JP6586842B2 - Fatigue strength evaluation method for metal materials - Google Patents
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Description
本発明は、金属材料の疲労強度を評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the fatigue strength of a metal material.
従来、種々の金属材料が構造物（橋梁等）の構成部材として用いられている。構造物の構成部材は、使用条件に応じたせん断負荷を受け、このせん断負荷によって構成部材に亀裂が発生する場合がある。亀裂が発生した後に構成部材がさらにせん断負荷を受けると、亀裂が進展して構成部材が破断し、構造物の崩壊等の事故につながるおそれがある。そこで、このような事故の発生を未然に防止するために、金属材料の疲労強度を評価するための方法が提案されている。 Conventionally, various metal materials have been used as structural members of structures (such as bridges). The structural member of the structure is subjected to a shearing load according to the use conditions, and the shearing member may crack due to the shearing load. If the structural member is further subjected to a shearing load after the crack has occurred, the crack may develop and the structural member may break, leading to an accident such as collapse of the structure. In order to prevent such an accident from occurring, a method for evaluating the fatigue strength of a metal material has been proposed.
例えば、特開２０１１−１０８０３２号公報（特許文献１）には、多結晶金属材の疲労強度評価方法が開示されている。具体的には、特許文献１には、有限要素法を用いて結晶粒のすべり面のせん断応力を算出し、算出したせん断応力を用いて金属材の疲労強度を評価する方法が記載されている。 For example, JP 2011-108032 A (Patent Document 1) discloses a fatigue strength evaluation method for polycrystalline metal materials. Specifically, Patent Document 1 describes a method of calculating the shear stress of a slip surface of a crystal grain using a finite element method and evaluating the fatigue strength of a metal material using the calculated shear stress. .
特許文献１の方法では、亀裂の発生しやすい結晶粒を予想することができる。しかしながら、金属材の疲労強度を定量的に評価することはできない。このため、例えば、構造物において使用されて経年劣化した構成部材を評価する場合、亀裂が発生しやすい位置を予想することはできるかもしれないが、その構成部材がどの程度の時間強度を有しているのかを評価することはできない。この場合、構成部材の補修時期または交換時期等を適切に判断することができない。 With the method of Patent Document 1, it is possible to predict crystal grains that are liable to crack. However, the fatigue strength of a metal material cannot be quantitatively evaluated. For this reason, for example, when evaluating a component that has been used in a structure and has deteriorated over time, it may be possible to predict a position where a crack is likely to occur, but how much strength the component has. It is not possible to evaluate whether In this case, it is not possible to appropriately determine the repair time or replacement time of the component members.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、金属材料の疲労強度を定量的に評価することができる、金属材料の疲労強度評価方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a method for evaluating the fatigue strength of a metal material, which can quantitatively evaluate the fatigue strength of the metal material.
本発明の一実施形態にかかる金属材料の疲労強度評価方法は、予め求められた疲労強度と強度推定パラメータとの強度推定関係を用いて金属材料の疲労強度を評価する方法であって、下記の（１）〜（８）のステップを備える。
（１）評価対象の金属材料のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得るステップ
（２）前記（１）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、前記評価対象の金属材料の複数の結晶粒それぞれの粒径、前記複数の要素それぞれのテイラー因子、および必要に応じて前記複数の要素それぞれのＫＡＭ値を求めるステップ
（３）前記評価対象の金属材料について、予め求められた係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、および必要に応じてＨ５の値と、前記（２）のステップで得た粒径、テイラー因子、および必要に応じてＫＡＭ値とを用いて、前記複数の要素ごとに、下記の（i）式または（ii）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求めるステップ
（４）前記評価対象の金属材料に対応する解析モデルに、前記（１）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素に対応する複数の要素を形成するステップ
（５）前記（４）のステップで複数の要素を形成した解析モデルに任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、該解析モデルの前記複数の要素にそれぞれ発生する主すべり系のせん断応力τを求めるステップ
（６）前記評価対象の金属材料について、前記（３）のステップで得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、前記（５）のステップで負荷させた公称応力σｍｅａｎ、および前記（５）のステップで得たせん断応力τを用いて、前記複数の要素ごとに、下記の（iii）式で規定されるパラメータＰＭを求めるステップ
（７）前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから強度推定パラメータを決定するステップ
（８）前記（７）のステップで決定した強度推定パラメータと前記予め求められた強度推定関係とから、前記評価対象の金属材料の疲労強度を推定するステップ
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２ ・・・（i）
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ） ・・・（ii）
ＰＭ＝ＨＶｃｒｙ／（τ／σｍｅａｎ） ・・・（iii）
ただし、上記の（i）式から（iii）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θはＫＡＭ値を示す。
A fatigue strength evaluation method for a metal material according to an embodiment of the present invention is a method for evaluating the fatigue strength of a metal material using a strength estimation relationship between a fatigue strength and a strength estimation parameter obtained in advance. Steps (1) to (8) are provided.
(1) Step of obtaining a crystal orientation map having a plurality of elements for the microstructure of the metal material to be evaluated (2) In the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step of (1) And (3) calculating the evaluation target based on the grain size of each of the plurality of crystal grains of the metal material to be evaluated, the Taylor factor of each of the plurality of elements, and, if necessary, the KAM value of each of the plurality of elements. As for the metal material, the coefficients H 0 , H 2 , H 3 , and the value of H 5 as required, the particle size obtained in the step (2), the Taylor factor, and as necessary by using the KAM value, for each of the plurality of elements, the step (4) determining the hardness coefficient HV cry defined by formula (i) or (ii) the following equation corresponding to the metal material of said evaluation object An analysis model in which a plurality of elements corresponding to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step (1) are formed in the analysis model (5) an analysis model in which a plurality of elements are formed in the step (4) to thereby load any nominal stress sigma mean, for the plurality of determining the shear stress τ of the primary slip system generated respectively to the element (6) a metal material of said evaluation of the analytical model, the (3) Using the hardness coefficient HV cry obtained in the step, the nominal stress σ mean applied in the step (5), and the shear stress τ obtained in the step (5), for each of the plurality of elements, Step (7) of obtaining the parameter PM defined by the formula (iii) of (7) For the metal material to be evaluated, the parameter PM for each of the plurality of elements obtained in the step (6) From the intensity estimating the previously obtained intensity estimating relationship between intensity estimating parameters determined in step parameter determining (8) (7) from step HV cry of estimating the fatigue strength of the metal material of said evaluation object = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 (i)
HV cry = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) (ii)
PM = HV cry / (τ / σ mean ) (iii)
However, in the above formulas (i) to (iii), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, M min represents the minimum value of the Taylor factor, and θ represents the KAM value.
下記の（Ａ）のステップで得た係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、および必要に応じてＨ５の値を、前記（３）のステップで用いてもよい。
（Ａ）評価対象の前記金属材料に対応する基準材を用意し、任意の試験荷重Ｐに対応する該基準材の硬さＨＶｌｏｃａｌを推定するための下記の（iv）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値、または下記の（v）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３およびαの値を決定するステップ
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２）・Ｐ−α ・・・（iv）
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ））・Ｐ−α ・・・（v）
ただし、上記の（iv）式および（v）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θはＫＡＭ値を示す。
The coefficients H 0 , H 2 , H 3 obtained in the following step (A) and the value of H 5 as necessary may be used in the step (3).
