JP2017161265A - Apparatus and method for deriving material parameter of single crystal material - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To quantitatively and accurately derive a material parameter expressing the degree of slipping of a single crystal material.SOLUTION: An apparatus for deriving a material parameter of a single crystal material includes: a test unit 12 that performs a material test in which a single crystal material is plastically deformed and slipped; stress distortion calculation means 23 that calculates a stress-distortion curve from the data on the amount of deformation and the deformation load at the test; stress distortion calculation means 24 that assumes a plurality of candidate values of the material parameter expressing the degree of the slipping of the single crystal material, and analyzes and calculates the stress-distortion curve for each of the plurality of candidate values; comparison and determination means 25 that compares the stress-distortion curve obtained by the stress-distortion calculation means 23 and the stress-distortion curve obtained by the stress distortion calculation means 24 based on the analysis; and material parameter decision means 26 that decides the candidate value where the stress-distortion curves coincide, as the value of the material parameter expressing the degree of the slipping of the single crystal material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータを導出する材料パラメータ導出装置及び材料パラメータ導出方法に関する。   The present invention relates to a material parameter deriving apparatus and a material parameter deriving method for deriving a material parameter representing the degree of slip deformation of a single crystal material.

プレス成形、曲げ加工、ハイドロフォーミング等の板材や管材の成形において、様々な成形不良現象が考えられる。成形不良の中でも、破断としわは代表的な不良現象である。成形不良率の低い安定した量産の実現のためには、量産開始以前に、これらを未然に防止することが必要となる。例えば、板材料のプレス成形では、量産開始前にプレス成形金型や成形条件を適正化することにより、プレス成形品の破断や座屈現象を防止することが試みられる。このような対策は、最終的には、例えば、量産設備にプレス成形金型を設置し、実際にプレス成形の試験を実施し、その試験材の成形品の品質を評価しながら、プレス成形金型や成形条件を適正化することによって施される。   Various molding defects can be considered in the molding of plate materials and pipe materials such as press molding, bending, and hydroforming. Among molding defects, breakage and wrinkles are typical defect phenomena. In order to realize stable mass production with a low molding defect rate, it is necessary to prevent them before mass production is started. For example, in press molding of a plate material, attempts are made to prevent breakage and buckling of a press-molded product by optimizing a press mold and molding conditions before mass production is started. Ultimately, for example, a press mold is installed in a mass production facility, a press molding test is performed, and the quality of the molded product of the test material is evaluated. It is given by optimizing the mold and molding conditions.

しかしながら、試験時点での金型品質、或いは試験を実施する者の技能によっては、試験にかかる時間、労力が多大となってしまい、コストアップ、又は量産開始時期の遅延につながってしまう場合がある。このような事態を改善するため、例えば、有限要素法等の成形の数値シミュレーションを用いて、プレス成形の試験前、更には金型製作前に、破断や座屈等の不良の発生を、コンピュータ上で事前に予測する、更には、それらの不良への対策を検討し、金型製作、改良に反映する、或いは成形条件に反映する等の対策がとられるようになってきている。   However, depending on the quality of the mold at the time of the test or the skill of the person who performs the test, the time and labor required for the test may become enormous, leading to an increase in cost or a delay in the start of mass production. . In order to improve such a situation, for example, by using numerical simulation of molding such as finite element method, the occurrence of defects such as breakage and buckling before the press molding test, and further before the mold production, Predicting in advance above, and measures for these defects are being studied, and measures such as reflecting in mold manufacturing and improvement, or reflecting in molding conditions are being taken.

現状の成形シミュレーションにおいては、材料の変形特性を材料パラメータとして入力する必要があり、一般にその特性は材料の引張り試験によって測定される。しかしながら、現状の成形シミュレーションは現象論モデルであることから、材料の結晶情報である集合組織を考慮した解析は行うことができない。   In the current molding simulation, it is necessary to input a deformation characteristic of a material as a material parameter, and the characteristic is generally measured by a tensile test of the material. However, since the current forming simulation is a phenomenological model, it is not possible to perform analysis in consideration of the texture that is the crystal information of the material.

これに対して、結晶塑性モデルは、集合組織を考慮した材料モデルとして良く知られている。結晶塑性モデルは単結晶体のすべり変形をもとに多結晶体のすべりを定義した理論であり、理論の詳細は非特許文献１等に示されている。理論の枠組みとしては、図１に示すように、マクロな外力１から各すべり系ごとのすべり力２を求め、それに対するすべり抵抗３の大小によって、各すべり系のすべり発生が評価される。その後のすべり抵抗ｈの発展式は、一般的には式（１）のように、転位の蓄積によって増加すると仮定される。
ｈ＝ｈ０＊（（ｈ０＊Ｓ）／（τ０＊Ｎ）＋１）^（Ｎ−１） （１）
ここで、ｈ０：初期硬化率、Ｓ：すべり量、τ０：臨界せん断応力、Ｎ：加工硬化指数である。 On the other hand, the crystal plasticity model is well known as a material model considering a texture. The crystal plasticity model is a theory that defines the slip of a polycrystal based on the slip deformation of a single crystal, and details of the theory are shown in Non-Patent Document 1 and the like. As a theoretical framework, as shown in FIG. 1, a slip force 2 for each slip system is obtained from a macro external force 1, and the occurrence of slip in each slip system is evaluated based on the magnitude of the slip resistance 3 corresponding thereto. The subsequent development equation of the slip resistance h is generally assumed to increase due to the accumulation of dislocations as shown in Equation (1).
h = h0 * ((h0 * S) / (τ0 * N) +1) ^ (N-1) (1)
Here, h0: initial hardening rate, S: slip amount, τ0: critical shear stress, N: work hardening index.

