JP6610607B2 - 高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、製品形状にプレス成形される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る。特に、自動車のセンターピラーやＡピラーロアなどの、プレス成形された車体構造部材におけるフランジ端部など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、例えば引張強度で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については、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。

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

上記の特許文献１および３に記載の評価方法は、曲げ加工部に発生する遅れ破壊の評価方法である。実際の部品は絞り加工で製造されることもあり、絞り加工では成形中にフランジ端部が縮み変形を受け、成形後にフランジ端部（ブランクの端部）に高い引張応力が残留する場合がある。

また、フランジ端部などのブランク端部は、通常、せん断加工を受けており、せん断加工は材料に大きな塑性ひずみ（ダメージ）が入る。そのためフランジ端部に引張残留応力が発生する箇所は遅れ破壊の危険性が非常に高く、この遅れ破壊の形態は曲げ部の評価方法である上記の特許文献１から３では評価することができない。
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたもので、高張力鋼板を絞り加工などのプレス加工した際に、フランジ部などの材料端部に発生する遅れ破壊特性を評価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、正四角形形状以上の角数の正多角形形状の高張力鋼板の試験片に対し、円形断面のパンチを備えた金型で深絞り成形を施し、成形後の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、
上記深絞り成形における、成形高さ及び絞り比（試験片の対角線長さ／パンチ径）と、試験片端部に発生する最大引張残留応力との関係を予め求め、その求めた関係に基づき適切な深絞り加工条件を検定する。

本発明の一態様によれば、正多角形形状の試験片を適正な条件で深絞り加工することにより、高張力鋼板のフランジ部等、ブランク端部（プレス成形品端部）での遅れ破壊特性を精度よく評価することが可能となる。
ここで、せん断加工によって試験片を所定の輪郭形状に成形した場合には、上記最大引張残留応力として、フランジ端部における稜線方向（周方向）に発生する最大引張残留応力を採用すればよい。

なお、本発明の一態様によれば、深絞り加工によって試験片端部（フランジ部）に残留応力を付与するが、対象とする製品形状へのプレス成形は、深絞り加工に限定されるものではない。本発明では、試験片端部（フランジ部）に目的の残留応力を付与する手段として深絞り加工を採用している。

遅れ破壊特性評価の工程を示す図である。 深絞り成形用の試験片の一例を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るパンチを説明する図である。 深絞り成形の金型配置や成形を説明する模式図である。 試験片とパンチとの配置関係をプレス方向から見た図である。 工程Ｃの一例を示す図であり、（ａ）は離型後の試験片を、（ｂ）が試験片を浸漬した状態を示す図である。 深絞り成形条件と最大引張残留応力の関係をＣＡＥ解析により求めた例である。

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、せん断加工による試験片作製の工程Ａ、深絞り成形の工程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フランジ端部（試験片端部）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。

ここで、本実施形態は、高張力鋼板が、引張強度が９８０ＭＰａ以上の高張力鋼板の場合に特に好適である。
＜試験片作製の工程Ａ＞
工程Ａは、作製する製品と同じ材料及び厚さからなる鋼板、すなわち製品に使用する鋼板と同じ鋼板を用意し、その鋼板をせん断加工して、所定形状の試験片１を作製する工程である。試験片１の所定形状は、外周の輪郭形状が、辺（稜線）が４本以上の正多角形形状、つまり正四角形形状以上の角数の正多角形形状に設定する。

試験片１の形状の例を図２に示す。図２（ａ）は正八角形形状の試験片１の場合を例示し、図２（ｂ）は正方形形状の試験片１の場合を例示している。
角数（稜線）を４以上としているのは、角数が３の正三角形形状の試験片１を採用した場合、深絞り加工時のしわ抑えが不十分となる領域が発生しやすいためである。フランジ部にしわが発生すると、本発明の評価に適さない場合が多い。
せん断加工によって試験片１を作製した場合には、製品形状に成形される材料端部にせん断加工で負荷される塑性ひずみ（ダメージ）と同様な塑性ひずみを、試験片１の端部に付与出来る。

＜深絞り成形の工程Ｂ＞
工程Ｂは、工程Ａで作製した試験片１に対し、円形断面を有するパンチ１０、ダイ１１（上型）及びブランクホルダー１２（シワ押さえ）を備えた金型（図４参照）によって深絞り成形を施す工程である。金型は、一般的な深絞り成形で使用される金型を使用すれば良く、パンチ１０は、例えば図３のような円柱形状となっている。ここで、ブランクホルダー１２に、材料の流入を制御するビードを付与しても良いが、本発明では材料端部（フランジ部１ａ）に応力を発生させることが重要なため、ブランクホルダー１２にビードを付与しない方が好ましい。

