JP6380423B2 - 高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、製品形状に曲げ成形される、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板の遅れ破壊特性の評価方法に関する技術であって、特に、自動車のセンターピラーやサイドシルなどの車体構造部材の曲げ加工部における遅れ破壊特性の評価方法に好適な技術である。

近年、ＣＯ_２排出量などの環境規制の厳格化を受け、自動車は燃費向上を目的とした車体の軽量化が求められている。同時に、衝突時に人や車にダメージが少ない、安全性の高い車体が求められている。このニーズに対して、車体構造部材では１ＧＰａ以上の引張強度を持つ高張力鋼板の適用が進んでいる。
自動車の車体構造部材は、一般にプレス成形によって製造されるが、引張強度で９８０ＭＰａを超える高強度の部材では、プレス成形後の残留応力と使用中の環境から侵入する水素に起因した遅れ破壊が懸念される。そのため、高張力鋼板を上述のような車体構造部材として適用するためには、その高張力鋼板が遅れ破壊特性に優れていることの評価が必要となる。

従来から高強度化の検討が進められてきたボルトやＰＣ鋼棒、ラインパイプなどに使用される鋼材の遅れ破壊特性は、非特許文献１に述べられているように、公的規格を含む種々の手法が確立されている。しかし、薄鋼板、特に高張力鋼板の遅れ破壊特性評価の方法は、いまだ確立されていないのが現状である。
その理由としては、薄鋼板をプレス加工によって種々の形状に成形して使用することが一因として挙げられる。すなわち、薄鋼板は、プレス加工によるひずみや部品として使用される際の組み付けなどによる残留応力など、ボルト部材などの使用条件下では考慮しなくても良い遅れ破壊特性に影響を及ぼす因子がある。従って、ボルト部材などの遅れ破壊特性評価方法を薄鋼板にそのまま適用しても、十分に正しい評価が行えるとは言えない。

このように、より正確に薄鋼板の遅れ破壊特性を評価するためには、加工によるひずみの影響や組み付けなどによって発生が予想される残留応力の影響、さらには使用環境からの材料への水素侵入量の影響等を適切に反映できる試験方法が必要となる。
このような高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法として、特許文献１では、高張力鋼板をＵ字形状に曲げ加工して薄鋼板にひずみを導入し、この曲げ加工後に発生するスプリングバックした鋼板をボルトで締め込むことで応力を付加した試験片を作成し、電気チャージ法によって試験片中に水素を導入し、破壊が生じるまでの時間を測定する手法を提案している。

この特許文献１に記載の評価は、Ｕ字形状に曲げ加工した薄鋼板による遅れ破壊特性を評価するもので、元々ＵＯＥ成形によって製造される高強度パイプの遅れ破壊特性の評価のために行われている手法である。しかし、プレス成形によって成型される車体構造部材ではＵ字形状の曲げ変形を受ける場合はほとんどない。そのため、Ｕ字形状に曲げ加工した試験片による車体構造部材の遅れ破壊特性評価は適切でない。そのため、実際の車体構造部材の組み付け等によって生じる残留応力を再現するには、Ｖ字形状に曲げ加工した薄鋼板を試験片として用いることが適切である。

Ｖ字形状に曲げ加工した試験片を使用する評価方法としては、例えば特許文献２及び特許文献３に記載の方法がある。
特許文献２では、引張強度１１８０ＭＰａ以上の高張力鋼板において、鋼板の伸び量の２０〜８０％の引張予ひずみを付与した後に、曲げ部の角度が３０〜９０度となるＶ字形状に曲げ加工した試験片を用意し、その試験片の両端部をボルトで締め付けることによって、試験片に残留応力を付加させた状態での遅れ破壊特性の評価を提案している。
さらに特許文献３では、Ｖ曲げ成形した試験片にボルトによる締め込みを行う際に、ボルト周辺のたわみによって評価したい曲げ部の応力に影響を及ぼさないように、試験片の対向する板面に面接触する傾斜面を設けた治具を提案し、車体構造部材の遅れ破壊特性の評価を行うことが記載されている。

