JP2006234390A - 金属板の温度負荷状態での特性測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属材料の高温状態での加工を精度良く行うためには材料の塑性変形特性の把握が必要であるが、従来は所要温度毎に材料を取換え特性測定を繰返していた。本発明は１枚の材料で１回の連続した試験で各温度における特性を測定し得る。
【解決手段】 金属板１１を支持する２つの支持体７と、金属板に荷重を印加し、一定の速度で金属板を変形させる負荷体２と、金属板の変形に関与する部分を昇温するための加熱器１２と、加熱器の出力を所定の温度に制御する制御器６とを備え、金属板を常温から温度ｔ₁に昇温して、温度ｔ₁における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、その後常温に戻して、同一の金属板で改めて温度ｔ₁とは異なる温度ｔ₂に昇温して、温度ｔ₂におけ
る上記金属板の荷重−変形特性を測定し、さらに同様な作業を各々異なる温度でｎ（ｎは２以上の整数）回繰り返し、それぞれの温度における測定結果より複数の温度状態における上記金属板の荷重−変形特性を測定することにより、諸特性が導出し得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度負荷状態における金属板の諸特性の測定方法及び同測定装置に関する。

自動車を軽量化し燃費を向上させるため、車体に高張力鋼板を採用する傾向が急速に強まっている。また、バンパーやドアの対衝撃補強用、さらにシート用部材には９８０ＭＰａ級の超高張力鋼板の適用が拡大している。このような材料の高張力化にともなって、材料の成形加工時における割れやスプリングバックによる形状凍結不良の問題が大きくなりクローズアップされている。

このような問題の対応策として材料を高温状態でプレス加工する方法が模索されているが、高温状態での成形を精度良く行なうためには、温度に対する材料の塑性変形特性を把握しておく必要がある。

温度に対する材料の塑性変形特性を知るためには、試験片を加熱炉に入れて引張試験を行なう方法がある。しかし、この方法の場合、ひずみの測定法や温度分布に問題があるため特殊な形状の試験片を用いたりオイルバス中に浸漬するなどの方法がとられている。

一方、プレス加工においては高温下での変形抵抗、高温から室温に戻した場合の変形抵抗やスプリングバック量を考慮して製品形状に応じた最適な温度を選択することが必要になる。このような背景から、高温における加工特性を求める簡易な測定法が望まれる。

これまで高温における材料の加工特性を得るには、引張試験機を用い、試験片を小型の加熱炉に入れて引張試験を行なっている。この方法で多段階の温度でのデータを求める場合、段階数に相当する多くの試験片と多くの時間を必要とする（例えば、非特許文献１参照）。

従来、金属板の加工特性等の測定が所定温度毎に材料を所定温度状態にして特性測定し、複数の温度における測定は別個の材料を用いて、その都度特性測定を繰り返していたのは、測定精度へのこだわり、加熱器の性能とかの問題があったように考えられ、又現実的には時間と費用をかけた特性測定でも大きな支障はなかったと考えられる。
塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第３１巻第３５７号（１９９０−１０）第１２０８頁〜第１２１４頁

本発明の課題は、材料である１枚の金属板でもって、１回の連続した試験でもって、複数の段階の温度における金属板の諸特性を測定しようとするものである。

本発明請求項１の発明は、引張・圧縮試験機を用いた金属板の材料試験において、金属板を常温から温度ｔ₁に昇温して、温度ｔ₁における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、その後常温に戻して、同一の金属板で改めて温度ｔ₁とは異なる温度ｔ₂に昇温して、温度ｔ₂における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、さらに同様な作業を各々異なる温
度でｎ（ｎは２以上の整数）回繰り返し、それぞれの温度における測定結果より複数の温度状態に対する上記金属板の荷重−変形特性を測定することを特徴とする金属板の温度負荷状態での特性測定方法を提供する。