そのため、結晶塑性モデルのすべり変形は、すべり系内の転位の状態を考慮した現象であることから、多結晶体を用いた引張試験から得られる、ＹＳ（降伏応力）、ＴＳ（引張強さ）、ＥＬ（伸び）、ｎ値（加工硬化係数）、ｒ値（ランクフォード値）のような一般的な機械特性値などから、材料パラメータを決定することはできない。   Therefore, the slip deformation in the crystal plasticity model is a phenomenon that takes into account the state of dislocations in the slip system, so YS (yield stress) and TS (tensile strength) obtained from tensile tests using polycrystals. The material parameters cannot be determined from general mechanical property values such as EL (elongation), n value (work hardening coefficient), and r value (Rankford value).

また、非特許文献２には、式（１）以外のすべり抵抗の発展式が提案されている。その式には仮定した材料パラメータのもとでの結果が開示されているものの、材料パラメータの同定方法に関する記述がない。   Further, Non-Patent Document 2 proposes an advanced equation for slip resistance other than Equation (1). Although the equation discloses the results under the assumed material parameters, there is no description regarding the identification method of the material parameters.

また、非特許文献３には、式（１）の材料パラメータを同定するために、多結晶材の引張り試験を用いた同定手法が開示されている。ところが、上述のように、式（１）は塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの定義式に相当するため、直接的に材料パラメータを精度良く定めることはできない。   Non-Patent Document 3 discloses an identification method using a tensile test of a polycrystalline material in order to identify the material parameter of the formula (1). However, as described above, equation (1) corresponds to a material parameter definition equation that represents the degree of slip deformation of plastic deformation, and thus the material parameter cannot be determined directly with high accuracy.

黒田充紀、他１名「結晶塑性の理論と応用−結晶の大変形から転位蓄積まで−」、塑性と加工、日本塑性加工学会、２００２年、第４３巻、第４９５号、ｐ２９９−３０９Mitsunori Kuroda, 1 other "Theory and Application of Crystal Plasticity-From Large Crystal Deformation to Dislocation Accumulation-", Plasticity and Processing, Japan Society for Technology of Plasticity, 2002, Vol. 43, No. 495, p299-309 Robert J. Asaro「Micromechanicsof Crystals and Polycrystals」、ADVANCES IN APPLIEDMECHANICS、１９８３年、第２３巻、ｐ６３−６４Robert J. Asaro “Micromechanics of Crystals and Polycrystals”, ADVANCES IN APPLIEDMECHANICS, 1983, Vol. 23, p63-64 仲町英治、他６名「自動車用板材の塑性特性評価のためのEBSD・結晶均質化有限要素解析」、日本機械学会論文集（Ａ編）、２００８年、７４巻、７３９号、ｐ５２Eiji Nakamachi, 6 others "EBSD / crystal homogenization finite element analysis for plastic property evaluation of automotive plate materials", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (A), 2008, 74, 739, p52

このように、非特許文献１〜３に開示された従来の技術では、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータを定めることが困難であった。   As described above, in the conventional techniques disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3, it is difficult to determine a material parameter indicating the degree of slip deformation of plastic deformation.

以上のような結晶塑性モデルによるすべり変形の評価技術を確立するためには、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータ、例えば式（１）で定義される材料パラメータを高精度に定める必要がある。又、このすべり変形の程度を表す材料パラメータは、材料の加工硬化特性のみならず、破断現象や座屈現象にも密接に関係すると考えられ、材料の成形における問題を検討する上で、重要な材料パラメータであるといえる。   In order to establish the slip deformation evaluation technique based on the crystal plasticity model as described above, it is necessary to accurately determine material parameters indicating the degree of slip deformation in a single crystal material, for example, the material parameters defined by Equation (1). There is. In addition, the material parameter indicating the degree of slip deformation is considered to be closely related not only to the work-hardening characteristics of the material but also to the fracture phenomenon and the buckling phenomenon. It can be said that it is a material parameter.

上記問題を鑑み、本発明は、一般的な多結晶体を用いた引張試験から得られる、ＹＳ、ＴＳ、ＥＬ、ｎ値、ｒ値のような一般的な機械特性値などから同定することが困難な、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータを定量的に精度良く導出することが可能な材料パラメータ導出装置及び材料パラメータ導出方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention can be identified from general mechanical property values such as YS, TS, EL, n value, and r value obtained from a tensile test using a general polycrystal. It is an object of the present invention to provide a material parameter deriving apparatus and a material parameter deriving method capable of quantitatively and accurately deriving difficult material parameters representing the degree of slip deformation in a single crystal material.

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、
（イ）単結晶材に対し、塑性変形を与え、すべり変形を発生させる材料試験を行う試験ユニットと、
（ロ）この試験時の変形量と変形荷重のデータから応力−ひずみ曲線を算出する応力ひずみ演算手段と、
（ハ）単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を複数個仮定し、複数個の候補値に対して、それぞれ応力−ひずみ曲線を算出する、解析による応力ひずみ算出手段と、
（ニ）前記応力ひずみ演算手段で求めた応力−ひずみ曲線と、前記複数個の候補値に対して前記解析による応力ひずみ算出手段で求めた応力−ひずみ曲線とを比較する比較判定手段と、
（ホ）それらが一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する材料パラメータ決定手段とを備える、単結晶材の材料パラメータ導出装置であることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention provides:
(A) a test unit for conducting a material test that gives plastic deformation to a single crystal material and generates slip deformation;
(B) Stress-strain calculation means for calculating a stress-strain curve from the deformation amount and deformation load data during the test,
(C) assuming a plurality of material parameter candidate values representing the degree of slip deformation of the single crystal material, and calculating a stress-strain curve for each of the plurality of candidate values;
(D) a comparison / determination unit that compares the stress-strain curve obtained by the stress-strain calculation unit and the stress-strain curve obtained by the stress-strain calculation unit by the analysis for the plurality of candidate values;
(E) a material parameter derivation device for a single crystal material, comprising material parameter determination means for determining a candidate value that gives a stress-strain curve with which they match as a material parameter value representing the degree of slip deformation in the single crystal material It is a summary.