(A) A reference material corresponding to the metal material to be evaluated is prepared, and a coefficient H 0 of the following equation (iv) for estimating the hardness HV local of the reference material corresponding to an arbitrary test load P, Determining the values of H 2 , H 3 , H 5 and α, or the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 and α in the following equation (v): HV local = (H 0 + H 2 d −1 / 2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 ) · P −α (iv)
HV local = (H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min )) · P −α (v)
In the above formulas (iv) and (v), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, M min represents the minimum value of the Taylor factor, and θ represents the KAM value.
前記（Ａ）のステップは、下記の（Ａ１）〜（Ａ４）のステップを有していてもよい。
（Ａ１）前記基準材のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得るステップ
（Ａ２）前記（Ａ１）のステップで得た結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、前記基準材の複数の結晶粒ごとに、粒径、テイラー因子、および必要に応じてＫＡＭ値を求めるステップ
（Ａ３）前記基準材の前記複数の結晶粒ごとに硬さを測定するステップ
（Ａ４）前記（Ａ２）のステップで得た粒径、テイラー因子、および必要に応じてＫＡＭ値と、前記（Ａ３）のステップで得た硬さとを、前記複数の結晶粒ごとに対応付けて、最適化することによって、上記の（iv）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値、または上記の（v）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３およびαの値を決定するステップ
The step (A) may include the following steps (A1) to (A4).
(A1) Obtaining a crystal orientation map having a plurality of elements for the microstructure of the reference material (A2) Based on the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step (A1), A step of obtaining a grain size, a Taylor factor, and, if necessary, a KAM value for each of the plurality of crystal grains of the reference material (A3) A step of measuring the hardness for each of the plurality of crystal grains of the reference material (A4) The particle size obtained in the step (A2), the Taylor factor, and if necessary, the KAM value and the hardness obtained in the step (A3) are associated with each of the plurality of crystal grains and optimized. Thus, the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 , H 5 and α in the above equation (iv) or the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 and α in the above equation (v) are obtained. Step to decide
下記の（Ｂ）〜（Ｊ）のステップで前記強度推定関係を求めてもよい。
（Ｂ）前記評価対象の金属材料に対応する複数の試験材を用意し、各試験材のミクロ組織について、複数の要素からなる結晶方位マップを得るステップ
（Ｃ）前記（Ｂ）のステップで得た結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、各試験材の複数の結晶粒それぞれの粒径、各試験材の前記複数の要素それぞれのテイラー因子、および必要に応じて各試験材の前記複数の要素それぞれのＫＡＭ値を求めるステップ
（Ｄ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ａ）のステップで得た係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、および必要に応じてＨ５の値と、前記（Ｃ）のステップで得た粒径、テイラー因子、および必要に応じてＫＡＭ値とを用いて、前記複数の要素ごとに、上記の（i）式または（ii）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求めるステップ
（Ｅ）前記複数の試験材についてそれぞれ、疲労試験によって疲労強度を求めるステップ、
（Ｆ）前記複数の試験材に対応する複数の解析モデルにそれぞれ、前記（Ｂ）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素に対応する複数の要素を形成するステップ、
（Ｇ）前記（Ｆ）のステップで複数の要素を形成した複数の解析モデルにそれぞれ任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、各解析モデルの前記複数の要素にそれぞれ発生する主すべり系のせん断応力τを求めるステップ
（Ｈ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｄ）のステップで得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、前記（Ｇ）のステップで負荷させた公称応力σｍｅａｎ、および前記（Ｇ）のステップで得たせん断応力τを用いて、前記複数の要素ごとに、上記の（iii）式で規定されるパラメータＰＭを求めるステップ
（Ｉ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｈ）のステップで得た前記複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから強度推定パラメータを決定するステップ
（Ｊ）前記（Ｅ）のステップで得た各試験材の疲労強度と、前記（Ｉ）のステップで得た各試験材の強度推定パラメータとから、前記強度推定関係を求めるステップ
The intensity estimation relationship may be obtained by the following steps (B) to (J).
(B) preparing a plurality of test materials corresponding to the metal material to be evaluated and obtaining a crystal orientation map composed of a plurality of elements for the microstructure of each test material (C) obtained in the step (B) Based on the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map, the grain size of each of the plurality of crystal grains of each test material, the Taylor factor of each of the plurality of elements of each test material, and each test as necessary Step for obtaining KAM value of each of the plurality of elements of the material (D) For each of the plurality of test materials, the coefficients H 0 , H 2 , H 3 obtained in the step (A) and H 5 as necessary And the above formula (i) or (ii) for each of the plurality of elements using the particle size obtained in the step (C), the Taylor factor, and if necessary, the KAM value. It defined the hardness coefficient HV respectively, for the step (E) wherein the plurality of test material to determine the ry, determining the fatigue strength by fatigue test,
(F) forming a plurality of elements corresponding to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step (B), respectively, on a plurality of analysis models corresponding to the plurality of test materials;
(G) An arbitrary nominal stress σ mean is applied to a plurality of analysis models in which a plurality of elements are formed in the step (F), and the shear of the main slip system generated in each of the plurality of elements of each analysis model Step for obtaining stress τ (H) For each of the plurality of test materials, the hardness coefficient HV cry obtained in the step (D), the nominal stress σ mean applied in the step (G), and the (G (I) Step for obtaining the parameter PM defined by the above equation (iii) for each of the plurality of elements using the shear stress τ obtained in step (I). A step of determining a strength estimation parameter from the parameters PM for each of the plurality of elements obtained in the step of (J) and a fatigue strength of each test material obtained in the step of (E) And obtaining the strength estimation relationship from the strength estimation parameters of each test material obtained in the step (I).
前記（Ｉ）のステップでは、前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｈ）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を強度推定パラメータとし、
前記（７）のステップでは、前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を強度推定パラメータとしてもよい。
In the step (I), for each of the plurality of test materials, a minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in the step (H) is used as a strength estimation parameter.
In the step (7), for the metal material to be evaluated, a minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in the step (6) may be used as an intensity estimation parameter.
前記（Ｉ）のステップでは、前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｈ）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭの平均値および標準偏差を求め、該平均値から該標準偏差の２倍の値を減算して得られる値を強度推定パラメータとし、
前記（７）のステップでは、前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭの平均値および標準偏差を求め、該平均値から該標準偏差の２倍の値を減算して得られる値を強度推定パラメータとしてもよい。
In the step (I), an average value and a standard deviation of the parameter PM of the plurality of elements obtained in the step (H) are obtained for each of the plurality of test materials, and 2 of the standard deviation is obtained from the average value. The value obtained by subtracting the double value is used as an intensity estimation parameter,
In the step (7), an average value and a standard deviation of the parameter PM of the plurality of elements obtained in the step (6) are obtained for the metal material to be evaluated, and the standard deviation of 2 is obtained from the average value. A value obtained by subtracting the double value may be used as the intensity estimation parameter.
本発明によれば、金属材料の疲労強度を定量的に評価することができる。 According to the present invention, the fatigue strength of a metal material can be quantitatively evaluated.
