JP3796536B2 - 大ひずみの均一導入加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、大ひずみの均一導入加工方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、板厚を確保しつつ金属材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることのできる大ひずみの均一導入加工方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】
従来より、金属材料組織の微細化や緻密化などにより、金属材料の耐熱性や耐久性が向上することは、周知の通りであり、現在まで、そのための方法に多くの工夫がなされてきた。その金属組織微細化のひとつの方法として、最近注目を集めている方法に、70%以上の減面率(1.2以上のひずみに相当)の大ひずみを、材料内に導入する方法がある。
【0003】
これまで報告されている金属組織微細化とそのための大ひずみの導入方法としては、例えば、大圧下での急冷法(CAMP−ISU−Vol.11(1998)、P1017)をはじめ、繰り返し重ね接合圧延による方法(CAMP−ISU−Vol.11(1998)、P560)、温間圧延・再結晶による方法(CAMP−ISU−Vol.11(1998)、P1031)、温間加工溝ロール圧延(CAMP−ISU−Vol.12(1999)、P385)などが提案されている。これらについての各報文では、組織微細化技術の一方策として、材料内に如何にして大ひずみを導入するかが検討されている。
【0004】
しかしながら、上記いずれの方法でも、大ひずみをを得るために、大きな圧力下において1パスで加工、あるいは通常の圧力下において多パスで加工する方法が採用されているため、累積圧下率と共に材料の板厚が薄くなってしまい、さらに、大圧下加工を行えば行うほど、材料内部にひずみの不均一性が生じてしまうという問題がある。たとえば図1(a)に例示したように、z方向(紙面に垂直な方向)に変形しない平面ひずみの状態の下で、長さ1の矩形の材料を考え、この材料内に大ひずみ2を得るためには、従来方法では1方向だけの圧縮であるので、圧縮量約82%の加工が必要となり、結果として、板厚が0.177と極めて薄くなってしまうのである。図中の数字5.64は、当初の辺の長さ1のものが加工後に5.64になったことを示している。
【0005】
その他、大ひずみを金属材料内に導入する方法として、ECAP法(Mater. Sci. Eng−Vol.A168(1993)、P141)が存在するが、金型を用いなければならず、その製造コストの増大は免れない。
【0006】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、金型を用いることなく、簡便な手段によって、板厚を確保しつつ金属材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることを可能とする大ひずみの均一導入加工方法を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、加工硬化能を有する金属材料に対し少なくとも1回以上の圧縮変形を行い、変形された金属材料の内部に平均塑性ひずみ0.1以上の状態を形成し、この圧縮方向から少なくとも20度異なる方向から少なくとも1回以上圧縮変形を行い、金属材料の断面の70%以上が塑性ひずみ2.0以上の状態を形成することを特徴とする大ひずみの均一導入加工方法。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【0011】
まず、この出願の発明が均一に導入することのできる「大ひずみ」については次のように規定される。すなわち、従来の方法では、「ひずみ」そのものは、70%減面でひずみ1.2程度までであったが、この出願の発明では、このような従来のレベルをはるかに超える大きなひずみ量を与えるものとされている。この発明での「大ひずみ」は、塑性ひずみとして2.0以上であることを意味している。しかもこの出願の発明は、このような「大ひずみ」を金属材料に対して均一に与えているのである。
【0012】
以上のことを実現するために、この出願の発明は、従来方法の一方向からの圧縮加工ではなく、多方向からの圧縮加工を非同時に行うことによって、板厚を確保しつつ材料内に大ひずみを広範囲に均一に分布させることに大きな特徴がある。
【0013】
塑性ひずみは、塑性域における材料の応力−ひずみ関係を考慮し、材料の塑性変形の指標となる方向によらず、かつ加工履歴に依存した量であり、以下の式によって表される。