本発明請求項２の発明は、被測定物である金属板を支持する２つの支持体と、上記２つの支持体に支持された上記金属板に荷重を印加し、一定の速度で上記金属板を変形させる負荷体と、上記金属板の変形に関与する部分を所定の複数の温度に昇温するための加熱器と、上記加熱器の出力を所定の温度に制御する制御器とを備えた金属板の温度負荷状態での特性測定装置を提供する。

本発明請求項３の発明は、被測定物である金属板を支持する２つの支持体と、上記２つの支持体に支持された上記金属板に荷重を印加し、一定の速度で上記金属板を変形させる負荷体と、上記金属板の変形に関与する部分を所定の複数の温度に昇温するための加熱器と、上記加熱器の出力を所定の温度に制御する制御器とを備え、上記金属板を常温から温度ｔ₁に昇温して、温度ｔ₁における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、その後常温に戻して、同一の金属板で改めて温度ｔ₁とは異なる温度ｔ₂に昇温して、温度ｔ₂における
上記金属板の荷重−変形特性を測定し、さらに同様な作業を各々異なる温度でｎ（ｎは２以上の整数）回繰り返し、それぞれの温度における測定結果より複数の温度状態における上記金属板の荷重−変形特性を測定するようにした金属板の温度負荷状態での特性測定装置を提供する。

本発明は、金属板を高温にすることと室温に戻すことを繰り返したときの変形抵抗を測定することにより、種々の温度における金属板の特性を簡便に測定し得る方法及び装置を提供し得た。

即ち１枚の金属板試験片を用いた温度サイクルを付与した変形抵抗の測定で実用上有為な金属板の高温特性が得られ、したがって、本方法はプレス用鋼板の変形抵抗に及ぼす成形温度の影響の実用的簡易測定法として用いることができる。

又、高温状態での変動変形抵抗とその高温を経過した後の室温での変動変形抵抗のデータを同時に得ることができ、両データの比較で加工条件に最適な温度を選択し得る。

更に又、金属鋼板のばね定数の温度特性と弾性係数の温度特性は変化率で比較するとほぼ一致し、したがって本試験で得たばね定数と温度の関係を示す近似式を用いて変動変形抵抗値から所定温度でのスプリングバック量を予測することができる。

本発明における金属板の負荷状態での特性測定方法及び同測定装置について、一実施例を示す図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の測定装置の構成を示す図である。図１において、１１は被測定物である金属板であり、この金属板１１は左右２点において支持体７により支持される。左右の支持点のほぼ中央において金属板１１に荷重を印加する負荷体２がある。負荷体２には、引張・圧縮試験機のクロスヘッド１中の荷重測定器に熱による悪影響を与えないように水冷を行なうパイプ１３が備えられ、又負荷体２の先端には金属板１１の均一加熱を目的として断熱性の高い直径１８ｍｍの石英ガラス棒３が備えられている。更に支持体７の先端の金属板１１を受ける部分は、直径１０ｍｍの鋼棒４をボールベアリングを用いて回転可能にし摩擦による変形抵抗への影響を無視できるようにしている。１２は赤外線加熱器、１０は冷却装置でそれぞれ金属板１１の石英ガラス棒との接点付近、即ち加熱部１４を加熱及び冷却するものである。６はＰＩＤ（比例・積分・微分）制御器であり、加熱部１４の温度の測定には加熱面中央にスポット溶接した線径０．３２ｍｍのＫ種熱電対５を用い、出力をフィードバックしたＰＩＤ制御により金属板を目標の温度に制御した。尚、冷却
は送風による強制冷却としたが、自然冷却と比較して送風による冷却が変形抵抗の値に影響を及ぼさないことを確認した。尚、図中、８は赤外線加熱器１２の支持具、９は基台である。

以下の実施例においては、金属板として次の鋼板を用いた。即ち、一般冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）と高張力鋼板であるＪＳＣ５９０Ｙ及びＪＳＣ９８０Ｙ（これらはいずれもＤｕａｌ Ｐｈａｓｅ鋼）である。