深絞り成形の工程Ｂを、模式図である図４を参照して説明する。深絞り加工は、一般的な深絞り成形を採用すればよい。まず図４（ａ）のように、試験片１の外周であるフランジ部１ａを、上型であるダイ１１とブランクホルダー１２とで、所定のシワ押さえ力で挟持する。その状態で、パンチ１０をプレス方向に移動させて、図４（ｂ）のように、試験片１を所定の成形高さＨに深絞りする。

成形はフランジ部１ａを残した状態で終了し、成形高さＨを調整してフランジ端部に発生する応力を調整する。すなわち、所定のシワ押さえ力は、深絞り成形中にフランジ部１ａにシワが発生しないシワ押さえ力に設定する。
また、パンチ肩で割れが発生すると、フランジ端部の応力状態に変化を及ぼす可能性があるため、材料の延性に応じて割れが発生しないパンチ１０の肩Ｒを選定する。

また、図３及び図４では、円形断面のパンチ１０であって、縦壁１０ａが直壁（プレス方向に対する角度が０度）である場合を例示しているが、縦壁１０ａが斜壁であっても問題ない。縦壁１０ａに対し、鉛直方向（プレス方向）から角度（傾斜）を付けるほど、成形高さＨを増加させることが難しくなるため、パンチ１０の縦壁１０ａの傾斜角は、プレス方向に対して０度（直壁）以上４５度以下が好ましい。

また、試験片１の全周にわたり均等な成形状態に近づけるために、図５に示すように、試験片１の中心とパンチ１０の中心とを合わせるように、試験片１を金型にセッティングして成形を実施する。
ここで、成形後のフランジ端部に発生する引張応力は、試験片１の対角線長さＤ１とパンチ１０の直径Ｄ０との比（Ｄ１／Ｄ０）である絞り比δによっても変化させることが可能である。絞り比δが小さいと成形終了時にフランジを残すことが困難となるおそれがあり、絞り比δが大きいと材料が流入しないため成形直後にパンチ肩で割れが発生する。よって、絞り比δは１．２以上２．０以下の範囲が好ましい。

＜水素侵入環境下設置の工程Ｃ＞
工程Ｃでは、工程Ｂで深絞り成形し離型した試験片１を水素侵入環境下（水素侵入雰囲気）に設置して、当該試験片１のフランジ端部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１の水素侵入環境下への設置は、例えば、図６（ｂ）のように、塩酸やＮＨ_４ＳＣＮ水溶液などの酸液２０を収容した浴槽２１内に、成形後の試験片１（図６（ａ）参照）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Ａ〜Ｃに加えて、必要なフランジ端部の最大引張応力を付与させることができる深絞り成形時の絞り比δや成形高さＨを決定する成形条件決定工程Ｄを有する（図１参照）。
次に、その成形条件決定工程Ｄについて説明する。

＜成形条件決定工程Ｄ＞
工程Ｄでは、遅れ破壊用の試験片１を作製するための深絞り成形の成形条件を決定する。
遅れ破壊用の試験片１を作製するための、工程Ｂにおける深絞り成形の成形条件は、以下の手順で決定する。

まず、成形高さＨおよび絞り比δと、金型から離型した試験片１のフランジ端部に発生する稜線方向の最大引張残留応力との関係を、使用する金型構成、深絞りした試験片１の形状、試験片１の材料に応じて予め求める。なお、金型からの離型によって、試験片１にはスプリングバックが発生する。
次に、必要な最大引張応力から、上記の関係を用いて深絞り成形条件を決定する。
上記の成形高さＨおよび絞り比δと最大引張残留応力との関係は、例えば図７に示す関係となっている。

図７に示すような、成形高さＨおよび絞り比δと最大引張残留応力との関係は、例えばコンピュータによるシミュレーション解析を用いることが出来る。
ここで、図７に示す関係は、正八角形の試験片１（図２（ａ）参照）と、円柱状の円形断面のパンチ１０（図３参照）を用いて、図４に示すような金型構成で深絞り成形した際の上記関係であって、シミュレーション解析で求めた例である。このとき、パンチ１０の直径Ｄ０を５０ｍｍに設定し、試験片１を、引張強度１４７０ＭＰａ級の冷延鋼板（板厚１．４ｍｍ）から作製して、絞り比δを１．６と１．８に設定して、成形高さＨとフランジ端部における稜線方向に発生する最大引張残留応力との関係を求めた。なお、シミュレーション解析は２次元のシェル要素を用いて実施した。

上記シミュレーション解析は３次元ソリッドモデルを用いても構わない。また、深絞り成形実験後の試験片１を用いて最大引張残留応力を実際に計測することで、上記関係を求めても良い。
そして、プレス加工した製品において、例えば、最大引張残留応力６００ＭＰａが必要な場合、図７の関係から、絞り比δ＝１．６では成形高さＨ＝７ｍｍ、絞り比δ＝１．８では成形高さＨ＝９ｍｍと決定することができる。

