JP6232934B2 - 材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、薄鋼板を対象とした材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体に関する。

近時では、自動車分野等における車体の軽量化のニーズが高まっており、これに応えるべく、薄鋼板におけるハイテン（High Tensile Strength Steel）化が進行している。

特開２０１１−１６９７４５号公報

一般的に、鉄（Ｆｅ）に代表される体心立方格子構造の金属（ｂｃｃ金属）では、延性破壊と脆性破壊の２種類の破壊が生じることが知られている。
通常の軟鋼板では、延性破壊で破断が生じる。これに対してハイテンでは、その高い変形抵抗に起因して、延性破壊だけではなく脆性破壊で破断が生じる可能性が高まる。

脆性破壊は、亀裂進展時の吸収エネルギーが延性破壊の場合と比べて少ない等の特徴がある。そのため、薄鋼板における脆性破壊し易さについて定量的に評価する必要がある。
しかしながら従来では、薄鋼板の脆性破壊について定量的に評価する技術が未だ確立していないという現況にある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことを可能とする信頼性の高い材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。

本発明の材料特性取得方法は、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得方法であって、前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目を取得するステップと、夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得するステップと、夫々の前記試験片における前記応力歪状態と前記評価項目との相関関係を取得するステップとを含み、夫々の前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に互いに異なる曲率の切欠部が形成されたものであり、夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされている。

本発明の材料特性取得装置は、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得装置であって、前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する応力歪状態算出部と、夫々の前記試験片における前記応力歪状態と、夫々の前記試験片を用いて取得された夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目との相関関係を取得する材料特性算出部とを含み、前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に所定の曲率の切欠部が形成されたものであり、夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされている。

本発明のプログラムは、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性を取得するプログラムであって、前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する手順と、夫々の前記試験片における前記応力歪状態と、夫々の前記試験片を用いて取得された夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目との相関関係を取得する手順とをコンピュータに実行させるためのものであり、前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に所定の曲率の切欠部が形成されたものであり、夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされている。

本発明によれば、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことが可能となる。

第１の実施形態による材料特性取得方法をステップ順に示すフロー図である。 第１の実施形態において用いる試験片を示す概略平面図である。 第１の実施形態の比較例で用いる試験片を示す概略平面図である。 試験片における引張試験のシミュレーションを実行した様子を示す概略平面図である。 各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出した結果を示す特性図である。 第１の実施形態による材料特性取得装置を示すブロック図である。 各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出した結果を示す特性図である。 第１の実施形態について、衝撃３点曲げ試験を示す模式図である。 衝撃３点曲げ試験の結果に基づいて得られたＦＳ曲線を示す特性図である。 ＦＳ曲線から決定された供試材の破断点を示すシミュレーション図である。 得られた落垂変位と応力三軸度との関係を示す特性図である。 第１の実施形態による結果に実験及びシミュレーションの結果を当てはめた様子を示す特性図である。 パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。

以下、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による材料特性取得方法をステップ順に示すフロー図である。
図２は、第１の実施形態において用いる試験片を示す概略平面図である。図３は、第１の実施形態の比較例で用いる試験片を示す概略平面図である。

本実施形態では、先ず、図２に例示するような複数の試験片を用いて引張試験を行う（ステップＳ１）。
図２（ａ）〜（ｃ）にはＵノッチの試験片１１〜１３を、（ｄ）にはＶノッチの試験片１４を示す。試験片１１〜１４は、それぞれ短冊状とされており、引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ²以上（且つ、作製技術上の制約を考慮して例えば３０００Ｎ／ｍｍ²以下）の冷延材で形成された薄鋼板である。試験片１１〜１４は、長手方向の両辺（両端）に所定の曲率の切欠部が形成されており、夫々の切欠部間の距離が同一とされている。
なお、前記冷延材で形成された薄鋼板の代わりに、ホットスタンプ後のホットスタンプ鋼板にも適用可能である。