この装置において、クロスヘッド１を０．５ｍｍ／ｍｉｎの一定速度で押し下げながら、鋼板よりなる試験片を室温から目標温度への加熱と目標温度から室温への冷却を繰り返し、１枚の試験片で複数の温度での三点曲げの変形抵抗を測定した。加熱に要した時間は２００〜５００℃は１分間、６００℃と７００℃は２分間であり、冷却の時間は３〜７分間であった、なお、室温は２３℃であった。

図２の上部は、温度サイクルを示している。室温から第１の試験温度である２００℃に加熱し２００℃に到達後、室温まで送風冷却し、その後送風を停止し第２の試験条件である３００°に加熱後、送風冷却した。このようなことを７００℃まで繰り返し行なった。目標温度と実到達温度の誤差は平均で１．８６％、最大で５．８５％であった。

図２の下部は、この温度サイクルを付与しながら三点曲げを行なった時の変形抵抗を示す。温度サイクルの極大値において変形抵抗は極小値をとり、室温に戻ると変形抵抗は極大値をとった。図２中の細破線で示すように温度サイクルと変形抵抗の挙動は同期した。

温度サイクル下での変形抵抗を評価するための基準として、図２中の太破線で示す室温一定での変形抵抗を測定した。最大ストロークに至った後は押し下げと同じ速度（０．５ｍｍ／ｍｉｎ）でクロスヘッドを上昇させた。弾性の影響の少ない変形領域で変形抵抗を評価するためストロークが０ｍｍから２０ｍｍまでは温度サイクル試験の対象としなかった。

図３、図４、図５は、供試材料の変形抵抗に及ぼす試験片温度の影響を示す。図３中の太実線は、ＳＰＣＣ試験片に図２で示した温度サイクルを付与した場合のクロスヘッドストロークに対する変形抵抗を示す。変形抵抗はストローク２０ｍｍ以降２００℃への加熱にともない減少し、続く室温への送風冷却で上昇している。その後の目標温度への加熱と室温への冷却に伴い、のこ歯状に変化している。引張試験機で測定される変形抵抗は、変形によって生じる試験片両側のなす角度の影響を受けるため、適宜数値の補正をした。

図４、図５は、それぞれＪＳＣ５９０ＹおよびＪＳＣ９８０Ｙについての結果である。変形抵抗レベルはＳＰＣＣの結果に比べ高くなっているが定性的にＳＰＣＣと同様である。また、２００〜４００℃では温度サイクルを付与した変形抵抗の極大値は破線で示す室温一定下で測定した変形抵抗より大きい。これは青熱脆性によるものと考えられる。

本発明は一枚の試験片を用いて、温度サイクル下での種々の温度における変形抵抗を測定することにより、必要な材料の高温特性を知ることが目的である。そのため温度サイクルの試験結果に一定温度で三点曲げ試験を行なった場合の変形抵抗を重ねて表示した。図３、図４、図５中で、細実線で示した各曲線はそれぞれ室温および２００〜７００℃の各目標温度に一定に保持して試験をした場合の変形抵抗を示している。

図６は、図３、図４、図５から得られた、各供試材料の各温度における一定温度下の三点曲げ変形抵抗（図３、図４、図５の各細実線の折り返し点の値）と温度サイクル下での三点曲げ変形抵抗の極小値を比較したものである。図６によると、ＪＳＣ５９０Ｙ，ＪＳ
Ｃ９８０Ｙにおいて２００〜４００℃の青熱脆性域で７〜１５％程度温度サイクル下の方が低くなったが、それ以外の温度では両試験で得られた変形抵抗値はほぼ一致している。このことは、従来行なっていた多くの試験片を用いて三点曲げ試験をしなくても本発明で提案した、一つの試験片に温度サイクルを与える三点曲げ試験を行えば、材料の実用的高温塑性変形特性が得られることが判明した。

図７は、温度サイクルをかけた場合の各設定温度に到達時の変動変形抵抗の室温変形抵抗に対する比率を示す。いずれの供試材料においても２００〜３００℃では室温での変形抵抗の９０％であるのに対し、４００℃以上ではその比率が下がり７００℃では２０％の変形抵抗になった。