また、本発明の第２の態様は、試験ユニットで、単結晶材に対し、塑性変形を与え、すべり変形を発生させる材料試験を行い、該試験ユニットから得られた試験時の変形量と変形荷重のデータから応力−ひずみ曲線を算出し、さらに、単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を複数個仮定し、複数個の候補値に対して、それぞれ応力−ひずみ曲線を算出し、前記試験ユニットから得られたデータから算出した前記応力−ひずみ曲線と、前記複数個の候補値に対して求めた応力−ひずみ曲線とを比較し、それらが一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する、単結晶材の材料パラメータ導出方法である。   In addition, the second aspect of the present invention is a test unit in which a single crystal material is subjected to a material test that causes plastic deformation and slip deformation, and the amount of deformation and deformation at the time of the test obtained from the test unit. A stress-strain curve is calculated from the load data. Further, a plurality of candidate values of material parameters representing the degree of slip deformation of the single crystal material are assumed, and a stress-strain curve is obtained for each of the plurality of candidate values. The stress-strain curve calculated from the data obtained from the test unit is compared with the stress-strain curves obtained for the plurality of candidate values, and the stress-strain curves that match are calculated. This is a method for deriving a material parameter of a single crystal material, in which a candidate value to be given is determined as a material parameter value representing the degree of slip deformation in the single crystal material.

本発明によれば、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータを定量的に精度良く導出することが可能な材料パラメータ導出装置及び材料パラメータ導出方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the material parameter derivation | leading-out apparatus and material parameter derivation | leading-out method which can derive | lead-out the material parameter showing the grade of the slip deformation of a plastic deformation quantitatively accurately can be provided.

結晶塑性モデルの理論の概要を模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates the outline | summary of the theory of a crystal plasticity model typically. 本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出装置の主要部の概略を模式的に説明するブロック図である。It is a block diagram which illustrates typically the outline of the principal part of the material parameter derivation device concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出方法の概略を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the outline of the material parameter derivation method concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出装置の試験ユニットに用いる矩形状の試験片の変形前後の状態を説明する上面図である。It is a top view explaining the state before and behind a deformation | transformation of the rectangular-shaped test piece used for the test unit of the material parameter derivation device concerning an embodiment of the invention. 試験時のデータから演算されたせん断応力−せん断ひずみ曲線の例である。It is an example of the shear stress-shear strain curve computed from the data at the time of a test. 比較判定手段で判断されたせん断応力−せん断ひずみ曲線の例である。It is an example of the shear stress-shear strain curve judged by the comparison judgment means.

はじめに、本発明の基本原理を説明する。塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータは、構成式に含まれる材料パラメータとして定義されている。例えば、前述の式（１）で定義される材料パラメータは単結晶体のすべり系におけるすべり抵抗であり、言い換えると、転位の活動状態を表現する特性値でもある。しかしながら、すべり抵抗を直接測定することは困難であるため、式（１）に示すモデルの材料パラメータを算出することは困難である。   First, the basic principle of the present invention will be described. A material parameter representing the degree of slip deformation of plastic deformation is defined as a material parameter included in the constitutive equation. For example, the material parameter defined by the above-described equation (1) is a slip resistance in a slip system of a single crystal, in other words, a characteristic value expressing an active state of dislocation. However, since it is difficult to directly measure the slip resistance, it is difficult to calculate the material parameter of the model shown in the equation (1).

そこで、本発明では、実験的に測定可能である単結晶材を利用した材料パラメータの導出方法に着眼した。また、式（１）のすべり抵抗式を用いて、同条件での有限要素法を用いた結晶塑性解析により材料パラメータの候補値を予め求めておき、実験による応力ひずみ挙動と比較することにより、最も近い挙動となる候補値を、求める材料パラメータとして採用すれば良いことを知見した。式（１）はすべり抵抗式として代表的なモデルを示したが、本発明は他のモデルにおいても問題なく材料パラメータを導出することができることも知見した。   Therefore, the present invention focuses on a method for deriving material parameters using a single crystal material that can be measured experimentally. In addition, by using the slip resistance equation of the equation (1), a candidate value of a material parameter is obtained in advance by crystal plasticity analysis using a finite element method under the same conditions, and compared with an experimental stress strain behavior, It has been found that the candidate value that gives the closest behavior may be adopted as the desired material parameter. Although equation (1) shows a typical model as a slip resistance equation, it has also been found that the present invention can derive material parameters without problems even in other models.

材料パラメータ導出のための材料試験は、純粋なすべり変形を発生させ、板厚方向の変形が起こらず、結晶回転の影響がなく純粋なすべり変形が測定できるせん断試験によれば良い。また材料試験は、引張り試験や圧縮試験においても、材料のすべり変形の程度を表す材料パラメータが求められることも知見した。   The material test for deriving the material parameters may be a shear test that generates pure slip deformation, does not cause deformation in the plate thickness direction, and is capable of measuring pure slip deformation without the influence of crystal rotation. It was also found that the material test requires a material parameter indicating the degree of slip deformation of the material in the tensile test and the compression test.