松山晋作著、「遅れ破壊」、第１版、日刊工業新聞、１９８９年８月３１日出版

特許第３８９２８４２号公報 特許第４６４６１３４号公報 特開２０１０−１０７２９７号公報

しかし、特許文献２および３に記載の評価方法では、Ｖ字形状に曲げ加工した試験片に残留応力が付加させた状態での遅れ破壊特性の評価を行う際における、適切な付加残留応力について具体的な記載がない。
ここで、ボルトの締め込み若しくは押し広げ量が少なければ、遅れ破壊の生じ難い緩い試験条件となり、逆に、ボルトの締め込み若しくは押し広げ量が過剰であれば、遅れ破壊特性の発生し易い過度に厳しい試験条件となる。このような条件は、特許文献２に記載のようなボルト周辺のたわみ状況などの条件による設定では、精度良く設定出来るものではない。このため、特許文献２および特許文献３の評価方法では、ボルトの締め込み若しくは押し広げ量のバラツキやその量の不適正によって、評価精度が悪くなる可能性がある。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、高張力鋼板を曲げ加工することで発生する曲げ加工部の遅れ破壊特性の評価精度を向上することを目的としている。

課題を解決するために、本発明の一態様である高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法では、高張力鋼板をＶ字形状に曲げ加工してなる試験片を用意し、上記試験片の曲げ加工部の開き角度を所定角度だけ変更して該試験片に残留応力を付加した状態に拘束し、その拘束した試験片を、水素侵入環境下（水素侵入雰囲気）に置いて当該試験片の亀裂の発生状況によって高張力鋼板の遅れ破壊性を評価し、上記開き角度の変更量に応じた試験片の曲げ加工部における板表裏の最表層に発生する最大残留応力の関係を求め、その求めた関係に基づき適切な上記所定角度を決定する。

本発明の一態様によれば、Ｖ字形状に曲げ加工してなる試験片に対する開き角度の変更量が常に適正な値に設定されることで、高張力鋼板の曲げ加工部での遅れ破壊特性評価の精度を向上することが可能となる。
ここで、例えば特許文献３の段落番号００２１に、「薄鋼板を曲げ加工した際に最も大きなひずみが導入されるのは、曲げ加工部の頂点であるから、・・・頂点部に応力を付加する必要がある。」と記載されているように、仮に、従来、付加する残留応力を考慮するとしても頂点部での応力となる。一方、本発明では、板表裏の最表層での残留応力に基づき開き角度の変更量を設定し、その最表層での残留応力の最大値は、曲げ加工部の頂点部から変位した位置に発生し、このような発想は上述の特許文献に開示がないものである。

つまり、本発明は、高張力鋼板の遅れ破壊特性の評価を行う際には、残留応力が曲げ加工を受けた高張力鋼板の端面若しくは板表裏の最表層のどちらにどの程度発生するかを考慮して開き角度の変更量を規定して、水素侵入環境下での亀裂発生状況によって評価するものである。

遅れ破壊特性評価の工程を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係る遅れ破壊特性評価方法の手順を示す概念図である。 Ｖ字形状の試験片の締め込み若しくは押し広げについてのＣＡＥ解析手順の概念図である。 ＣＡＥ解析による締め込み解析結果と、残留応力を取得した曲げ外側最表層の説明図である。 ＣＡＥ解析から得られる、スプリングバック後からの締め込み量と曲げ外側最表層の最大残留応力との関係を示す図である。 実施例にかかるＶ曲げ成形解析での下死点の曲げ方向応力分布を示す図である。 実施例にかかるＶ曲げ試験片の締め込み解析における各締め込み量における曲げ方向応力分布を示す図である。 実施例にかかるスプリングバック後からの締め込み量と、曲げ外側最表層での最大残留応力との関係の解析結果を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
まず、本実施形態の前提とする、高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法は、図１に示すように、Ｖ字形状の試験片形成の工程Ａ、残留応力付加の工程Ｂ、及び水素侵入環境下設置の工程Ｃを有する。そして、水素侵入環境下に置かれた試験片の曲げ加工部における亀裂の発生状況を評価することで、高張力鋼板の遅れ破壊特性を評価する。亀裂発生状況の評価方法自体は、従来の方法と同様に評価を行い、例えば、水素侵入環境下で予め設定した以上の亀裂が発生するまでの時間で評価する。