加熱することにより変形抵抗を下げることができるが、一方では加熱変形後の実使用状態での製品強度の低下が問題となる。そこで、温度サイクル試験で高温下での変形後の送風冷却で室温に戻したときの変形抵抗の室温一定での変形抵抗に対する比率を求めた。加熱時の温度を横軸にとってその比率を示したのが図８である。２００〜４００℃の範囲では、室温の変形抵抗より高温サイクルを付与した場合の変形抵抗の方が大きいか等しくなっている。それ以上の温度では、加熱により温度サイクルでの変形抵抗は低下し７００℃になると室温一定での変形抵抗の４０〜６０％になることがわかる。図７と図８で示される特性を参照すれば、加工に求められる条件をもとに加熱状態でプレス成形をする場合の最適な選択できる。

次に、スプリングバック量の予測について述べる。図３、図４、図５の細実線で示される室温〜７００℃の各温度で曲げ変形を加えた後に除荷して得られた各材料のスプリングバック量を測定した。測定はデジタルビデオカメラ画像を用い、各温度でのクロスヘッド最大ストローク時の試験片の成す角度とクロスヘッドが戻り変形抵抗が０になったときの試験片のなす角度の差を読み取った。なお、読み取りに用いた静止画像のサンプリング間隔は１／３０ｓであった。

図９は、供試材料の加工温度に対する画像データからのスプリングバック量の変化率である。いずれの供試材料も４００℃程度までは室温の場合と比べてスプリングバックは大きく変化しないが４００℃以上では変形温度の上昇とともに減少し、７００℃では３４〜３７％に低下した。

ここでは、図３、図４、図５に示した温度サイクルでの変形抵抗のデータから図９の結果を予測してみる。温度サイクルの各目標温度での変形抵抗の極小値を各目標温度でのばね定数で除しスプリングバックストロークを求め、さらにストロークを角度に変換することで予測する。

本発明は１枚の試験片による１回の試験で温度に対する材料の塑性変形特性を把握することにある。したがって、各温度でのばね定数をあらかじめ用意する必要がある。供試材料の各目標温度でのばね定数を図３、図４、図５中の細実線において、負荷体の押し下げ開始以後の直線部および最大ストロークに到達後の除荷過程の直線部の二つの場合の各温度によりばね定数を求めた。

図１０は、図３、図４、図５のデータより求めたばね定数の温度依存性を示している。図１０中の実線は４００℃までは機械工学会技術資料、５００℃以上は水上らの弾性係数の資料に基づく。ばね定数は弾性係数に比例するものとし、資料から得られた弾性係数と実験により得られたばね定数の温度依存性を比較するため、両者とも室温に対する各温度での変化率を用いた。このグラフから加熱によるばね定数の変化は弾性係数の変化とほぼ一致していることがわかった。

図１０は、温度によるばね定数の変化は鋼板の種類にあまり依存しないことを示している。したがって、スプリングバック予測のためにばね定数の平均変化率と温度の関係を表す近似式（１）を求めた。

ｃ_k＝−２×10^-7ｔ³＋１×10^-4ｔ²−0.041ｔ＋101.07 （１）
ここにｃ_kはばね定数の平均変化率（％）、ｔ（℃）は変動温度である。相関係数は０．
９９７であった。弾性係数の温度依存性については２次式での表現も提案されているが、本発明では相関性の良い式（１）を用いた。

式（１）を用いてスプリングバック量を求める具体的方法を次に示す。
１）温度サイクル試験で各温度到達時の変動変形抵抗を変形変動抵抗値初期の弾性域のばね定数に（１）式で求まる平均変化率をかけたばね定数で除する。
２）これにより、スプリングバックがクロスヘッドのストローク量に変換される。
３）このストローク量を角度に換算する。
４）温度サイクル試験で各温度到達時の変動変形抵抗値を式（１）で求まるばね定数で除する。
５）これにより、スプリングバックがクロスヘッドのストローク量に変換される。
６）このストローク量を角度に換算する。