次に、図面を参照して、上記の基本原理を適用した本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出装置及び材料パラメータ導出方法を説明する。以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。   Next, a material parameter deriving device and a material parameter deriving method according to an embodiment of the present invention to which the above basic principle is applied will be described with reference to the drawings. The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.

〈材料パラメータ導出装置〉
図２に示すように、本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出装置１１は、単結晶材に対して、塑性変形を与え、成形試験を行う試験ユニット１２と、試験ユニット１２によって得られた変形および荷重データを用いて応力−ひずみ曲線を算出する演算・制御部（ＣＰＵ）１３とを備える。演算・制御部（ＣＰＵ）１３は、変形履歴取得手段２１と、荷重履歴取得手段２２と、応力ひずみ演算手段２３と、解析による応力ひずみ算出手段２４と、比較判定手段２５と、材料パラメータ決定手段２６とを備える。変形履歴取得手段２１は、試験ユニット１２を駆動して、予め特定の画像パターンを付与した単結晶材の変形部の変形履歴画像を取得する。荷重履歴取得手段２２は、試験ユニット１２が取得した単結晶材の荷重履歴を取得する。応力ひずみ演算手段２３は、取得した荷重履歴および変形履歴を応力−ひずみ曲線に変換する。解析による応力ひずみ算出手段２４は、成形試験と同一の条件の有限要素法と結晶塑性モデルを用いて、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を離散的に複数個仮定し、それぞれの候補値に対して、応力−ひずみ曲線を計算し、応力−ひずみ曲線のデータを算出する。比較判定手段２５は、応力ひずみ演算手段２３から算出された応力−ひずみ曲線と、複数個の候補値から解析による応力ひずみ算出手段２４で求めた応力−ひずみ曲線とを比較する。材料パラメータ決定手段２６は、それぞれが一致する応力−ひずみ曲線を与える材料パラメータの候補値を、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する。 <Material parameter deriving device>
As shown in FIG. 2, the material parameter deriving device 11 according to the embodiment of the present invention is obtained by a test unit 12 that applies plastic deformation to a single crystal material and performs a forming test, and the test unit 12. An arithmetic / control unit (CPU) 13 that calculates a stress-strain curve using deformation and load data is provided. The calculation / control unit (CPU) 13 includes a deformation history acquisition unit 21, a load history acquisition unit 22, a stress strain calculation unit 23, a stress strain calculation unit 24 by analysis, a comparison determination unit 25, and a material parameter determination unit. 26. The deformation history acquisition means 21 drives the test unit 12 to acquire a deformation history image of the deformed portion of the single crystal material to which a specific image pattern has been applied in advance. The load history acquisition unit 22 acquires the load history of the single crystal material acquired by the test unit 12. The stress strain calculation means 23 converts the acquired load history and deformation history into a stress-strain curve. The stress-strain calculation means 24 by analysis assumes a plurality of discrete candidate values of material parameters representing the degree of slip deformation of plastic deformation using a finite element method and a crystal plasticity model under the same conditions as the molding test, A stress-strain curve is calculated for each candidate value, and data of the stress-strain curve is calculated. The comparison determination unit 25 compares the stress-strain curve calculated from the stress-strain calculation unit 23 with the stress-strain curve obtained by the stress-strain calculation unit 24 by analysis from a plurality of candidate values. The material parameter determination means 26 determines the candidate values of the material parameters that give the matching stress-strain curves as the values of the material parameters representing the degree of slip deformation in the single crystal material.

単結晶材に対して塑性変形を与えるため、試験ユニット１２には、例えばせん断試験機からなる力学的駆動部３１が設けられている。力学的駆動部３１は、一定のステップで逐次負荷を増大させる。さらに試験ユニット１２には、ＣＣＤ等のカメラ３２が備えられ、カメラ３２は、試験中の変形履歴画像を、逐次連続的に撮影する。試験中の変形履歴画像を逐次連続的に撮影するため、カメラ３２には撮像制御回路３３が接続されている。力学的駆動部３１及び撮像制御回路３３には、タイミング制御回路３４が接続され、タイミング制御回路３４は、試験ユニット１２の負荷のステップ状の増大と同期して、撮像制御回路３３を駆動し、カメラ３２により、成形中の変形履歴画像を、逐次、連続撮影し、一定の時間ステップで区切られた時系列のデータとして複数枚の変形履歴画像を取得する。変形履歴取得手段２１が設定する変形履歴画像の取得のタイミング間隔は、求める塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの値の必要桁数が得られるだけ十分細かく設定すれば良い。   In order to give plastic deformation to the single crystal material, the test unit 12 is provided with a mechanical drive unit 31 composed of, for example, a shear tester. The dynamic drive unit 31 sequentially increases the load in a certain step. Further, the test unit 12 is provided with a camera 32 such as a CCD, and the camera 32 sequentially and continuously captures a deformation history image under test. An imaging control circuit 33 is connected to the camera 32 in order to sequentially and sequentially shoot the deformation history images under test. A timing control circuit 34 is connected to the mechanical drive unit 31 and the imaging control circuit 33, and the timing control circuit 34 drives the imaging control circuit 33 in synchronization with the stepwise increase in the load of the test unit 12, The camera 32 sequentially and continuously shoots the deformation history images being molded, and obtains a plurality of deformation history images as time-series data separated by a certain time step. The timing interval for acquiring the deformation history image set by the deformation history acquiring means 21 may be set sufficiently fine so as to obtain the necessary number of digits of the material parameter value indicating the degree of slip deformation of the plastic deformation to be obtained.