＜試験片形成の工程Ａ＞
試験片形成の工程Ａは、図２（ａ）に示すように、評価対象の高張力鋼板を、せん断加工によって切り出して矩形の試験片１とする。この試験片１を、図２（ｂ）に示すように、金型３のダイ３ａとパンチ３ｂによって、Ｖ字形状に曲げ成形することで、評価用の試験片２とする。
これによって、試験片２の曲げ加工部２Ａに、プレス成形を模擬したひずみおよび残留応力を付加する。Ｖ字形状に曲げられた試験片２は、金型３から解放することで図２（ｃ）のようにスプリングバックする。

＜残留応力付加の工程Ｂ＞
残留応力付加の工程Ｂは、試験片２の曲げ加工部２Ａの開き角度（無負荷状態での角度）を所定角度だけ変更して該試験片２に対し残留応力を付加した状態に拘束する工程である。
残留応力の付加は、例えば特許文献３に記載のような応力付加治具を使用して実施し、試験片２における、曲げ加工部２Ａを挟んで対向する一対の板面を治具で図２（ｄ）に示すように締め込む若しくは押し広げることで、曲げ加工部２Ａの最表層に引張若しくは圧縮の残留応力を発生させる。

応力付加治具６は、図２（ｄ）に示すように、一対の板面を貫通する軸部４と、軸部４に移動可能に設けられた一対の開き角度調整治具５とを備え、各角度調整治具５は、板面に当接する斜面を有する傾斜部５ａと、軸部４に螺合するボルト５ｂとからなる。一対の開き角度調整治具５は、軸部４の軸回転に伴い、接近若しくは離隔するように一対のボルト５ｂの雌ねじの向きが設定されている。そして、軸部４の相対回転量を調整することで曲げ加工部２Ａの開き角度の変更量を調整出来る。尚、軸部４を回転する代わりに、各角度調整治具５のボルト５ｂの側を回転するようにしても良い。
開き角度の変更量は、後述のように、例えば、曲げ加工部２Ａの最表層に発生させる最大の残留応力が、対象とする素材の０．２％耐力の５０％〜１５０％の範囲に収まる変更量となるように設定する。

＜水素侵入環境下設置の工程Ｃ＞
この工程Ｃでは、応力付加治具６で残留応力を付加した試験片２を、図２（ｅ）に示すように、水素侵入環境下（水素侵入雰囲気）に設置して、当該試験片２の曲げ加工部２Ａにおける亀裂の発生状況（例えば発生までの時間）によって、上記高張力鋼板の遅れ破壊性を評価する。
試験片２の水素侵入環境下への設置は、例えば、塩酸やＮＨ_４ＳＣＮ水溶液などの酸液８を収容した浴槽７内に試験片２を浸漬することで実施する。
ここで、本実施形態における高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法では、上記の各工程に加えて、曲げ加工部２Ａの開き角度の変更量を算出する変更量算出工程Ｄを有する。
そして、その変更量算出工程Ｄで算出した変更量となるように、残留応力付加の工程Ｂでの開き角度の変更量を設定する。
次に、その変更量算出工程Ｄについて説明する。