試験片１１は、長手方向の各辺にＵノッチとして曲率半径が３０ｍｍである一対の切欠部１１ａ，１１ｂが形成されており、切欠部１１ａ，１１ｂ間の距離が１２．５ｍｍとされたものである。
試験片１２は、長手方向の各辺にＵノッチとして曲率半径が５ｍｍである一対の切欠部１２ａ，１２ｂが形成されており、切欠部１２ａ，１２ｂ間の距離が１２．５ｍｍとされたものである。
試験片１３は、長手方向の各辺にＵノッチとして曲率半径が０．５ｍｍである一対の切欠部１３ａ，１３ｂが形成されており、切欠部１３ａ，１３ｂ間の距離が１２．５ｍｍとされたものである。
試験片１４は、長手方向の各辺に一対の第１切欠部１４ａ１，１４ｂ１が形成され、第１切欠部１４ａ１，１４ｂ１の中央部位にＶノッチとして曲率半径が０．２５ｍｍである一対の第２切欠部１４ａ２，１４ｂ２が形成されており、第２切欠部１４ａ２，１４ｂ２間の距離が１２．５ｍｍとされたものである。

なお、本実施形態の比較例として、図２の各図の試験片と切欠部間の距離を変えた試験片を用意し、本実施形態と同様に引張試験を行う。図３（ａ），（ｂ）にＵノッチの試験片２１，２２を示す。
試験片２１は、比較例１に係るものであり、長手方向の各辺にＵノッチとして曲率半径が５ｍｍである一対の切欠部２１ａ，２１ｂが形成されており、切欠部２１ａ，２１ｂ間の距離が１５ｍｍとされたものである。
試験片２２は、比較例２に係るものであり、長手方向の各辺にＵノッチとして曲率半径が５ｍｍである一対の切欠部２２ａ，２２ｂが形成されており、切欠部２２ａ，２２ｂ間の距離が１０ｍｍとされたものである。

ステップＳ１では、各試験片について、イントロン型引張試験機を用いて引張試験を行う。例えば、試験片１１〜１４，２１〜２２の各々について、引張試験の各条件を以下のように設定する。クロスヘッド速度は、ＪＩＳで規定された範囲内の速度、例えば３ｍｍ／分とする。雰囲気温度は、−１２０℃程度〜２００℃程度、好ましくは対象とする薄鋼板の使用環境における温度である−６０℃程度〜８０℃程度、例えば室温（２５℃）とする。

続いて、各試験片における脆性破壊の評価項目を測定する（ステップＳ２）。
本実施形態における脆性破壊の評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、脆性破面率である。破断変位は、試験片における破断発生箇所の変位量（ｍｍ）である。吸収エネルギーは、材料の靭性（粘り強さ）を示す特性値であって、試験片に破断が発生した時に試験片が吸収するエネルギー（Ｎｍ）である。脆性破面率は、試験片の破断発生による破断面のうち、脆性破面の持つ面積の割合を％表示した値である。

ステップＳ２では、各試験片について、ステップＳ１で行った引張試験の結果に基づいて、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率をそれぞれ測定する。
破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率の具体的な測定結果の一例を以下の表１に示す。表１では、試験片１１〜１４，２１〜２２として引張強さが９８０ＭＰａ級で板厚が１．６ｍｍのもの（Ａ材と言う）について測定した結果を例示する。

続いて、各試験片について、破断相当時における応力歪状態を算出する（ステップＳ３）。
本実施形態における応力歪状態は、応力三軸度である。応力三軸度の代わりに、或いは応力三軸度と共に、応力歪状態として応力勾配、歪勾配を用いても良い。
応力三軸度は、三軸平均応力（静水圧応力）を相当応力で除したパラメータであって、即ち以下のように定義される。

静水圧応力、Misesの相当応力は、それぞれ主応力σ₁，σ₂，σ₃を用いて以下のように表すことができる。

これより、応力三軸度は以下のように表すことができる。

ステップＳ３では、ＦＥＭ解析を用いて、各試験片における引張試験のシミュレーションを実行し、例えば図４に示すように、試験片に破断変位が発生した時点における試験片の図中破線で示す中央断面の応力三軸度分布を算出する。中央断面内で最大となる応力三軸度を、その試験片における代表の応力三軸度として導出する。
応力三軸度の具体的な算出結果の一例を以下の表２に示す。

続いて、各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出する（ステップＳ４）。
具体例として、試験片１１〜１４，２１〜２２について算出した結果を図５に示す。図５では、応力三軸度と破断変位との相関関係を（ａ）に、応力三軸度と吸収エネルギーとの相関関係を（ｂ）に、応力三軸度と脆性破面率との相関関係を（ｃ）にそれぞれ例示する。