更に、図２に示すように、本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出装置１１は、操作者からのデータや命令などの入力を受け付ける入力装置１４と、ＣＰＵ１３が演算した演算結果等を出力する出力装置１５及び表示装置１６と、ＣＰＵ１３の演算に必要な所定のデータなどを格納したデータ記憶部１７と、ＣＰＵ１３の演算に必要なプログラムなどを格納したプログラム記憶部１８とを備える。   Further, as shown in FIG. 2, the material parameter deriving device 11 according to the embodiment of the present invention outputs an input device 14 that receives input of data, commands, etc. from the operator, and a calculation result calculated by the CPU 13. Output device 15 and display device 16, a data storage unit 17 that stores predetermined data necessary for the calculation of the CPU 13, and a program storage unit 18 that stores a program necessary for the calculation of the CPU 13.

ＣＰＵ１３の変形履歴取得手段２１は、力学的駆動部３１を介して試験ユニット１２を駆動し、逐次、比例負荷を増大して塑性変形試験を行う。このとき、変形履歴取得手段２１は、タイミング制御回路３４により、比例負荷のステップ状の増大と同期するように撮像制御回路３３を駆動し、カメラ３２により、成形中の変形履歴画像を、逐次連続的に撮影する。荷重履歴取得手段２２は、力学的駆動部３１に備えられたロードセルから得た荷重履歴を、単結晶材に対する負荷の増大ステップ毎に保存する。   The deformation history acquisition means 21 of the CPU 13 drives the test unit 12 via the mechanical drive unit 31 and sequentially performs a plastic deformation test by increasing the proportional load. At this time, the deformation history acquisition means 21 drives the imaging control circuit 33 by the timing control circuit 34 so as to synchronize with the stepwise increase of the proportional load, and the camera 32 sequentially and continuously converts the deformation history images being formed. Take a picture. The load history acquisition unit 22 stores the load history obtained from the load cell provided in the mechanical drive unit 31 for each step of increasing the load on the single crystal material.

応力ひずみ演算手段２３は、カメラ３２が時系列に沿って一定の時間毎に撮影した変形履歴画像を、単結晶材に対する負荷の増大ステップ毎（成形深さ毎）に画像解析してひずみγを算出し、荷重履歴取得手段２２に保存された荷重履歴をもとに応力τを算出し、それぞれを時系列に沿って逐次算出する。例えば、せん断試験の場合には、ＣＰＵ１３のひずみ演算は以下の式によって行われる。
γ＝θ／２ （２）
τ＝Ｆ／（Ｌ×ｔ） （３）
ここで、θはせん断角度、Ｆはせん断荷重、Ｌは試験片長さ、ｔは板厚である。 The stress-strain calculation means 23 analyzes the deformation history image photographed by the camera 32 at regular intervals along the time series at every load increase step (for each forming depth) on the single crystal material, and calculates the strain γ. The stress τ is calculated based on the load history stored in the load history acquisition means 22 and is sequentially calculated along a time series. For example, in the case of a shear test, the strain calculation of the CPU 13 is performed by the following equation.
γ = θ / 2 (2)
τ = F / (L × t) (3)
Here, θ is the shear angle, F is the shear load, L is the length of the test piece, and t is the plate thickness.

ＣＰＵ１３の比較判定手段２５は、データ記憶部１７から応力−ひずみ曲線のデータを読み出し、プロットされた応力−ひずみ曲線と、計算された応力−ひずみ曲線とを比較する。   The comparison determination unit 25 of the CPU 13 reads the stress-strain curve data from the data storage unit 17, and compares the plotted stress-strain curve with the calculated stress-strain curve.

ＣＰＵ１３の材料パラメータ決定手段２６は、プロットされた応力−ひずみ曲線と一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する。   The material parameter determining means 26 of the CPU 13 determines a candidate value that gives a stress-strain curve that matches the plotted stress-strain curve as a value of the material parameter that represents the degree of slip deformation of plastic deformation.

図２において、出力装置１５及び表示装置１６は、それぞれプリンタ装置及びディスプレイ装置等により構成されている。表示装置１６は入出力データ、画像解析データ、変形履歴画像のデータやそれらの演算途中のデータや演算結果や解析パラメータを表示することが可能である。更に、表示装置１６に、応力−ひずみ曲線を表示するようにしても良い。又、複数の応力−ひずみ曲線を表示し、成形試験の応力−ひずみ曲線のデータと一致する特定の応力−ひずみ曲線を強調表示するようにしても良い。   In FIG. 2, the output device 15 and the display device 16 are configured by a printer device, a display device, and the like, respectively. The display device 16 can display input / output data, image analysis data, deformation history image data, data during the calculation, calculation results, and analysis parameters. Further, a stress-strain curve may be displayed on the display device 16. Further, a plurality of stress-strain curves may be displayed, and a specific stress-strain curve that matches the stress-strain curve data of the molding test may be highlighted.

入力装置１４はキーボード、マウス、ライトペン又はフレキシブルディスク装置などで構成される。入力装置１４を用いて、オペレータ（材料パラメータ導出実行者）は、入出力データを指定しても良く、試験板に対する負荷の増大ステップ値、材料パラメータの候補値の刻み幅や許容誤差の値及び誤差の程度を設定できる。又、表示装置１６に応力−ひずみ曲線を表示し、この画面中に表示された成形試験と解析による応力−ひずみ曲線とを、オペレータが目視により逐次比較して、一致する特定の応力−ひずみ曲線をマウス又はライトペン等で指定するような入力操作を行っても良い。更に、入力装置１４より出力データの形態等の解析パラメータを設定することも可能で、又、演算の実行や中止等の指示の入力も可能である。   The input device 14 includes a keyboard, a mouse, a light pen, a flexible disk device, or the like. Using the input device 14, the operator (material parameter derivation executor) may designate input / output data, such as an increase step value of the load on the test plate, a step size of a candidate value of the material parameter, a tolerance value, The degree of error can be set. In addition, a stress-strain curve is displayed on the display device 16, and the operator compares the stress-strain curve obtained by the molding test and analysis displayed on the screen with the naked eye. An input operation may be performed such that a mouse or a light pen is designated. Furthermore, it is possible to set analysis parameters such as the form of output data from the input device 14, and it is also possible to input an instruction to execute or stop the calculation.