【0014】
【数1】
【0015】
この出願の発明の方法では、たとえば図1(b)に例示したように、z方向(紙面に垂直な方向)に変形しない平面ひずみ状態の下で、長さ1の矩形の金属材料を考え、この材料内に大ひずみ2を得るためには、まずy方向から圧縮量58%の加工を行い、次にx方向から圧縮量58%加工を行うことにより、材料の初期形状を維持したまま大ひずみ2を実現できる。一方、前記図1(a)で示した従来方法では、圧縮量約82%の加工が必要となり、板厚が0.177と極めて薄くなってしまう。
【0016】
実際には、金属材料内に導入されるひずみは、工具形状と材料の幾何学的関係や工具と材料の摩擦特性に依存し、材料内に不均一なひずみをもたらすが、その場合には均一変形よりもさらに顕著に多方向圧縮加工の方が、大ひずみを導入することができる。
【0017】
また、この発明における非同時に多方向から圧縮加工する最大の利点は、金属材料の加工硬化特性を利用することであり、超微細組織鋼の厚板化における圧延の負荷を軽減するものである。一般的に多くの金属材料では、塑性変形の進行と共に塑性すべりに対する抵抗が増大する(加工硬化)。これにより一度目の加工によって大きなひずみが導入された領域は、他の領域に比べて相対的に硬くなっており、2度目の加工を行うことにより、変形は軟らかい領域に集中する。これにより、大ひずみを材料内に均一に導入することができる。
【0018】
この出願の発明の発明においては、1方向からの圧縮変形により導入される塑性ひずみは0.1以上であることが望ましい。この値が0.1未満では、異なる方向からの圧縮変形に大きな影響を及ぼさず、最終的に大きな塑性ひずみは得られない。
【0019】
そして、この発明においては、たとえば図2に示した装置によって加工することができる。すなわち、金属材料のX方向の両端に試験片チャックを取り付けて、金属材料を固定し、上下2本のアンビルを用いて、金属材料を加工する。そして、その試験片チャック自体を回転させることにより、金属材料の多方向からの加工を実現することができる。
【0020】
なお、この発明の方法が対象とする金属材料としては鋼、チタンそしてアルミニウムとその合金等の各種のものが考慮されるが、鋼については、以下の化学成分系のものを目安とすることができる。
【0021】
すなわち、重量%で、C:0.01〜0.3%、Si:0.02〜1.0%、Mn:0.2〜2.0%、Al:0.001〜0.1%、N:0.001〜0.01%、P<0.2%、S<0.01%である。これら組成の鋼のフェライト粒微細化にこの発明の方法は有効である。
【0022】
また、重量%で、Cr:0.01〜0.5%、Ni:0.01〜3.0%、Mo:0.01〜0.5%、Cu:0.01〜1.5%、Ti:0.003〜0.1%、Nb:0.003〜0.05%、V:0.005〜0.2%が含まれている鋼もこの発明の対象として考慮される。
【0023】
以下実施例を示し、さらにこの発明について詳しく説明する。
【0024】
【実施例】
成分が重量%表示として、0.15C−0.3Si−1.5Mn−0.02P−0.005S−0.003Al−残部Feで、大きさが15×15×100mmのSM490鋼を用いて、この出願の発明の方法を実施し、これにより得られた材料のひずみ分布を検討した。
【0025】
供試材は、前記図2に示した装置を用い、幅15mmの上下2本のアンビルを用いて加工した。すなわち、供試材をAc3点以上の1200℃に60秒保持してオーステナイト化し、その後800℃まで冷却し、外形変化でA%の圧縮変形を施し(図2y方向)、直ちに試験片を90度回転させ、0.5秒後に外形変化でB%の圧縮変形を施した(図2z方向)。変形のひずみ速度1/s、加工後直ちに10K/sで冷却した。
【0026】
加工によって供試材に導入された塑性ひずみは汎用有限要素コードABAQUS/Explicitを用いて計算した。ここでは、実測に基づいた温度とひずみ速度に依存した応力−ひずみ関係を用いた三次元動的解析を適用した。アンビルと供試材の接触条件は、実験結果と比較し摩擦係数μ=0.15の Coulomb条件を採用した。なお、アンビルは剛体とした。
【0027】
1パス目y方向の圧縮率と2パス目z方向の圧縮率とを変化させて、解析を行った。各実施例とその圧縮率は次の通りとした。
【0028】
参考例1 1パス目y方向圧縮率35%+2パス目z方向圧縮率35%
参考例2 1パス目y方向圧縮率50%+2パス目z方向圧縮率50%
実施例1 1パス目y方向圧縮率50%+2パス目z方向圧縮率75%
参考例3 1パス目y方向圧縮率10%+2パス目z方向圧縮率75%
