力問題
熱応力が特に問題になる「異種材料の接合部」について説明します。線膨張係数の異なる材料を接合（溶接・ロウ付け・接着・組み付け）した場合、温度変化によって各材料の伸縮量が異なり、接合部に熱応力が集中します。典型的な問題事例：①電子機器の基板（FR4）と半導体パッケージのはんだ接合部（熱サイクル疲労）②エンジンのアルミシリンダーと鋼製スタッドボルトの熱膨張差③セラミックライニングと鋼製容器の熱膨張差。対策として①線膨張係数が近い材料の選定②緩衝層（コンプライアンス層）の挿入③接合部の形状工夫（応力集中を減らす）④分割構造による変形の逃がし、などが行われます。熱応力設計は計算と材料知識の組み合わせが重要な設計分野です。