データ記憶部１７は、応力−ひずみ曲線のデータを記憶するように構成しているので、データ記憶部１７は入出力データ、画像解析パラメータ、変形履歴画像のデータやそれらの演算途中のデータ等を記憶する。但し、データ記憶部１７を省略し、プログラム記憶部１８が、応力−ひずみ曲線のデータも記憶するような構成にしても良いことは勿論である。   Since the data storage unit 17 is configured to store data on stress-strain curves, the data storage unit 17 stores input / output data, image analysis parameters, deformation history image data, data in the middle of their calculation, and the like. Remember. However, it goes without saying that the data storage unit 17 may be omitted and the program storage unit 18 may also store data on stress-strain curves.

〈材料パラメータ導出方法〉
以下、図３のフローチャートを用いて、図２に示した材料パラメータ導出装置１１を用いて実施する、本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出方法を説明する。なお、図２に示した材料パラメータ導出装置１１において、予め、ＣＰＵ１３の算出手段が、式（１）に示した結晶塑性モデルを用いて、同一の成形解析の条件の有限要素解析により、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を、離散的に複数個仮定し、それぞれの候補値に対応して、応力−ひずみ曲線をそれぞれ計算し、複数の応力−ひずみ曲線のデータをデータ記憶部１７に記憶するものとする。 <Material parameter derivation method>
Hereinafter, the material parameter deriving method according to the embodiment of the present invention, which is performed using the material parameter deriving device 11 illustrated in FIG. 2, will be described using the flowchart of FIG. 3. In the material parameter deriving device 11 shown in FIG. 2, the calculation means of the CPU 13 uses the crystal plasticity model shown in the equation (1) in advance to perform plastic deformation by finite element analysis under the same molding analysis conditions. Assuming that a plurality of material parameter candidate values representing the degree of slip deformation are discretely assumed, a stress-strain curve is calculated corresponding to each candidate value, and data of a plurality of stress-strain curves is obtained as data. It is assumed to be stored in the storage unit 17.

先ず、予め、図４に示したように、ひずみ測定用のパターンを単結晶材からなる試験片４１に付与しておく。図４中の符号４２は変形領域を示す。図４に示したように、ひずみ測定用のパターンは、レーザマーキングやマーカーを用いて、試験片４１の表面に転写する。転写する形状は、必ずしも図４に示したような直線である必要はなく、ドットや四角、丸形状でも構わない。   First, as shown in FIG. 4, a pattern for strain measurement is applied in advance to a test piece 41 made of a single crystal material. The code | symbol 42 in FIG. 4 shows a deformation | transformation area | region. As shown in FIG. 4, the strain measurement pattern is transferred onto the surface of the test piece 41 using laser marking or a marker. The shape to be transferred is not necessarily a straight line as shown in FIG. 4, and may be a dot, a square, or a round shape.

そして、図２に示す試験ユニット１２を用いて、材料試験を開始する（ステップＳ１）。例えば、図２に示すＣＰＵ１３の変形履歴取得手段２１により、力学的駆動部３１で試験ユニット１２を駆動して、変形量を逐次増加して材料試験を行う。図２の試験ユニット１２には明示していないが、試験方法としてはせん断試験の他、引張り試験や圧縮試験を行っても良い。この際、変形履歴取得手段２１は、タイミング制御回路３４により、移動位置と同期して、撮像制御回路３３を駆動して、ＣＣＤ等のカメラ３２により、試験中の変形履歴画像を、逐次連続的に撮影する。変形履歴画像の取得のタイミング間隔は、求める塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの値の必要桁数が得られるだけ十分細かく設定すれば良い。   And a material test is started using the test unit 12 shown in FIG. 2 (step S1). For example, the deformation history acquisition means 21 of the CPU 13 shown in FIG. 2 drives the test unit 12 with the mechanical drive unit 31 to sequentially increase the deformation amount and perform the material test. Although not clearly shown in the test unit 12 of FIG. 2, as a test method, a tensile test or a compression test may be performed in addition to a shear test. At this time, the deformation history acquisition means 21 drives the imaging control circuit 33 in synchronism with the movement position by the timing control circuit 34, and sequentially and continuously converts the deformation history image under test by the camera 32 such as a CCD. Take a picture. The timing interval for obtaining the deformation history image may be set sufficiently fine so as to obtain the necessary number of digits of the material parameter value indicating the degree of slip deformation of the plastic deformation to be obtained.