一方、比較例として、上記の図2z方向の圧縮変形(B%)を加えない従来方法を行った。供試材、加工条件および解析条件は前記の場合と同様であり、ひずみ速度1/Sで外形変化A%の圧縮変形を施し(図2y方向)、直ちに10K/sで冷却した。
【0029】
1パス目y方向の圧縮率のみを変化させて、解析を行った。各比較例とその圧縮率は次の通りとした。
【0030】
比較例1 1パス目y方向圧縮率35%
比較例2 1パス目y方向圧縮率50%
比較例3 1パス目y方向圧縮率75%
図3と4は、実施例2(仕上がり板厚7.5mm、表1参照)と比較例3(仕上がり板厚3.75mm)における各断面上におけるひずみの分布を示したものであり、(A)はx−y断面、(B)はy−z断面、および、(C)はz−y断面を示したものである。
【0031】
参考例2では、図3に示すように中心部廻りの広範囲に2以上の大ひずみが導入されているのが確認できる。また、2以上の大ひずみ領域の体積は加工された領域の体積の26%に導入されているのが確認された。
【0032】
しかしながら、比較例3では、図4に示すように中心部の極わずかな領域だけにしか2以上の大ひずみが導入されていないのが確認できた。2以上の大ひずみ領域の体積は加工された領域の体積の0.3%の極わずかな領域にしか導入されていないのが確認された。
【0033】
これらのことから、参考例2は仕上がり板厚が比較例3の2倍にあるにもかかわらず、大塑性ひずみを広範に導入されているのが確認された。
【0034】
表1は、最大塑性ひずみと導入されたあるひずみ以上の体積を示したものである。この結果から、この出願の発明の多方向加工が、仕上がり板厚が厚いにもかかわらず、大塑性ひずみの広範な導入を可能にしていることが確認できる。
【0035】
【表1】
【0036】
図5と図6は、参考例、実施例と比較例のz−y断面における0.8以上の塑性ひずみの領域を示したものであり、各々の図における(A)は参考例1と比較例1、(B)は参考例2と比較例2、および、(C)は実施例1と比較例3を示している。これらの結果からも、この出願の発明の多方向加工は板厚が厚いにもかかわらず、塑性ひずみが広範な領域に導入されているのがわかる。なお、ひずみ0.8とは外形変化55%圧縮率に相当する値である。
【0037】
次に、SEM顕微鏡を用いて、参考例2と比較例3のミクロ組織を観察した。図7はその結果であり、(a)は比較例3のミクロ組織、および、(b)は参考例2のミクロ組織である。この図からも、この出願の発明の多方向加工では、仕上がり板厚が2倍であるにもかからず、1方向加工の組織に比べ、微細領域が広範囲に拡大していることが確認できる。
【0038】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明により、板厚を確保しつつ材料内に大ひずみを広範囲に、かつ均一に分布させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この出願の発明の特徴を従来法との比較として示した概略図である。
【図2】 この出願の発明の加工方法と装置を例示した概略図である。
【図3】 参考例2の結果である金属断面のひずみ分布を示した概略図である。
【図4】 比較例3の結果である金属断面のひずみ分布を示した概略図である。
【図5】 参考例1(A)、2(B)並びに実施例1(C)の結果である金属断面のひずみ領域を示した概略図である。
【図6】 比較例1〜3の結果である金属断面のひずみ領域を示した概略図である。
【図7】 (a)(b)は、金属断面の組織を比較例示した図である。
【符号の説明】
1 アンビル
2 金属材料
Claims (1)
- 加工硬化能を有する金属材料に対し少なくとも1回以上の圧縮変形を行い、変形された金属材料の内部に平均塑性ひずみ0.1以上の状態を形成し、この圧縮方向から少なくとも20度異なる方向から少なくとも1回以上圧縮変形を行い、金属材料の断面の70%以上が塑性ひずみ2.0以上の状態を形成することを特徴とする大ひずみの均一導入加工方法。
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JP2000055035A JP3796536B2 (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | 大ひずみの均一導入加工方法 |
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JP2000055035A JP3796536B2 (ja) | 2000-02-29 | 2000-02-29 | 大ひずみの均一導入加工方法 |
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