（疲労強度評価方法の概要）
以下、本発明の一実施形態に係る疲労強度評価方法（以下、単に評価方法ともいう。）について説明する。本実施形態に係る評価方法では、評価材料となる金属材料（以下、評価材ともいう。）に加えて、評価材に対応する基準材および試験材が用いられる。基準材および試験材としては、例えば、化学組成が評価材と等しい、または略等しい材料が用いられる。また、本実施形態では、例えば、評価材、基準材および試験材の形状および寸法は互いに等しい。本実施形態に係る疲労強度予測方法では、下記のステップＡ〜Ｊの処理を実行して求められる強度推定関係を用いて、下記のステップ１〜８の処理を実行して評価材の疲労強度を評価する。本実施形態に係る評価方法は、例えば、フェライト鋼、アルミニウム、およびフェライト／パーライト鋼（具体的には、フェライト／パーライト鋼のうち最弱部となるフェライト相）等の種々の材料の評価に利用することができる。以下、本実施形態に係る評価方法について具体的に説明する。
(Outline of fatigue strength evaluation method)
Hereinafter, a fatigue strength evaluation method (hereinafter also simply referred to as an evaluation method) according to an embodiment of the present invention will be described. In the evaluation method according to the present embodiment, a reference material and a test material corresponding to the evaluation material are used in addition to a metal material (hereinafter also referred to as an evaluation material) as an evaluation material. As the reference material and the test material, for example, a material having a chemical composition equal to or substantially equal to the evaluation material is used. In this embodiment, for example, the shapes and dimensions of the evaluation material, the reference material, and the test material are equal to each other. In the fatigue strength prediction method according to the present embodiment, using the strength estimation relationship obtained by executing the following steps A to J, the following steps 1 to 8 are executed to determine the fatigue strength of the evaluation material. evaluate. The evaluation method according to the present embodiment is used to evaluate various materials such as ferritic steel, aluminum, and ferrite / pearlite steel (specifically, the ferrite phase that is the weakest part of ferrite / pearlite steel). can do. Hereinafter, the evaluation method according to the present embodiment will be specifically described.
（強度推定関係を求める処理）
まず、強度推定関係を求めるためのステップＡ〜Ｊについて説明する。
(Process for obtaining strength estimation relationship)
First, steps A to J for obtaining the strength estimation relationship will be described.
（ステップＡ）
基準材を用意し、任意の試験荷重Ｐに対応する該基準材の硬さＨＶｌｏｃａｌを推定するための下記の（ａ）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値を決定する。本実施形態では、ステップＡは、例えば、下記のステップＡ１〜Ａ４を含み、該ステップＡ１〜Ａ４を実行することによって上記の各係数の値が求められる。
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２）・Ｐ−α ・・・（ａ）
なお、上記の（ａ）式において、ｄは硬さ推定位置の結晶粒の粒径を示し、Ｍは硬さ推定位置におけるテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θは硬さ推定位置におけるＫＡＭ（Kernel Average Misorientation）値を示す。本実施形態では、Ｍｍｉｎは、体心立法格子（ＢＣＣ）の結晶構造を有する材料（基準材、試験材および評価材）を評価する場合には、例えば、２．０３６に設定される。また、Ｍｍｉｎは、面心立法格子（ＦＣＣ）の結晶構造を有する材料（基準材、試験材および評価材）を評価する場合には、例えば、２．２６６に設定される。Ｍｍｉｎの値については、後述の（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）式についても同様である。
(Step A)
A reference material is prepared, and values of coefficients H 0 , H 2 , H 3 , H 5 and α in the following equation (a) for estimating the hardness HV local of the reference material corresponding to an arbitrary test load P To decide. In the present embodiment, step A includes, for example, the following steps A1 to A4, and the values of the respective coefficients are obtained by executing steps A1 to A4.
HV local = (H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 ) · P −α (a)
In the above equation (a), d indicates the grain size of the crystal grain at the hardness estimation position, M indicates the Taylor factor at the hardness estimation position, M min indicates the minimum value of the Taylor factor, and θ is A KAM (Kernel Average Misorientation) value at the estimated hardness position is shown. In the present embodiment, M min is set to, for example, 2.036 when evaluating materials (reference material, test material, and evaluation material) having a body-centered cubic (BCC) crystal structure. M min is set to, for example, 2.266 when evaluating materials (reference material, test material, and evaluation material) having a face-centered cubic (FCC) crystal structure. The value of M min is the same for the expressions (b), (d), and (e) described later.
（ステップＡ１）
基準材のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得る。結晶方位マップは、例えば、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）を用いて得ることができる。図１は、結晶方位マップの複数の要素の一例を示す図である。図１を参照して、本実施形態では、複数の要素として、例えば、複数の六角形要素（細線で囲まれた六角形の領域）が用いられる。なお、図１に示した結晶方位マップでは、太線で囲まれた領域が結晶粒に相当する。ＥＢＳＤ法を用いる場合のステップサイズ（測定点の間隔）は、例えば、平均結晶粒径の１／５よりも小さく設定される。
(Step A1)
A crystal orientation map having a plurality of elements is obtained for the microstructure of the reference material. The crystal orientation map can be obtained using, for example, electron beam backscatter diffraction (EBSD). FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a plurality of elements of a crystal orientation map. With reference to FIG. 1, in the present embodiment, for example, a plurality of hexagonal elements (hexagonal regions surrounded by thin lines) are used as the plurality of elements. Note that, in the crystal orientation map shown in FIG. 1, a region surrounded by a thick line corresponds to a crystal grain. The step size (measurement point interval) when using the EBSD method is set to be smaller than 1/5 of the average crystal grain size, for example.
（ステップＡ２）
ステップＡ１で得た結晶方位マップの各要素の結晶方位情報に基づいて、基準材の複数の結晶粒ごとに、粒径、テイラー因子、およびＫＡＭ値を求める。本実施形態では、例えば、結晶粒ごとに、任意の少なくとも一つの要素の結晶方位情報に基づいて、テイラー因子およびＫＡＭ値が求められる。図１の例では、例えば、要素１〜６の結晶方位情報に基づいて、結晶粒１〜６のテイラー因子およびＫＡＭ値が求められる。
(Step A2)
Based on the crystal orientation information of each element of the crystal orientation map obtained in step A1, the grain size, Taylor factor, and KAM value are obtained for each of the plurality of crystal grains of the reference material. In the present embodiment, for example, for each crystal grain, the Taylor factor and the KAM value are obtained based on the crystal orientation information of any at least one element. In the example of FIG. 1, for example, the Taylor factor and KAM value of the crystal grains 1 to 6 are obtained based on the crystal orientation information of the elements 1 to 6.
なお、テイラー因子は、公知の方法によって算出することができるので詳細な説明は省略するが、例えば、負荷荷重（外力）と結晶方位に基づいて算出することができる。本実施形態のステップＡ２においては、例えば、基準材の各要素について、後述のステップＡ３の硬さ試験における圧子の押し込み方向に降伏荷重が加わった状態（圧縮状態）を仮定して、テイラー因子を算出することができる。具体的には、基準材の各要素について、上記押し込み方向に均一なひずみが加わった状態を仮定して、テイラー因子を算出することができる。 The Taylor factor can be calculated by a known method and will not be described in detail. For example, the Taylor factor can be calculated based on the applied load (external force) and the crystal orientation. In step A2 of the present embodiment, for example, for each element of the reference material, assuming that a yield load (compressed state) is applied in the indenter pushing direction in the hardness test of step A3 described later, the Taylor factor is calculated. Can be calculated. Specifically, the Taylor factor can be calculated on the assumption that a uniform strain is applied in the indentation direction for each element of the reference material.