ＣＰＵ１３の変形履歴取得手段２１は、カメラ３２が撮影した変形履歴画像を解析して、変形を逐次算出する。更に、ＣＰＵ１３の荷重履歴取得手段２２は、ロードセルを介して測定したデータをもとにひずみを逐次算出する。（ステップＳ２）   The deformation history acquisition means 21 of the CPU 13 analyzes the deformation history image captured by the camera 32 and sequentially calculates the deformation. Furthermore, the load history acquisition means 22 of the CPU 13 sequentially calculates strains based on data measured through the load cell. (Step S2)

応力ひずみ演算手段２３は、図５に示すような応力−ひずみの発達履歴のグラフを作成する（ステップＳ３）。さらに、試験条件と同一のＦＥＭ解析モデルにより、結晶塑性解析を行う（ステップＳ４）。そして、試験と解析によって得られた応力−ひずみ曲線を比較する（ステップＳ５）ことで、一致の程度を判定する（ステップＳ６）。その後、比較手段が、「ＮＯ（一致なし）」と判定した場合は、有限要素解析モデルの入力パラメータ（材料パラメータ）を変更して応力−ひずみ曲線を再び計算する（ステップＳ５）。その後、比較手段が、「ＹＥＳ（一致あり）」と判定した場合は、次のステップに進む。判定は、比較判定手段２５が表示装置１６に図６に示すような応力−ひずみ曲線の発達履歴のグラフを表示し、オペレータの目視により一致判定するように、人間が一部で関与する手法で行っても良い。あるいは、ＣＰＵ１３の比較判定手段２５におけるディジタルな論理演算として、即ち、コンピュータによる自動的な処理をしても良い。又、ディジタルな論理演算の確認として、表示装置１６に、図６に示すような応力−ひずみ曲線のグラフを表示しても良い。   The stress strain calculation means 23 creates a graph of the stress-strain development history as shown in FIG. 5 (step S3). Furthermore, crystal plasticity analysis is performed using the same FEM analysis model as the test conditions (step S4). Then, the degree of coincidence is determined by comparing the stress-strain curves obtained by the test and analysis (step S5) (step S6). Thereafter, when the comparison means determines “NO (no match)”, the input parameter (material parameter) of the finite element analysis model is changed and the stress-strain curve is calculated again (step S5). Thereafter, when the comparison means determines “YES (match)”, the process proceeds to the next step. The determination is a method in which a part of the person is involved so that the comparison determination means 25 displays a development history graph of a stress-strain curve as shown in FIG. You can go. Alternatively, a digital logical operation in the comparison / determination means 25 of the CPU 13, that is, automatic processing by a computer may be performed. Further, as a confirmation of the digital logical operation, a stress-strain curve graph as shown in FIG.

ＣＰＵ１３の材料パラメータ決定手段２６は、試験による応力−ひずみ曲線と一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、塑性変形のすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する（ステップＳ７）。導出された材料パラメータの値は、必要に応じて出力装置１５に出力され、表示装置１６に表示される。   The material parameter determining means 26 of the CPU 13 determines a candidate value that gives a stress-strain curve that matches the stress-strain curve by the test as a value of the material parameter that represents the degree of slip deformation of plastic deformation (step S7). The derived material parameter values are output to the output device 15 as necessary and displayed on the display device 16.

〈材料パラメータ導出プログラム〉
図３のフローチャートに示した一連の材料パラメータ導出操作は、図３と等価なアルゴリズムのプログラムにより、図２に示したＣＰＵ１３を制御して実行できる。このプログラムは、本発明の材料パラメータ導出装置１１を構成するコンピュータシステムのプログラム記憶部１８に記憶させれば良い。又、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に保存し、この記録媒体を材料パラメータ導出装置１１のプログラム記憶部１８に読み込ませることにより、図３のフローチャートに示した一連の材料パラメータ導出操作を実行することができる。ここで、「コンピュータ読取り可能な記録媒体」とは、例えばコンピュータの外部メモリ装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープなどのプログラムを記録することができるような媒体などを意味する。具体的には、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯディスク、カセットテープ、オープンリールテープなどが「コンピュータ読取り可能な記録媒体」に含まれる。例えば、材料パラメータ導出装置１１の本体は、フレキシブルディスク装置（フレキシブルディスクドライブ）及び光ディスク装置（光ディスクドライブ）を内蔵若しくは外部接続するように構成できる。フレキシブルディスクドライブに対してはフレキシブルディスクを、又光ディスクドライブに対してはＣＤ−ＲＯＭをその挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行うことにより、これらの記録媒体に格納されたプログラムを材料パラメータ導出装置１１として構成するプログラム記憶部１８にインストールすることができる。更に、インターネット等の情報処理ネットワークを介して、このプログラムをプログラム記憶部１８に格納することが可能である。 <Material parameter derivation program>
The series of material parameter derivation operations shown in the flowchart of FIG. 3 can be executed by controlling the CPU 13 shown in FIG. 2 by an algorithm program equivalent to FIG. This program may be stored in the program storage unit 18 of the computer system constituting the material parameter deriving device 11 of the present invention. Further, this program is stored in a computer-readable recording medium, and the recording medium is read into the program storage unit 18 of the material parameter deriving device 11, thereby performing a series of material parameter deriving operations shown in the flowchart of FIG. Can be executed. Here, the “computer-readable recording medium” means a medium capable of recording a program such as an external memory device of a computer, a semiconductor memory, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, and a magnetic tape. To do. Specifically, a “flexible disk, CD-ROM, MO disk, cassette tape, open reel tape, etc.” are included in the “computer-readable recording medium”. For example, the main body of the material parameter deriving device 11 can be configured to incorporate or externally connect a flexible disk device (flexible disk drive) and an optical disk device (optical disk drive). A flexible disk is inserted into the flexible disk drive, and a CD-ROM is inserted into the optical disk drive through the insertion slot, and a predetermined read operation is performed, so that the program stored in these recording media can be converted into material parameters. It can be installed in the program storage unit 18 configured as the derivation device 11. Furthermore, the program can be stored in the program storage unit 18 via an information processing network such as the Internet.

以上のように、本発明の実施の形態に係る材料パラメータ導出方法によれば、単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータを高精度に導出することが可能である。   As described above, according to the material parameter derivation method according to the embodiment of the present invention, it is possible to derive a material parameter representing the degree of slip deformation of a single crystal material with high accuracy.