＜変更量算出工程Ｄ＞
まず、開き角度の変更量に応じて試験片２の曲げ加工部２Ａにおける板表裏の最表層に発生する最大残留応力とその応力のときの当該変更量との関係（以下、応力−変更量の関係とも呼ぶ）を求める。
この応力−変更量の関係は、例えば、コンピュータによるシミュレーション解析によって求める。以下の説明では、ＣＡＥ解析によって求める場合を例にして説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、図２（ｂ）のＶ曲げ成形を再現したＣＡＥ解析モデルを設定する。解析モデルは、パンチ３ｂ、ダイ３ａ、ブランクによって構成されている。また、解析モデルは２次元ソリッド要素で作成されており、板厚方向の応力分布についても考慮する。また、計算能力に余裕がある場合は、解析モデルの奥行き方向（ブランクの幅方向）を考慮するため、３次元ソリッド要素で解析することが好ましい。

上記解析モデルにてＶ曲げ成形解析を実施後、図３（ｂ）に示すように、スプリングバック解析を行う。
その後、図３（ｃ）に示すように、図２（ｄ）のボルト５ｂによる締め込み若しくは押し広げ力が作用する位置に相当する箇所の解析モデルに強制変位の拘束条件を付与することで、複数条件（解析点）の締め込み若しくは押し広げ量における応力解析を行う。図３では締め付けの場合について図示している。
このときの複数条件の締め込み若しくは押し広げ量のときの曲げ加工部２Ａの最表層の節点における残留応力を解析結果から読み取る（図４を参照）ことで、締め込み若しくは押し広げ量と、曲げ加工部２Ａでの最表層に発生する最大残留応力との関係を算出することができる。

そして、図５に示すように、上記算出した複数の解析点を通過する線によって、算出したスプリングバック後からの締め込み量と、曲げ加工部２Ａの外側最表層の最大残留応力との関係を求める。なお、素材の０．２％耐力以下の残留応力では、ほぼリニアな線となるように設定すればよい。図５では、締め込み量が、変更量に対応する。また図５では、締め込み量で規定しているが、押し広げ量で実行しても、同様な結果となる。
ここで、上記のＣＡＥ解析で設定する主パラメータは、材料強度、板厚、及び曲げ半径（金型によってＶ字に曲げ加工する頂点部のアール）であり、この材料強度、板厚、曲げ半径毎に、上記のＣＡＥ解析を行い、図５に図示した関係を予め算出しておく。
これによって、応力−変更量の関係が求まる。

ここで、試験片に対し実際に開き角度を変更して、各変更量での表層での最大残留応力を実際に計測することで、応力−変更量の関係を求めても良い。
次に、求めた応力−変更量の関係に基づき、図５のように、対象とする素材の０．２％耐力の５０％〜１５０％の残留応力に対応する締め込み量の条件範囲を求める。ちなみに、この締め込み量の条件範囲は、５ｍｍ程度の狭い範囲である。
そして、締め込み量の条件範囲内の値を変更量の所定値とする。例えば、変更量の範囲内の中央値や０．２％耐力に対応する変更量を所定値とする。
ここで、上記説明では、対象とする素材の０．２％耐力の５０％〜１５０％の残留応力から、締め込み量の条件範囲を求める場合を説明しているが、目的とする製品形状にプレス加工によることでその製品形状の曲げ部に発生する残留応力の許容範囲の残留応力内となる締め込み量の条件範囲を求めるようにしても良い。