このように成形条件決定工程Ｄで求めた成形条件で、上記の深絞り成形によって試験片１を成形し（工程Ｂ）、その所定の最大引張残留応力が付与された試験片１を、水素侵入環境下に置いて当該試験片１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（工程Ｃ）。ここで、自動車のセンターピラーなどの車体構造部材は、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、成形条件決定工程Ｄにおいて、深絞り試験片１の最大引張残留応力を上記の応力範囲内に設定することで、実際の自動車部品に近い状態で遅れ破壊特性の評価を行うことができて、評価精度が向上する。

次に、本発明に基づく実施例について説明する。
板厚１．４ｍｍの１４７０ＭＰａ級鋼板を供試材とし、一連の評価を実施した。表１に供試材の引張特性を示す。

この供試材を用いて、せん断加工で正八角形の試験片１を作製し、円柱形状の円形断面パンチ１０を用いて、図４に示すような金型構成で深絞り成形を実施した。
パンチ１０の直径Ｄ０は５０ｍｍとし、試験片１の寸法Ｄ１は８０ｍｍ及び９０ｍｍとし、絞り比δを１．６及び１．８に設定した。図５のように、試験片１とパンチ１０の中心が一致するようにして、試験片１を金型に設定して、成形高さＨ＝１５ｍｍ及び２０ｍｍまで成形した。

ここで、図７から、絞り比δ＝１．６のとき、成形高さＨ＝１５ｍｍ時の最大引張残留応力は、０．２％耐力より大きくなる。
図７のような成形高さＨおよび絞り比δと、金型から離型した試験片１のフランジ端部に発生する稜線方向の最大引張残留応力との関係は、上述の通りシミュレーション解析により求めた。このとき、解析には有限要素法ソフトウェアＬＳ−ＤＹＮＡ ｖｅｒ．９７１を用いた。

上記深絞り成形で作製した試験片１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１を保持した。水素を試験片１に侵入させる条件としては種々あるが、今回はｐＨ１の塩酸に試験片１を浸漬させ、試験片１に水素が十分侵入して飽和状態となると考えられる１００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１のフランジ部１ａの端部に発生する最大残留応力が本供試材の０．２％耐力より若干小さい１０００ＭＰａ以上の条件下の評価では、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。

１ 試験片
１ａ フランジ部（試験片端部）
１０ パンチ
１１ ダイ
１２ ブランクホルダー
２０ 酸液
２１ 浴槽
Ａ 試験片作製の工程
Ｂ 深絞り成形の工程
Ｃ 水素侵入環境下設置の工程
Ｄ 成形条件決定工程
Ｈ 成形高さ
δ 絞り比

Claims (6)

1. 正四角形形状以上の角数の正多角形形状の高張力鋼板からなる試験片に対し、円形断面を有するパンチ、ダイ及びブランクホルダーを備えた金型によって深絞り成形を施し、成形後の上記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フランジ部に発生する亀裂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、
   上記深絞り成形における、成形高さ及び絞り比（試験片の対角線長さ／パンチ径）と、上記成形後の試験片のフランジ部に発生する最大引張残留応力との関係を求め、その求めた関係に基づき、上記高張力鋼板と同じ材料及び厚さからなる鋼板を目的とする製品形状に成形することでその製品形状の材料端部に発生する残留応力の範囲内に、上記最大引張残留応力が存在する上記成形高さ及び絞り比の範囲を求め、
   上記求めた深絞り成形の成形高さ及び絞り比の範囲内となるように上記深絞り成形条件を設定して、上記遅れ破壊性の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. 正四角形形状以上の角数の正多角形形状の高張力鋼板からなる試験片に対し、円形断面を有するパンチ、ダイ及びブランクホルダーを備えた金型によって深絞り成形を施し、成形後の上記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フランジ部に発生する亀裂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、
   上記深絞り成形における、成形高さ及び絞り比（試験片の対角線長さ／パンチ径）と、上記試験片のフランジ部に発生する最大引張残留応力との関係から、上記最大引張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最大引張残留応力が存在する上記成形高さ及び絞り比の範囲を求め、
   上記求めた深絞り成形の成形高さ及び絞り比の範囲内となるように、上記深絞り成形条件を設定して、上記遅れ破壊性の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. 上記最大引張残留応力と上記成形高さ及び絞り比との関係は、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。
4. 上記ブランクホルダーによる試験片端部へのしわ抑え力は、上記深絞り成形中にフランジ部にしわが発生しないしわ抑え力に設定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法。
5. 上記試験片は、高張力鋼板をせん断加工によって目的の形状に成形することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した高張力鋼板の遅れ破壊特性評価方法。
6. 上記高張力鋼板の引張強度が９８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項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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