（ステップＡ３）
ステップＡ１で結晶方位マップを得た基準材について、任意の試験荷重（負荷荷重）で結晶粒ごとに硬さを測定する。結晶粒ごとの硬さは、例えば、ナノインデンテーション試験によって測定できる。本実施形態では、例えば、ステップＡ２で結晶方位情報を得た要素に対応する位置の硬さを測定する。例えば、図１を参照して、ステップＡ２で要素１〜６の結晶方位情報に基づいて結晶粒１〜６のテイラー因子およびＫＡＭ値を求めた場合には、ステップＡ３では、結晶粒１〜６の硬さとして要素１〜６に相当する位置の硬さを測定する。
(Step A3)
For the reference material from which the crystal orientation map is obtained in step A1, the hardness is measured for each crystal grain under an arbitrary test load (load load). The hardness for each crystal grain can be measured by, for example, a nanoindentation test. In the present embodiment, for example, the hardness of the position corresponding to the element whose crystal orientation information is obtained in step A2 is measured. For example, referring to FIG. 1, when the Taylor factor and KAM value of the crystal grains 1-6 are obtained based on the crystal orientation information of the elements 1-6 in step A2, the crystal grains 1-6 are obtained in step A3. The hardness of the position corresponding to the elements 1 to 6 is measured as the hardness.
（ステップＡ４）
ステップＡ２で得た粒径、テイラー因子およびＫＡＭ値と、ステップＡ３で得た硬さとを、結晶粒ごとに対応付けて最適化することによって、上記の（ａ）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値を決定する。上記最適化は、例えば、非線形計画法を用いて行うことができる。
(Step A4)
By optimizing the grain size, the Taylor factor and the KAM value obtained in step A2 and the hardness obtained in step A3 in association with each crystal grain, the coefficients H 0 and H 2 in the above equation (a) are optimized. , H 3 , H 5 and α are determined. The optimization can be performed using, for example, nonlinear programming.
（ステップＢ）
複数の試験材を用意し、各試験材のミクロ組織について、ステップＡ１と同様に、複数の要素からなる結晶方位マップを得る。
(Step B)
A plurality of test materials are prepared, and a crystal orientation map composed of a plurality of elements is obtained for the microstructure of each test material, as in step A1.
（ステップＣ）
ステップＢで得た結晶方位マップの各要素の結晶方位情報に基づいて、各試験材の複数の結晶粒それぞれの粒径、各試験材の各要素におけるテイラー因子、および各試験材の各要素におけるＫＡＭ値を求める。なお、ステップＣでは、例えば、試験材において、後述のステップＥの疲労試験における荷重の負荷方向と同じ方向に降伏荷重が加わった状態（引張状態）を仮定して、テイラー因子を算出することができる。具体的には、試験材の各要素について、上記負荷方向に均一なひずみが加わった状態を仮定して、テイラー因子を算出することができる。
(Step C)
Based on the crystal orientation information of each element of the crystal orientation map obtained in Step B, the grain size of each of the plurality of crystal grains of each test material, the Taylor factor in each element of each test material, and each element of each test material Obtain the KAM value. In Step C, for example, assuming that a yield load is applied to the test material in the same direction as the load direction in the fatigue test in Step E described later (tensile state), the Taylor factor can be calculated. it can. Specifically, the Taylor factor can be calculated on the assumption that a uniform strain is applied in the load direction for each element of the test material.
（ステップＤ）
各試験材について、ステップＡで得た係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３およびＨ５の値と、ステップＣで得た粒径、テイラー因子およびＫＡＭ値とを用いて、上記結晶方位マップの複数の要素ごとに、下記の（ｂ）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求める。すなわち、本実施形態では、試験材ごとに、ステップＢで得た結晶方位マップの全ての要素について硬さ係数ＨＶｃｒｙが算出される。
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２ ・・・（ｂ）
なお、上記の（ｂ）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θはＫＡＭ値を示す。
(Step D)
For each test material, using the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 and H 5 obtained in Step A and the grain size, Taylor factor and KAM value obtained in Step C, a plurality of the above crystal orientation maps For each element, the hardness coefficient HV cry defined by the following equation (b) is obtained. That is, in this embodiment, the hardness coefficient HV cry is calculated for all the elements of the crystal orientation map obtained in step B for each test material.
HV cry = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 (b)
In the above formula (b), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, M min represents the minimum value of the Taylor factor, and θ represents the KAM value.
（ステップＥ）
上記の複数の試験材についてそれぞれ、疲労試験によって疲労強度（時間強度）を求める。本実施形態では、疲労強度として、例えば、高サイクル疲労域（１０５〜１０７回）の時間強度を求める。具体的には、例えば、疲労強度として１０６回時間強度を求めてもよい。
(Step E)
Fatigue strength (time strength) is determined by a fatigue test for each of the plurality of test materials. In the present embodiment, as the fatigue strength, for example, a time strength in a high cycle fatigue region (10 5 to 10 7 times) is obtained. Specifically, for example, the time strength may be obtained 10 6 times as the fatigue strength.
（ステップＦ）
上記の複数の試験材に対応する複数の解析モデルを作成する。各解析モデルには、ステップＢで得た結晶方位マップの複数の要素に対応するように、複数の要素が形成される。図２を参照して、本実施形態では、例えば、複数の８節点ソリッド要素が各解析モデルに形成される。本実施形態では、２つの８節点ソリッド要素によって構成される六角柱の要素が、上述の結晶方位マップの１つの要素（図１参照）に対応する。
(Step F)
A plurality of analysis models corresponding to the plurality of test materials are created. In each analysis model, a plurality of elements are formed so as to correspond to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in step B. With reference to FIG. 2, in this embodiment, for example, a plurality of 8-node solid elements are formed in each analysis model. In the present embodiment, a hexagonal column element constituted by two 8-node solid elements corresponds to one element (see FIG. 1) of the crystal orientation map described above.
（ステップＧ）
ステップＦで複数の要素が形成された各解析モデルを用いて、有限要素法による解析を行う。具体的には、各解析モデルに任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、各要素に発生する主すべり系のせん断応力τを求める。本実施形態では、例えば、ヤング率の異方性を考慮した解析を行う。
(Step G)
The analysis by the finite element method is performed using each analysis model in which a plurality of elements are formed in step F. Specifically, an arbitrary nominal stress σ mean is applied to each analysis model to determine the shear stress τ of the main slip system generated in each element. In the present embodiment, for example, an analysis considering Young's modulus anisotropy is performed.
（ステップＨ）
上記の各試験材について、ステップＤで得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、ステップＧで解析モデルに負荷させた公称応力σｍｅａｎ、およびステップＧで得たせん断応力τを用いて、複数の要素ごとに、下記の（ｃ）式で規定されるパラメータＰＭを求める。本実施形態では、例えば、ステップＢで得た各試験材の結晶方位マップの全ての要素について、パラメータＰＭが求められる。
ＰＭ＝ＨＶｃｒｙ／（τ／σｍｅａｎ） ・・・（ｃ）
(Step H)
For each of the above test materials, using the hardness coefficient HV cry obtained in Step D, the nominal stress σ mean applied to the analysis model in Step G, and the shear stress τ obtained in Step G, for each of a plurality of elements The parameter PM defined by the following equation (c) is obtained. In the present embodiment, for example, the parameter PM is obtained for all elements of the crystal orientation map of each test material obtained in step B.