＜動作その他＞
Ｖ字形状に曲げ成形された試験片２を、試験片２の曲げ加工部２Ａの無負荷状態での開き角度から、例えば、曲げ加工部２Ａにおける板表裏の最表層に発生する最大残留応力が、素材の０．２％耐力の５０％〜１５０％の範囲の残留応力となる締め込み量で締め込んだ状態に拘束したまま、水素侵入環境下に置いて当該試験片２の亀裂の発生状況によって高張力鋼板の遅れ破壊性を評価する。
ここで、締め込む場合には、曲げ加工部２Ａの外側の面に引張応力が付加され、その最大引張残留応力の位置は、曲げ加工部２Ａの頂点部から変位した位置に発生し、締め込み量によってその変位量も変化する。
ここで、自動車のセンターピラーやサイドシルなどの車体構造部材の曲げ加工部２Ａには、素材の０．２％耐力の５０％〜１５０％の範囲の残留応力が付加されている状態で組み付けられることが多いことから、製品の発生する残留応力が付加された状態に近い状態で常に、曲げ加工部２Ａでの遅れ破壊特性の評価を行うことが出来る結果、評価精度が向上する。

即ち、開き角度の変更量に応じた試験片２の曲げ加工部２Ａにおける板表裏の最表層に発生する最大残留応力の関係を求め、その求めた関係に基づき適切な上記所定角度を決定することで、Ｖ字形状に曲げ加工してなる試験片２に対する開き角度の変更量が常に適正な値に設定されることで、高張力鋼板を曲げ加工することで発生する曲げ加工部２Ａの遅れ破壊特性の評価精度を向上することが可能となる。
ここで、無負荷状態から締め込む場合には、曲げ加工部２Ａの外周側に引張応力が付加され、広げる場合には、曲げ加工部２Ａの内周側に引張応力が付加される。また最表層に発生する最大残留応力については、圧縮側と引張側とがあるが、引張側の方で亀裂が発生しやすいことから、最大残留応力として最大引張残留応力を採用することが好ましい。もっとも、最大残留応力として最大圧縮残留応力で上記変更量との関係を求めても良い。

次に、本発明に基づく実施例について説明する。
表１に記載の成分組成、引張特性、曲げ特性を有する板厚１．２ｍｍの１１８０ＭＰａ級鋼板を供試材とした。
この供試材を１１０ｍｍ×３０ｍｍの矩形にせん断した平板を試験片２とした。この試験片２を曲げ半径３．５ｍｍで曲げ角度９０度にＶ曲げ加工を施した後、試験片２の曲げ加工部２Ａを挟む該試験片２の対向する板面の長手方向端部から２０ｍｍの位置がボルト５ｂの中心になるように応力付加治具６で固定（拘束）し、曲げ加工部２Ａに締め込みによって残留応力を付与した試験片２を作成した。

本供試材は、表１に示す通り、０．２％耐力が８６７ＭＰａである。このため、４３３ＭＰａ〜１３００ＭＰａの範囲の残留応力が、０．２％耐力の５０％〜１５０％の範囲の応力となり、その範囲内の残留応力が、試験片２の曲げ加工部２Ａの最表層に発生するように締め込み量を調節する必要がある。

次に、上記目標の４３３ＭＰａ〜１３００ＭＰａの残留応力を試験片２曲げ加工部２Ａの最表層に付加するために必要な締め込み量を、ＣＡＥ解析によって算出した。解析には有限要素法ソフトウェアＬＳ−ＤＹＮＡ ｖｅｒ．９７１を用いた。図６に、上記Ｖ曲げ加工を行った際の成形下死点における、試験片２の曲げ方向応力分布を示す。
次に、スプリングバック解析を行った後、ブランク端部から２０ｍｍ離れた節点にボルト５ｂによる締め込みを模擬した強制変位拘束を付与することで締め込み解析を行った。図７には各締め込み量における、試験片２の曲げ方向応力分布を示す。図７から、締め込み量を増やすに連れて、曲げ方向応力の最大値がパンチ３ｂのＲ止まり付近から、曲げ頂点に推移していくことが分かる。