本発明例として、板厚１．０ｍｍで、鉄単結晶材を用いた材料試験を実施した。鉄単結晶の結晶方位は｛１１１｝＜１１２＞を用い、結晶回転の影響がなく、純粋なすべり変形挙動が測定できる条件とした。試験片形状は、図４に示す試験片４１のような矩形状サンプル（幅１８ｍｍ、長さ３０ｍｍ）を用いて、せん断試験を行った。最終的なせん断ひずみは０．４までとして試験を行った。   As an example of the present invention, a material test using an iron single crystal material with a plate thickness of 1.0 mm was performed. The crystal orientation of the iron single crystal was {111} <112>, and the conditions were such that there was no influence of crystal rotation and the pure slip deformation behavior could be measured. The test piece shape was a shear test using a rectangular sample (width 18 mm, length 30 mm) like the test piece 41 shown in FIG. The final shear strain was tested up to 0.4.

試験ユニット１２から演算されたせん断応力τ−せん断ひずみγ曲線を図５に、比較判定手段２５から判断されたせん断応力τ−せん断ひずみγ曲線を図６に示す。データ記憶部１７に記憶された材料パラメータは以下の値が求められており、本発明の効果が確認できた。
τ０＝４１ＭＰａ、ｈ０＝１１７１６７ＭＰａ、Ｎ＝０．３０ The shear stress τ-shear strain γ curve calculated from the test unit 12 is shown in FIG. 5, and the shear stress τ-shear strain γ curve determined from the comparison determination means 25 is shown in FIG. The following values were obtained for the material parameters stored in the data storage unit 17, and the effects of the present invention could be confirmed.
τ0 = 41 MPa, h0 = 117167 MPa, N = 0.30

１ 外力
２ すべり力
３ すべり抵抗
１１ 材料パラメータ導出装置
１２ 試験ユニット
１３ 演算・制御部（ＣＰＵ）
２１ 変形履歴取得手段
２２ 荷重履歴取得手段
２３ 応力ひずみ演算手段
２４ 解析による応力ひずみ算出手段
２５ 比較判定手段
２６ 材料パラメータ決定手段
３１ 力学的駆動部
３２ カメラ
３３ 撮像制御回路
３４ タイミング制御回路
４１ 試験片
４２ 変形領域 1 External force 2 Slip force 3 Slip resistance 11 Material parameter deriving device 12 Test unit 13 Calculation / control unit (CPU)
21 Deformation history acquisition means 22 Load history acquisition means 23 Stress strain calculation means 24 Analysis stress strain calculation means 25 Comparison determination means 26 Material parameter determination means 31 Mechanical drive unit 32 Camera 33 Imaging control circuit 34 Timing control circuit 41 Test piece 42 Deformation area

Claims (2)

単結晶材に対し、塑性変形を与え、すべり変形を発生させる材料試験を行う試験ユニットと、
該試験ユニットから得られた試験時の変形量と変形荷重のデータから応力−ひずみ曲線を算出する応力ひずみ演算手段と、
単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を複数個仮定し、複数個の候補値に対して、それぞれ応力−ひずみ曲線を算出する、解析による応力ひずみ算出手段と、
前記応力ひずみ演算手段で求めた応力−ひずみ曲線と、前記複数個の候補値に対して前記解析による応力ひずみ算出手段で求めた応力−ひずみ曲線とを比較する比較判定手段と、
それらが一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定する材料パラメータ決定手段と、
を備えることを特徴とする、単結晶材の材料パラメータ導出装置。 A test unit that performs a material test that gives plastic deformation to a single crystal material and generates slip deformation;
A stress-strain calculation means for calculating a stress-strain curve from the deformation amount and deformation load data obtained from the test unit during testing;
Assuming a plurality of candidate values of material parameters representing the degree of slip deformation of the single crystal material, and calculating a stress-strain curve for each of the plurality of candidate values, a stress strain calculation means by analysis,
Comparative determination means for comparing the stress-strain curve obtained by the stress-strain calculation means and the stress-strain curve obtained by the stress-strain calculation means by the analysis for the plurality of candidate values;
A material parameter determining means for determining a candidate value giving a stress-strain curve in which they match as a value of a material parameter representing a degree of slip deformation in a single crystal material;
An apparatus for deriving material parameters of a single crystal material, comprising: 試験ユニットで、単結晶材に対し、塑性変形を与え、すべり変形を発生させる材料試験を行い、
該試験ユニットから得られた試験時の変形量と変形荷重のデータから応力−ひずみ曲線を算出し、
さらに、単結晶材のすべり変形の程度を表す材料パラメータの候補値を複数個仮定し、複数個の候補値に対して、それぞれ応力−ひずみ曲線を算出し、
前記試験ユニットから得られたデータから算出した前記応力−ひずみ曲線と、前記複数個の候補値に対して求めた応力−ひずみ曲線とを比較し、それらが一致する応力−ひずみ曲線を与える候補値を、単結晶材におけるすべり変形の程度を表す材料パラメータの値として決定することを特徴とする、単結晶材の材料パラメータ導出方法。 In the test unit, the single crystal material is subjected to a material test that gives plastic deformation and generates slip deformation,
Calculate a stress-strain curve from the deformation amount and deformation load data obtained from the test unit during the test,
Furthermore, assuming a plurality of candidate values of material parameters representing the degree of slip deformation of the single crystal material, a stress-strain curve is calculated for each of the plurality of candidate values,
The stress-strain curve calculated from the data obtained from the test unit and the stress-strain curve obtained for the plurality of candidate values are compared, and a candidate value giving a stress-strain curve in which they match. Is determined as a material parameter value representing the degree of slip deformation in the single crystal material.

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