PM = HV cry / (τ / σ mean ) (c)
（ステップＩ）
各試験材について、ステップＨで得た複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから、強度推定パラメータを決定する。本実施形態では、試験材ごとに、ステップＨで得た複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を、その試験材の強度推定パラメータに決定する。なお、本実施形態に係る評価方法では、試験材において、パラメータＰＭの値が小さい部分ほど強度が低くなると考えて、複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を強度推定パラメータとしている。
(Step I)
For each test material, the strength estimation parameter is determined from the parameters PM for each of the plurality of elements obtained in step H. In the present embodiment, for each test material, the minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in step H is determined as the strength estimation parameter of the test material. In the evaluation method according to the present embodiment, it is assumed that the strength of the test material is lower as the parameter PM is smaller, and the minimum value among the parameters PM of the plurality of elements is used as the strength estimation parameter.
（ステップＪ）
ステップＥで得た各試験材の疲労強度と、ステップＩで得た各試験材の強度推定パラメータとから、強度推定関係を求める。本実施形態では、例えば、疲労強度と強度推定パラメータとの関係を示すマスターカーブを、強度推定関係として求める（例えば、後述の図３参照）。上記マスターカーブは、例えば、最小二乗法を用いて求めた近似式から得ることができる。
(Step J)
From the fatigue strength of each test material obtained in step E and the strength estimation parameter of each test material obtained in step I, a strength estimation relationship is obtained. In the present embodiment, for example, a master curve indicating the relationship between fatigue strength and strength estimation parameters is obtained as the strength estimation relationship (for example, see FIG. 3 described later). The master curve can be obtained, for example, from an approximate expression obtained using the least square method.
（金属材料の疲労強度を評価する処理）
次に、評価材料となる金属材料（評価材）の疲労強度を、上述の強度推定関係（図３参照）を用いて評価するためのステップ１〜８について説明する。
(Process to evaluate fatigue strength of metal materials)
Next, steps 1 to 8 for evaluating the fatigue strength of a metal material (evaluation material) as an evaluation material using the above-described strength estimation relationship (see FIG. 3) will be described.
（ステップ１）
上述のステップＡ１と同様に、評価材のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得る。
(Step 1)
Similar to Step A1 described above, a crystal orientation map having a plurality of elements is obtained for the microstructure of the evaluation material.
（ステップ２）
ステップ１で得た結晶方位マップの各要素の結晶方位情報に基づいて、評価材の複数の結晶粒それぞれの粒径、評価材の各要素におけるテイラー因子、および評価材の各要素におけるＫＡＭ値を求める。なお、ステップ２では、例えば、評価材において、上述のステップＥの疲労試験における荷重の負荷方向と同じ方向に降伏荷重が加わった状態（引張状態）を仮定して、テイラー因子を算出することができる。具体的には、評価材の各要素について、上記負荷方向に均一なひずみが加わった状態を仮定して、テイラー因子を算出することができる。
(Step 2)
Based on the crystal orientation information of each element of the crystal orientation map obtained in step 1, the grain size of each of the plurality of crystal grains of the evaluation material, the Taylor factor in each element of the evaluation material, and the KAM value in each element of the evaluation material Ask. In Step 2, for example, assuming that a yield load is applied to the evaluation material in the same direction as the load direction in the fatigue test in Step E described above (tensile state), the Taylor factor can be calculated. it can. Specifically, the Taylor factor can be calculated assuming that a uniform strain is applied in the load direction for each element of the evaluation material.
（ステップ３）
評価材について、ステップＡで得た係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、およびＨ５の値と、ステップ２で得た粒径、テイラー因子、およびＫＡＭ値とを用いて、上記結晶方位マップの複数の要素ごとに、上述の（ｂ）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求める。すなわち、本実施形態では、ステップ１で得た結晶方位マップの全ての要素について硬さ係数ＨＶｃｒｙが算出される。
(Step 3)
For the evaluation material, using the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 , and H 5 obtained in Step A and the grain size, Taylor factor, and KAM value obtained in Step 2, the crystal orientation map For each of the plurality of elements, the hardness coefficient HV cry defined by the above-described equation (b) is obtained. That is, in the present embodiment, the hardness coefficient HV cry is calculated for all elements of the crystal orientation map obtained in step 1.
（ステップ４）
評価材に対応する解析モデルを作成する。解析モデルには、ステップ１で得た結晶方位マップの複数の要素に対応するように、複数の要素が形成される。本実施形態では、例えば、ステップＦにおける解析モデル（図２参照）と同様に、複数の８節点ソリッド要素が解析モデルに形成される。
(Step 4)
Create an analysis model corresponding to the evaluation material. In the analysis model, a plurality of elements are formed so as to correspond to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in step 1. In the present embodiment, for example, a plurality of 8-node solid elements are formed in the analysis model, similarly to the analysis model in step F (see FIG. 2).
（ステップ５）
ステップ４で複数の要素が形成された解析モデルを用いて、ステップＧと同様に、有限要素法による解析を行う。具体的には、解析モデルに任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、各要素に発生する主すべり系のせん断応力τを求める。
(Step 5)
Similar to step G, analysis by the finite element method is performed using an analysis model in which a plurality of elements are formed in step 4. Specifically, an arbitrary nominal stress σ mean is applied to the analysis model to determine the shear stress τ of the main slip system generated in each element.
（ステップ６）
評価材について、ステップ３で得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、ステップ５で解析モデルに負荷させた公称応力σｍｅａｎ、およびステップ５で得たせん断応力τを用いて、複数の要素ごとに、上述の（ｃ）式で規定されるパラメータＰＭ（ステップＨ参照）を求める。本実施形態では、例えば、ステップ１で得た評価材の結晶方位マップの全ての要素について、パラメータＰＭが求められる。
(Step 6)
For the evaluation material, the hardness coefficient HV cry obtained in step 3, the nominal stress σ mean loaded in the analysis model in step 5, and the shear stress τ obtained in step 5 are used for each of the plurality of elements. A parameter PM (see step H) defined by the equation (c) is obtained. In the present embodiment, for example, the parameter PM is obtained for all elements of the crystal orientation map of the evaluation material obtained in step 1.
（ステップ７）
評価材について、ステップ６で得た複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから強度推定パラメータを決定する。本実施形態では、ステップ６で得た複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を、評価材の強度推定パラメータに決定する。
(Step 7)
For the evaluation material, the strength estimation parameter is determined from the parameters PM for each of the plurality of elements obtained in step 6. In this embodiment, the minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in step 6 is determined as the strength estimation parameter of the evaluation material.
（ステップ８）
ステップ７で決定した強度推定パラメータと、ステップＪで得たマスターカーブ（図３参照）とから、評価材の疲労強度を推定する。
(Step 8)
From the strength estimation parameter determined in step 7 and the master curve obtained in step J (see FIG. 3), the fatigue strength of the evaluation material is estimated.