図５（ａ）〜（ｂ）の各図に示すように、各試験片の結果ごとにプロットをとることにより、上記の各相関関係として、材料特性曲線が一意に定まる。これにより、複数の形状の試験片における材料特性を統一的に評価することができる。
本実施形態の比較例１として試験片２１について、比較例２として試験片２２について、それぞれ算出した結果を併せて図５に示す。比較例１，２では、図５（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、試験片１１〜１４，２１〜２２で規定された材料特性曲線から外れた値を示している。これは、１つの材料特性曲線を正確に得るには、各試験片における一対の切欠部間の距離を同一とする必要があることを示唆している。

図６は、第１の実施形態による材料特性取得装置を示すブロック図である。
本実施形態による材料特性取得装置は、応力歪状態算出部３１と、材料特性算出部３２と、制御部３３とを備えて構成される。

応力歪状態算出部３１は、上記した材料特性取得方法のステップＳ３を実行するものである。即ち応力歪状態算出部３１は、例えばＦＥＭ解析を用いて、各試験片における引張試験のシミュレーションを実行し、試験片に破断変位が発生した時点における試験片の図中破線で示す中央断面の応力三軸度分布を算出する。中央断面内で最大となる応力三軸度を、その試験片における代表の応力三軸度として導出する。

材料特性算出部３２は、上記した材料特性取得方法のステップＳ４を実行するものである。即ち材料特性算出部３２は、各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出する。本実施形態では、応力歪状態は応力三軸度であり、評価項目は破断変位、吸収エネルギー、脆性破面率である。

制御部３３は、応力歪状態算出部３１及び材料特性算出部３２を含む当該装置の各構成要素の動作を制御するものである。制御部３３は、制御用プログラムを動作させるための中央処理装置（ＣＰＵ）と、データを格納するための補助記憶装置とを備えている。

本実施形態において、上述の例では、各試験片としてそれぞれＡ材（引張強さが９８０ＭＰａ級で板厚が１．６ｍｍのもの）を用いた場合を例示した。以下、図２の試験片１１〜１４について、引張強さ及び板厚を変えたＡ材以外の各試験片（例えばＢ材、Ｃ材、Ｄ材）について、上記のステップＳ１、ステップＳ２、応力歪状態算出部３１によるステップＳ３、材料特性算出部３２によるステップＳ４を実行した結果について説明する。
Ｂ材、Ｃ材、Ｄ材は、以下のように規定される。

得られた結果を図７に示す。図７では、応力三軸度と破断変位との相関関係を（ａ）に、応力三軸度と吸収エネルギーとの相関関係を（ｂ）に、応力三軸度と脆性破面率との相関関係を（ｃ）にそれぞれ例示する。

図７（ａ）〜（ｂ）の各図に示すように、Ｂ材、Ｃ材、Ｄ材の各々について、各試験片の結果ごとにプロットをとることにより、上記の各相関関係として、材料特性曲線が一意に定まる。このように、引張強さや板厚の異なる種々の薄鋼板についても、それぞれ１つの材料特性曲線を得ることができる。

本実施形態によって得られる材料特性曲線の正確性について、実験及びシミュレーションにより調べた。その結果について以下で説明する。
先ず、衝撃３点曲げ試験を行った。供試材として、図８（ａ）に示すように、９００ｍｍ×１２５．３ｍｍのサイズで図示のハット形状を持つＤ材（引張強さが１１８０ＭＰａ級で板厚が１．２ｍｍのもの）を用いた。試験条件としては、図８（ｂ）に示すように、供試材との衝突面に曲率半径６０ｍｍ（Ｒ６０）の円柱形状を持つ質量４００ｋｇの重りを用い、初速４．４ｍ／ｓで供試材に対して落下させた。

衝撃３点曲げ試験の結果に基づいて、シミュレーションにより荷重−変位曲線（ＦＳ曲線）を得た。得られたＦＳ曲線を図９に示す。ＦＳ曲線から決定された供試材の破断点（実験破談点）を図１０に例示する。
図９及び図１０の結果に基づいて得られる落垂変位と応力三軸度との関係を図１１に示す。図１１より、破断時の応力三軸度は０．５程度と見積もることができる。

上記の見積結果を本実施形態に適用した。ここでは、図７（ｃ）のＤ材に関する応力三軸度と脆性破面率との相関関係を用いた。図１２に示すように、応力三軸度が０．５であるときには、Ｄ材の脆性破面率は５０％程度となる。このように、本実施形態による結果と実験及びシミュレーションによる観察結果とが一致した。以上より、本実施形態によって得られる材料特性曲線は十分に正確であることが確認された。