図１１は、上記手順で温度サイクル付与時の変形抵抗から予測したスプリングバック量の変化率である。図９に示す実測による変化率とほぼ一致しており、鋼板の種類によらず一枚の試験片の温度サイクル試験によりスプリングバック量を予測できた。

本発明の一実施例における特性測定装置の構成を示す図である。 クロスヘッドストロークに対する温度サイクル及び温度サイクル変形抵抗の関係を示す図である。 ＳＰＣＣ試験片において、温度サイクルを付与した場合及び一定温度下の場合のクロスヘッドストロークに対する変形抵抗を示す図である。 ＪＳＣ５９０Ｙ試験片において、温度サイクルを付与した場合及び一定温度下の場合のクロスヘッドストロークに対する変形抵抗を示す図である。 ＪＳＣ９８０Ｙ試験片において、温度サイクルを付与した場合及び一定温度下の場合のクロスヘッドストロークに対する変形抵抗を示す図である。 一定温度下の三点曲げ変形抵抗と温度サイクル下での三点曲げ変形抵抗を比較して示す図である。 温度サイクルをかけた場合の各設定温度に到達時の変形抵抗の室温変形抵抗に対する比率を示す図である。 温度サイクル試験で高温下での変形後の送風冷却で室温に戻したときの変形抵抗の室温一定での変形抵抗に対する比率を示す図である。 供試材料の加工温度に対する画像データからのスプリングバック量の変化率を示す図である。 図３、図４、図５より求めたばね定数の温度依存性を示す図である。 温度サイクル付与時の変形抵抗から予測したスプリングバック量の変化率を示す図である。

符号の説明

１ 引張・圧縮試験機のクロスヘッド
２ 負荷体
３ 石英ガラス棒
４ 鋼棒
５ 熱電対
６ ＰＩＤ制御器
７ 支持体
８ 支持具
９ 基台
１０ 冷却装置
１１ 金属板
１２ 赤外線加熱器
１３ 水冷パイプ
１４ 加熱部

Claims (3)

1. 引張・圧縮試験機を用いた金属板の材料試験において、金属板を常温から温度ｔ₁に昇
   温して、温度ｔ₁における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、その後常温に戻して、
   同一の金属板で改めて温度ｔ₁とは異なる温度ｔ₂に昇温して、温度ｔ₂における上記金属
   板の荷重−変形特性を測定し、さらに同様な作業を各々異なる温度でｎ（ｎは２以上の整数）回繰り返し、それぞれの温度における測定結果より複数の温度状態における上記金属板の荷重−変形特性を測定することを特徴とする金属板の温度負荷状態での特性測定方法。
2. 被測定物である金属板を支持する２つの支持体と、上記２つの支持体に支持された上記金属板に荷重を印加し、一定の速度で上記金属板を変形させる負荷体と、上記金属板の変形に関与する部分を所定の複数の温度に昇温するための加熱器と、上記加熱器の出力を所定の温度に制御する制御器とを備えた金属板の温度負荷状態での特性測定装置。
3. 被測定物である金属板を支持する２つの支持体と、上記２つの支持体に支持された上記金属板に荷重を印加し、一定の速度で上記金属板を変形させる負荷体と、上記金属板の変形に関与する部分を所定の複数の温度に昇温するための加熱器と、上記加熱器の出力を所定の温度に制御する制御器とを備え、上記金属板を常温から温度ｔ₁に昇温して、温度ｔ₁における上記金属板の荷重−変形特性を測定し、その後常温に戻して、同一の金属板で改めて温度ｔ₁とは異なる温度ｔ₂に昇温して、温度ｔ₂における上記金属板の荷重−変形特
   性を測定し、さらに同様な作業を各々異なる温度でｎ（ｎは２以上の整数）回繰り返し、それぞれの温度における測定結果より複数の温度状態における上記金属板の荷重−変形特性を測定するようにした金属板の温度負荷状態での特性測定装置。

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