（本実施形態の作用効果）
本実施形態に係る評価方法では、結晶粒の粒径、テイラー因子およびＫＡＭ値を考慮して求められた、疲労強度と強度推定パラメータとの関係を示すマスターカーブ（強度推定関係）が用いられる。また、評価材の強度推定パラメータは、結晶粒の粒径、テイラー因子およびＫＡＭ値を考慮して求められる。そして、求めた評価材の強度推定パラメータと上記マスターカーブとから、評価材の時間強度を求めることができる。この場合、評価材のミクロ組織の状態（すなわち、評価材の劣化の程度）に応じて決定される強度推定パラメータに基づいて、評価材の時間強度を求めることができる。これにより、疲労強度を定量的に評価することができる。
(Operational effect of this embodiment)
In the evaluation method according to the present embodiment, a master curve (strength estimation relationship) indicating the relationship between the fatigue strength and the strength estimation parameter, which is obtained in consideration of the grain size of the crystal grains, the Taylor factor, and the KAM value, is used. Further, the strength estimation parameter of the evaluation material is obtained in consideration of the grain size of the crystal grains, the Taylor factor, and the KAM value. Then, the time strength of the evaluation material can be obtained from the obtained strength estimation parameter of the evaluation material and the master curve. In this case, the time strength of the evaluation material can be obtained based on the strength estimation parameter determined in accordance with the state of the microstructure of the evaluation material (that is, the degree of deterioration of the evaluation material). Thereby, fatigue strength can be evaluated quantitatively.
（他の実施形態）
上述の実施形態では、ＫＡＭ値を考慮して評価材の疲労強度を推定する場合について説明したが、加工硬化を考慮しなくてもよい金属材料の評価を行う場合には、ＫＡＭ値を考慮しなくてもよい。以下、ＫＡＭ値を考慮しない場合の疲労強度評価方法について説明する。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the case where the fatigue strength of the evaluation material is estimated in consideration of the KAM value has been described. However, when evaluating a metal material that does not need to consider work hardening, the KAM value is considered. It does not have to be. Hereinafter, the fatigue strength evaluation method when the KAM value is not considered will be described.
ＫＡＭ値を考慮しない場合、ステップＡでは、上述の（ａ）式の代わりに、下記の（ｄ）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、およびαの値を決定する。したがって、基準材に関して、ステップＡ２においてＫＡＭ値を求める必要はなく、ステップＡ４においてＫＡＭ値を考慮する必要もない。なお、下記の（ｄ）式は、上述の（ａ）式と同様に、任意の試験荷重Ｐに対応する基準材の硬さＨＶｌｏｃａｌを推定するための式である。
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ））・Ｐ−α ・・・（ｄ）
上記の（ｄ）式において、ｄは硬さ推定位置の結晶粒の粒径を示し、Ｍは硬さ推定位置におけるテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示す。
When the KAM value is not considered, in step A, the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 , and α in the following equation (d) are determined instead of the above equation (a). Therefore, for the reference material, it is not necessary to obtain the KAM value in Step A2, and it is not necessary to consider the KAM value in Step A4. In addition, the following (d) Formula is a formula for estimating the hardness HV local of the reference | standard material corresponding to the arbitrary test loads P similarly to the above-mentioned (a) Formula.
HV local = (H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min )) · P −α (d)
In the above formula (d), d represents the grain size of the crystal grain at the estimated hardness position, M represents the Taylor factor at the estimated hardness position, and M min represents the minimum value of the Taylor factor.
また、試験材に関して、ステップＣにおいてＫＡＭ値を求める必要はなく、ステップＤにおいてＫＡＭ値を考慮する必要もない。具体的には、ステップＤでは、上述の（ｂ）式の代わりに、下記の（ｅ）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求める。
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ） ・・・（ｅ）
上記の（ｅ）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示す。
Further, regarding the test material, it is not necessary to obtain the KAM value in Step C, and it is not necessary to consider the KAM value in Step D. Specifically, in step D, the hardness coefficient HV cry defined by the following equation (e) is obtained instead of the above equation (b).
HV cry = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) (e)
In the above formula (e), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, and M min represents the minimum value of the Taylor factor.
さらに、評価材に関して、ステップ２においてＫＡＭ値を求める必要はなく、ステップ３においてＫＡＭ値を考慮する必要もない。具体的には、ステップ３では、上述の（ｂ）式の代わりに、上述の（ｅ）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求める。 Further, regarding the evaluation material, it is not necessary to obtain the KAM value in Step 2 and it is not necessary to consider the KAM value in Step 3. Specifically, in step 3, the hardness coefficient HV cry defined by the above equation (e) is obtained instead of the above equation (b).
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ステップＩおよびステップ７において、複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を強度推定パラメータに決定する場合について説明したが、強度推定パラメータの決定方法は上述の例に限定されない。例えば、複数の要素のパラメータＰＭの平均値および標準偏差を求め、該平均値から該標準偏差の２倍の値を減算して得られる値を強度推定パラメータに決定してもよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the case where the minimum value among the parameters PM of a plurality of elements is determined as the intensity estimation parameter in Step I and Step 7 has been described, but the method of determining the intensity estimation parameter is not limited to the above-described example. . For example, an average value and a standard deviation of the parameters PM of a plurality of elements may be obtained, and a value obtained by subtracting a value twice the standard deviation from the average value may be determined as the intensity estimation parameter.
（評価例）
以下、上述の方法によって得られた強度推定パラメータと時間強度との関係を示すマスターカーブ（評価例１）を、他の方法によって得られた強度推定パラメータと時間強度との関係を示すマスターカーブ（評価例２，３）と比較する。なお、評価例１〜３は、ＢＣＣの結晶構造を有する鋼材について評価した例である。
(Evaluation example)
Hereinafter, a master curve (Evaluation Example 1) showing the relationship between the intensity estimation parameter obtained by the above-described method and the time intensity is shown as a master curve (Evaluation Example 1) showing the relationship between the intensity estimation parameter obtained by another method and the time intensity ( Compare with Evaluation Examples 2 and 3). Evaluation examples 1 to 3 are examples in which steel materials having a BCC crystal structure were evaluated.
図３に、評価例１のマスターカーブを示し、図４に評価例２のマスターカーブを示し、図５に評価例３のマスターカーブを示す。評価例１は、上述のステップＡ〜Ｊの処理を実行することによって得られたマスターカーブである。 FIG. 3 shows a master curve of Evaluation Example 1, FIG. 4 shows a master curve of Evaluation Example 2, and FIG. 5 shows a master curve of Evaluation Example 3. Evaluation Example 1 is a master curve obtained by executing the processes of Steps A to J described above.
評価例２は、下記の点において評価例１と異なる。評価例２では、結晶方位マップの全ての要素について、ステップＨのパラメータＰＭの代わりに、ＨＶｌｏｃａｌ（ステップＡ参照）をパラメータＰＭ１として用いた。さらに、複数の要素のパラメータＰＭ１の平均値および標準偏差を求め、該平均値から該標準偏差の２倍の値を減算して得られる値を強度推定パラメータとした。 Evaluation Example 2 differs from Evaluation Example 1 in the following points. In Evaluation Example 2, HV local (see Step A) was used as the parameter PM1 instead of the parameter PM of Step H for all elements of the crystal orientation map. Furthermore, an average value and a standard deviation of the parameter PM1 of a plurality of elements were obtained, and a value obtained by subtracting a value twice the standard deviation from the average value was used as an intensity estimation parameter.