以上説明したように、本実施形態によれば、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことが可能となる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態による材料特性取得装置の各構成要素（図６の応力歪状態算出部３１、材料特性算出部３２、制御部３３等）の機能は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、第１の実施形態による解析方法の各ステップ（図１のステップＳ３〜Ｓ４等）は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は本実施形態に含まれる。

具体的に、上記のプログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。上記のプログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、上記のプログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線や無線回線等である。

また、本実施形態に含まれるプログラムとしては、供給されたプログラムをコンピュータが実行することにより第１の実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して第１の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本実施形態に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて第１の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本実施形態に含まれる。

例えば、図１３は、パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。この図１３において、１２００はＣＰＵ１２０１を備えたパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。ＰＣ１２００は、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶された、又はフレキシブルディスクドライブ（ＦＤ）１２１２より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行する。このＰＣ１２００は、システムバス１２０４に接続される各デバイスを総括的に制御する。

ＰＣ１２００のＣＰＵ１２０１、ＲＯＭ１２０２またはハードディスク（ＨＤ）１２１１に記憶されたプログラムにより、第１の実施形態の図１におけるステップＳ３〜Ｓ４の手順等が実現される。

１２０３はＲＡＭであり、ＣＰＵ１２０１の主メモリ、ワークエリア等として機能する。１２０５はキーボードコントローラ（ＫＢＣ）であり、キーボード（ＫＢ）１２０９や不図示のデバイス等からの指示入力を制御する。

１２０６はＣＲＴコントローラ（ＣＲＴＣ）であり、ＣＲＴディスプレイ（ＣＲＴ）１２１０の表示を制御する。１２０７はディスクコントローラ（ＤＫＣ）である。ＤＫＣ１２０７は、ブートプログラム、複数のアプリケーション、編集ファイル、ユーザファイル、ネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク（ＨＤ）１２１１、及びフレキシブルディスク（ＦＤ）１２１２とのアクセスを制御する。ここで、ブートプログラムとは、パソコンのハードやソフトの実行（動作）を開始する起動プログラムである。

１２０８はネットワーク・インターフェースカード（ＮＩＣ）であり、ＬＡＮ１２２０を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、或いは他のＰＣと双方向のデータのやり取りを行う。
なお、パーソナルユーザ端末装置を用いる代わりに、材料特性取得装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。

１１〜１４，２１〜２２ 試験片
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ 切欠部
１４ａ１，１４ｂ１ 第１切欠部
１４ａ２，１４ｂ２ 第２切欠部
３１ 応力歪状態算出部
３２ 材料特性算出部
３３ 制御部

Claims (13)

1. 薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得方法であって、
   前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目を取得するステップと、
   夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得するステップと、
   夫々の前記試験片における前記応力歪状態と前記評価項目との相関関係を取得するステップと
   を含み、
   夫々の前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に互いに異なる曲率の切欠部が形成されたものであり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とする材料特性取得方法。
2. 前記評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項１に記載の材料特性取得方法。
3. 前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の材料特性取得方法。
4. 前記薄鋼板は、引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ²以上の冷延材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の材料特性取得方法。
5. 薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得装置であって、
   前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する応力歪状態算出部と、
   夫々の前記試験片における前記応力歪状態と、夫々の前記試験片を用いて取得された夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目との相関関係を取得する材料特性算出部と
   を含み、
   前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に所定の曲率の切欠部が形成されたものであり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とする材料特性取得装置。
6. 前記評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項５に記載の材料特性取得装置。
7. 前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項５又は６に記載の材料特性取得装置。
8. 前記薄鋼板は、引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ²以上の冷延材であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の材料特性取得装置。
9. 薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性を取得するプログラムであって、
   前記薄鋼板に対応した複数の試験片を用いて、夫々の前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する手順と、
   夫々の前記試験片における前記応力歪状態と、夫々の前記試験片を用いて取得された夫々の前記試験片における脆性破壊の評価項目との相関関係を取得する手順と
   をコンピュータに実行させるためのプログラムであり、
   前記試験片は、短冊状の長手方向の両辺に所定の曲率の切欠部が形成されたものであり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部の形状は互いに異なり、
   夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とするプログラム。
10. 前記評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項９に記載のプログラム。
11. 前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項９又は１０に記載のプログラム。
12. 前記薄鋼板は、引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ²以上の冷延材であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のプログラム。
13. 請求項９〜１２のいずれか１項に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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