図８に、各スプリングバック後からの締め込み量における試験片２の曲げ外側最表層の最大残留応力をプロットしたグラフを示す。
図８から、曲げ加工部２Ａの最表層の最大残留応力は締め込み量の増加とともに、最初は弾性変形によって直線的に増加し、１０ｍｍ程度締め込んだあたりから塑性変形が始まり、次第に締め込み量を増やしても残留応力が増加しなくなる。従って、図８から、試験片２の曲げ加工部２Ａの最表層の最大残留応力が４３３ＭＰａ〜１３００ＭＰａの範囲で付加できる締め込み量として５ｍｍを変更量の実験条件とした。このときの試験片２の曲げ加工部２Ａの最表層に発生する最大残留応力は図８より約９８７ＭＰａとなり、素材の０．２％耐力より若干高い残留応力が発生していると考えられる。

上記条件から作成した試験片２の遅れ破壊特性を評価するため、水素侵入条件下で試験片２を保持した。水素を試験片２に侵入させる条件としては種々あるが、今回は濃度を変化させたＮＨ_４ＳＣＮ水溶液に試験片２を浸漬させ、試験片２に水素が十分侵入して飽和状態となると考えられる９６時間保持した。
表２に実験結果を示す。
実験結果から、試験片２曲げ加工部２Ａの最表層に発生する最大残留応力が本供試材の０．２％耐力より若干高い９８７ＭＰａの条件下の評価では、ＮＨ_４ＳＣＮ濃度が０．０１％以下では遅れ破壊が発生しないが、０．１０％以上の条件では遅れ破壊が発生した。

以上のことから、本発明によれば、プレス加工で製造される高張力鋼板を適用したセンターピラーやサイドシル等の自動車車体構造部材において、使用中に生じる遅れ破壊の可能性を部材の設計段階で適切に評価することが可能となり、自動車車体構造部材を効率的に設計、開発することができることが分かる。

２ 試験片
２Ａ 曲げ加工部
３ 金型
４ 軸部
５ 角度調整治具
５ａ 傾斜部
５ｂ ボルト
６ 応力付加治具
７ 浴槽
８ 塩酸
Ａ 試験片形成の工程
Ｂ 残留応力付加の工程
Ｃ 水素侵入環境下設定の工程
Ｄ 変更量算出工程

Claims (3)

1. 高張力鋼板をＶ字形状に曲げ加工してなる試験片を用意し、上記試験片の曲げ加工部の開き角度を所定角度だけ変更して該試験片に残留応力を付加した状態に拘束し、その拘束した状態の試験片を、水素侵入環境下に設置することによる当該試験片の亀裂の発生状況によって上記高張力鋼板の遅れ破壊性を評価し、
   上記開き角度の変更量に応じて試験片の曲げ加工部における板表裏の最表層に発生する最大残留応力と当該変更量との関係を求め、その求めた関係に基づき、上記高張力鋼板を目的とする製品形状に曲げ成形することでその製品形状の曲げ部に発生する残留応力の範囲内に、上記最大残留応力が存在する上記開き角度の変更量の範囲を求め、
   上記求めた開き角度の変更量の範囲内となるように、上記所定角度を設定して上記評価を実施することを特徴とする高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法。
2. 高張力鋼板をＶ字形状に曲げ加工してなる試験片を用意し、上記試験片の曲げ加工部の開き角度を所定角度だけ変更して該試験片に残留応力を付加した状態に拘束し、その拘束した状態の試験片を、水素侵入環境下に設置することによる当該試験片の亀裂の発生状況によって上記高張力鋼板の遅れ破壊性を評価し、
   上記開き角度の変更量に応じて試験片の曲げ加工部における板表裏の最表層に発生する最大残留応力と当該変更量との関係から、上記最大残留応力が上記高張力鋼板の０．２％耐力の５０％以上１５０％以下の範囲に収まる上記開き角度の変更量の範囲を求め、
   上記求めた開き角度の変更量の範囲内となるように、上記所定角度を設定して上記評価を実施することを特徴とする高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法。
3. 上記最大残留応力と上記変更量との関係は、コンピュータによるシミュレーション解析によって求めることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法。

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