評価例３は、下記の点において評価例１と異なる。評価例３では、結晶方位マップの全ての要素について、ステップＨのパラメータＰＭの代わり、主すべり系のせん断応力τ（ステップＧ参照）をパラメータＰＭ２として用いた。さらに、複数の要素のパラメータＰＭ２のうちの最大値を強度推定パラメータとした。 Evaluation Example 3 differs from Evaluation Example 1 in the following points. In Evaluation Example 3, for all elements of the crystal orientation map, the shear stress τ (see Step G) of the main slip system was used as the parameter PM2 instead of the parameter PM of Step H. Furthermore, the maximum value among the parameters PM2 of the plurality of elements was used as the intensity estimation parameter.
図３〜５から分かるように、上述のステップＡ〜Ｊの処理によって得られたマスターカーブでは、他の方法によって得られたマスターカーブよりも、強度推定パラメータと時間強度との間に、良好な正の相関関係が得られることが分かった。 As can be seen from FIGS. 3 to 5, the master curve obtained by the processes of steps A to J described above is better between the strength estimation parameter and the time strength than the master curve obtained by other methods. It was found that a positive correlation was obtained.
本発明によれば、金属材料の疲労強度を定量的に評価することができる。 According to the present invention, the fatigue strength of a metal material can be quantitatively evaluated.
Claims (6)
（１）評価対象の金属材料のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得るステップ
（２）前記（１）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、前記評価対象の金属材料の複数の結晶粒それぞれの粒径、前記複数の要素それぞれのテイラー因子、および前記評価対象の金属材料の加工硬化を考慮する場合はさらに前記複数の要素それぞれのＫＡＭ値を求めるステップ
（３）前記評価対象の金属材料について、予め求められた係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＨ５の値と、前記（２）のステップで得た粒径、テイラー因子、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＫＡＭ値とを用いて、前記複数の要素ごとに、下記の（i）式または（ii）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求めるステップ（ただし、前記加工硬化を考慮する場合は下記の（i）式、考慮しない場合は下記の（ii）式を用いる）
（４）前記評価対象の金属材料に対応する解析モデルに、前記（１）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素に対応する複数の要素を形成するステップ
（５）前記（４）のステップで複数の要素を形成した解析モデルに任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、該解析モデルの前記複数の要素にそれぞれ発生する主すべり系のせん断応力τを求めるステップ
（６）前記評価対象の金属材料について、前記（３）のステップで得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、前記（５）のステップで負荷させた公称応力σｍｅａｎ、および前記（５）のステップで得たせん断応力τを用いて、前記複数の要素ごとに、下記の（iii）式で規定されるパラメータＰＭを求めるステップ
（７）前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから強度推定パラメータを決定するステップ
（８）前記（７）のステップで決定した強度推定パラメータと前記予め求められた強度推定関係とから、前記評価対象の金属材料の疲労強度を推定するステップ
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２ ・・・（i）
ＨＶｃｒｙ＝Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ） ・・・（ii）
ＰＭ＝ＨＶｃｒｙ／（τ／σｍｅａｎ） ・・・（iii）
ただし、上記の（i）式から（iii）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θはＫＡＭ値を示す。 A method for evaluating the fatigue strength of a metal material using a strength estimation relationship between a fatigue strength and a strength estimation parameter obtained in advance, comprising the following steps (1) to (8): Evaluation methods.
(1) Step of obtaining a crystal orientation map having a plurality of elements for the microstructure of the metal material to be evaluated (2) In the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step of (1) Based on the grain size of each of the plurality of crystal grains of the metal material to be evaluated , the Taylor factor of each of the plurality of elements, and the work hardening of the metal material to be evaluated , Step for obtaining KAM value (3) For the metal material to be evaluated, the values H 5 , H 2 , H 3 obtained in advance, and the value of H 5 when considering work hardening , and (2) When considering the particle size obtained in the step, Taylor factor, and the work hardening , and further using the KAM value, for each of the plurality of elements, the following formula (i) or (ii) The step of obtaining the hardness coefficient HV cry specified in (If the work hardening is taken into account, the following equation (i) is used; otherwise, the following equation (ii) is used)
(4) A step of forming a plurality of elements corresponding to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step of (1) in an analysis model corresponding to the metal material to be evaluated (5) (6) the step of applying an arbitrary nominal stress σ mean to the analysis model in which a plurality of elements are formed in the step (5) to determine the shear stress τ of the main slip system generated in each of the plurality of elements of the analysis model (6) For the metal material to be evaluated, the hardness coefficient HV cry obtained in the step (3), the nominal stress σ mean applied in the step (5), and the shear stress τ obtained in the step (5) Step (7) for obtaining the parameter PM defined by the following formula (iii) for each of the plurality of elements, using (7): Obtaining the metal material to be evaluated in step (6) A step of determining an intensity estimation parameter from among the parameters PM for each of the plurality of elements (8) from the intensity estimation parameter determined in the step of (7) and the previously obtained intensity estimation relationship, the metal to be evaluated Step of estimating fatigue strength of material HV cry = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 (i)
HV cry = H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) (ii)
PM = HV cry / (τ / σ mean ) (iii)
However, in the above formulas (i) to (iii), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, M min represents the minimum value of the Taylor factor, and θ represents the KAM value.
（Ａ）評価対象の前記金属材料に対応する基準材を用意し、任意の試験荷重Ｐに対応する該基準材の硬さＨＶｌｏｃａｌを推定するための下記の（iv）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値、または下記の（v）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３およびαの値を決定するステップ（ただし、前記加工硬化を考慮する場合は下記の（iv）式、考慮しない場合は下記の（v）式の係数の値を決定する）
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ）＋Ｈ５θ１／２）・Ｐ−α ・・・（iv）
ＨＶｌｏｃａｌ＝（Ｈ０＋Ｈ２ｄ−１／２＋Ｈ３（Ｍ−Ｍｍｉｎ））・Ｐ−α ・・・（v）
ただし、上記の（iv）式および（v）式において、ｄは粒径を示し、Ｍはテイラー因子を示し、Ｍｍｉｎはテイラー因子の最小値を示し、θはＫＡＭ値を示す。 2. The coefficient H 0 , H 2 , H 3 obtained in the following step (A) and the value of H 5 are further used in the step (3) when considering the work hardening. Of evaluating fatigue strength of metallic materials.
(A) A reference material corresponding to the metal material to be evaluated is prepared, and a coefficient H 0 of the following equation (iv) for estimating the hardness HV local of the reference material corresponding to an arbitrary test load P, H 2, H 3, H 5 and the value of alpha or below (v) expression of factors H 0, H 2, determining the value of H 3 and alpha (However, when considering the work hardening below, (Iv) of equation, and if not considered, determine the value of the coefficient of equation (v) below)
HV local = (H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min ) + H 5 θ 1/2 ) · P −α (iv)
HV local = (H 0 + H 2 d −1/2 + H 3 (M−M min )) · P −α (v)
In the above formulas (iv) and (v), d represents the particle size, M represents the Taylor factor, M min represents the minimum value of the Taylor factor, and θ represents the KAM value.
（Ａ１）前記基準材のミクロ組織について、複数の要素を有する結晶方位マップを得るステップ
（Ａ２）前記（Ａ１）のステップで得た結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、前記基準材の複数の結晶粒ごとに、粒径、テイラー因子、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＫＡＭ値を求めるステップ
（Ａ３）前記基準材の前記複数の結晶粒ごとに硬さを測定するステップ
（Ａ４）前記（Ａ２）のステップで得た粒径、テイラー因子、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＫＡＭ値と、前記（Ａ３）のステップで得た硬さとを、前記複数の結晶粒ごとに対応付けて、最適化することによって、上記の（iv）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ５およびαの値、または上記の（v）式の係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３およびαの値を決定するステップ（ただし、前記加工硬化を考慮する場合は上記の（iv）式、考慮しない場合は上記の（v）式の係数の値を決定する） The said (A) step is a fatigue strength evaluation method of the metal material of Claim 2 which has the following steps (A1)-(A4).
(A1) Obtaining a crystal orientation map having a plurality of elements for the microstructure of the reference material (A2) Based on the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step (A1), When considering the grain size, Taylor factor, and work hardening for each of the plurality of crystal grains of the reference material, a step of obtaining a KAM value (A3) Measuring the hardness of the plurality of crystal grains of the reference material (A4) When considering the particle size, the Taylor factor, and the work hardening obtained in the step (A2), the KAM value and the hardness obtained in the step (A3) are further calculated . By associating and optimizing each crystal grain, the values of the coefficients H 0 , H 2 , H 3 , H 5 and α in the above formula (iv), or the coefficient H 0 in the above formula (v), H 2, H 3 Determining a value of pre-alpha (provided that the above (iv) expression, if not taken into account to determine the values of the coefficients in the above (v) expression when considering the work hardening)
（Ｂ）前記評価対象の金属材料に対応する複数の試験材を用意し、各試験材のミクロ組織について、複数の要素からなる結晶方位マップを得るステップ
（Ｃ）前記（Ｂ）のステップで得た結晶方位マップの前記複数の要素の結晶方位情報に基づいて、各試験材の複数の結晶粒それぞれの粒径、各試験材の前記複数の要素それぞれのテイラー因子、および前記加工硬化を考慮する場合はさらに各試験材の前記複数の要素それぞれのＫＡＭ値を求めるステップ
（Ｄ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ａ）のステップで得た係数Ｈ０、Ｈ２、Ｈ３、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＨ５の値と、前記（Ｃ）のステップで得た粒径、テイラー因子、および前記加工硬化を考慮する場合はさらにＫＡＭ値とを用いて、前記複数の要素ごとに、上記の（i）式または（ii）式で規定される硬さ係数ＨＶｃｒｙを求めるステップ（ただし、前記加工硬化を考慮する場合は上記の（i）式、考慮しない場合は上記の（ii）式を用いる）
（Ｅ）前記複数の試験材についてそれぞれ、疲労試験によって疲労強度を求めるステップ、
（Ｆ）前記複数の試験材に対応する複数の解析モデルにそれぞれ、前記（Ｂ）のステップで得た前記結晶方位マップの前記複数の要素に対応する複数の要素を形成するステップ、
（Ｇ）前記（Ｆ）のステップで複数の要素を形成した複数の解析モデルにそれぞれ任意の公称応力σｍｅａｎを負荷させて、各解析モデルの前記複数の要素にそれぞれ発生する主すべり系のせん断応力τを求めるステップ
（Ｈ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｄ）のステップで得た硬さ係数ＨＶｃｒｙ、前記（Ｇ）のステップで負荷させた公称応力σｍｅａｎ、および前記（Ｇ）のステップで得たせん断応力τを用いて、前記複数の要素ごとに、上記の（iii）式で規定されるパラメータＰＭを求めるステップ
（Ｉ）前記複数の試験材についてそれぞれ、前記（Ｈ）のステップで得た前記複数の要素ごとのパラメータＰＭのうちから強度推定パラメータを決定するステップ
（Ｊ）前記（Ｅ）のステップで得た各試験材の疲労強度と、前記（Ｉ）のステップで得た各試験材の強度推定パラメータとから、前記強度推定関係を求めるステップ The fatigue strength evaluation method for a metal material according to claim 2 or 3, wherein the strength estimation relationship is obtained in the following steps (B) to (J).
(B) preparing a plurality of test materials corresponding to the metal material to be evaluated and obtaining a crystal orientation map composed of a plurality of elements for the microstructure of each test material (C) obtained in the step (B) Based on the crystal orientation information of the plurality of elements of the crystal orientation map, the grain size of each of the plurality of crystal grains of each test material, the Taylor factor of each of the plurality of elements of each test material, and the work hardening are considered. If each further for said plurality of elements determining the respective KAM value step (D) said plurality of test material in each test material, the coefficient H 0 obtained in step (a), H 2, H 3, and the When work hardening is taken into consideration, the value of H 5 is further used , and the particle size obtained in the step (C), the Taylor factor, and when work hardening is taken into account, the KAM value is used. Step of obtaining the hardness coefficient HV cry defined by the above formula (i) or (ii) for each element of the above (however, when considering the work hardening, the above formula (i), when not considering (Use equation (ii) above)
(E) obtaining a fatigue strength by a fatigue test for each of the plurality of test materials,
(F) forming a plurality of elements corresponding to the plurality of elements of the crystal orientation map obtained in the step (B), respectively, on a plurality of analysis models corresponding to the plurality of test materials;
(G) An arbitrary nominal stress σ mean is applied to a plurality of analysis models in which a plurality of elements are formed in the step (F), and the shear of the main slip system generated in each of the plurality of elements of each analysis model Step for obtaining stress τ (H) For each of the plurality of test materials, the hardness coefficient HV cry obtained in the step (D), the nominal stress σ mean applied in the step (G), and the (G (I) Step for obtaining the parameter PM defined by the above equation (iii) for each of the plurality of elements using the shear stress τ obtained in step (I). A step of determining a strength estimation parameter from the parameters PM for each of the plurality of elements obtained in the step of (J) and a fatigue strength of each test material obtained in the step of (E) And obtaining the strength estimation relationship from the strength estimation parameters of each test material obtained in the step (I).
前記（７）のステップでは、前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭのうちの最小値を強度推定パラメータとする、請求項４に記載の金属材料の疲労強度評価方法。 In the step (I), for each of the plurality of test materials, a minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in the step (H) is used as a strength estimation parameter.
5. The step according to claim 4, wherein in the step of (7), a minimum value among the parameters PM of the plurality of elements obtained in the step of (6) is used as the strength estimation parameter for the metal material to be evaluated. Fatigue strength evaluation method for metal materials.
前記（７）のステップでは、前記評価対象の金属材料について、前記（６）のステップで得た前記複数の要素のパラメータＰＭの平均値および標準偏差を求め、該平均値から該標準偏差の２倍の値を減算して得られる値を強度推定パラメータとする、請求項４に記載の金属材料の疲労強度評価方法。 In the step (I), an average value and a standard deviation of the parameter PM of the plurality of elements obtained in the step (H) are obtained for each of the plurality of test materials, and 2 of the standard deviation is obtained from the average value. The value obtained by subtracting the double value is used as an intensity estimation parameter,
In the step (7), an average value and a standard deviation of the parameter PM of the plurality of elements obtained in the step (6) are obtained for the metal material to be evaluated, and the standard deviation of 2 is obtained from the average value. The method for evaluating fatigue strength of a metal material according to claim 4, wherein a value obtained by subtracting the double value is used as a strength estimation parameter.
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