JP7146377B2 - Material structure prediction method and material structure prediction device - Google Patents
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Description
本発明は、熱処理後のAl(アルミニウム)合金の材料組織を予測する材料組織予測方法等に関する。 The present invention relates to a material structure prediction method and the like for predicting the material structure of an Al (aluminum) alloy after heat treatment.
近年、例えば工業プロセスによって製造される金属材料の製造条件を検討するために、各製造工程の進行に伴う当該金属材料の特性の変化を予測する技術が提案されている。一例として、特許文献1・2には、熱処理後のAl合金(熱処理が施されたAl合金)の材料組織を予測(計算)する方法が開示されている。
2. Description of the Related Art In recent years, techniques have been proposed for predicting changes in the properties of a metal material as each manufacturing process progresses, for example, in order to examine the manufacturing conditions of a metal material manufactured by an industrial process. As an example,
但し、以下に述べるように、熱処理後のAl合金の材料組織を予測するための方法については、改善の余地がある。本発明の一態様は、従来よりも正確に、当該Al合金の材料組織を予測することを目的とする。 However, as described below, there is room for improvement in methods for predicting the material structure of Al alloys after heat treatment. An object of one aspect of the present invention is to predict the material structure of the Al alloy more accurately than in the past.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る材料組織予測方法は、熱処理後のアルミニウム合金の材料組織を予測する材料組織予測方法であって、上記熱処理前の初期時刻における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態を示す情報を取得する初期組織情報取得工程と、上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得工程と、上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度を設定する温度設定工程と、上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出工程と、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報と、を個別に算出する分散状態算出工程と、を含んでいる。 In order to solve the above problems, a material structure prediction method according to an aspect of the present invention is a material structure prediction method for predicting a material structure of an aluminum alloy after heat treatment, wherein at an initial time before the heat treatment, the above In the aluminum alloy, (i) information indicating the solid solution amount of the precipitated alloy component, and (ii) the dispersion state of the second phase particles of the precipitated alloy component in each of the crystal grains and grain boundaries of the aluminum alloy. An initial structure information acquisition step of acquiring information indicating the heat treatment condition information acquisition step of acquiring heat treatment condition information that is information indicating the conditions of the heat treatment, and based on the heat treatment condition information, the heat treatment is performed from the initial time. At each time until the final time of completion, a temperature setting step of setting the temperature to be applied to the aluminum alloy, and at each time, based on the temperature, (i) the second Considering the precipitation of the phase particles and (ii) the precipitation of the second phase particles at the grain boundaries of the aluminum alloy, a solid solution amount calculation step of calculating the solid solution amount, and at each time, the above Based on the solid solution amount and the temperature, (i) first dispersion information indicating the dispersion state within the crystal grains and (ii) second dispersion information indicating the dispersion state at the crystal grain boundaries are separately obtained. and a distributed state calculation step of calculating the
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る材料組織予測装置は、熱処理後のアルミニウム合金の材料組織を予測する材料組織予測装置であって、上記熱処理前の初期時刻における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態を示す情報を取得する初期組織情報取得部と、上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得部と、上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度を設定する温度設定部と、上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出部と、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報と、を個別に算出する分散状態算出部と、を備えている。 Further, in order to solve the above problems, a material structure prediction device according to one aspect of the present invention is a material structure prediction device for predicting a material structure of an aluminum alloy after heat treatment, wherein at an initial time before the heat treatment , of the aluminum alloy, (i) information indicating the solid solution amount of the precipitated alloy component, and (ii) second phase particles of the precipitated alloy component in the grains and grain boundaries of the aluminum alloy, respectively. An initial structure information acquisition unit that acquires information indicating the state of dispersion, a heat treatment condition information acquisition unit that acquires heat treatment condition information that is information indicating the conditions of the heat treatment, and based on the heat treatment condition information, from the initial time to the above A temperature setting unit that sets the temperature applied to the aluminum alloy at each time until the final time when the heat treatment is completed, and at each time, based on the temperature, (i) the above Considering the precipitation of the second phase particles and (ii) the precipitation of the second phase particles at the grain boundaries of the aluminum alloy, the solid solution amount calculation unit for calculating the solid solution amount, and at each time , based on the solid solution amount and the temperature, (i) first dispersion information indicating the dispersion state within the crystal grains, and (ii) second dispersion information indicating the dispersion state at the crystal grain boundaries; and a distributed state calculation unit that calculates separately.
本発明の一態様に係る材料組織予測方法によれば、従来よりも正確に、熱処理後のAl合金の材料組織を予測することが可能となる。また、本発明の一態様に係る材料組織予測装置によっても、同様の効果を奏する。 According to the material structure prediction method according to one aspect of the present invention, it is possible to predict the material structure of an Al alloy after heat treatment more accurately than in the past. Further, the material structure prediction device according to one aspect of the present invention also has the same effect.
〔実施形態1〕
実施形態1の情報処理装置1(材料組織予測装置)は、Al合金(例:Al合金鋳塊)の熱処理前における初期的な材料組織(以下、初期組織)を示す情報と、Al合金に加えられる熱処理条件を示す情報とに基づいて、Al合金の材料組織の時間的な変化を予測する。はじめに、情報処理装置1の具体的な構成の説明に先立ち、従来技術の問題点について述べる。
[Embodiment 1]
The information processing device 1 (material structure prediction device) of the first embodiment includes information indicating an initial material structure (hereinafter referred to as an initial structure) before heat treatment of an Al alloy (eg, an Al alloy ingot), and in addition to the Al alloy Based on the information indicating the heat treatment conditions obtained, temporal changes in the material structure of the Al alloy are predicted. First, prior to describing the specific configuration of the
(従来技術の問題点)
例えば、Al合金の板材は、鋳造→均質化→熱延→冷延(必要に応じて中間焼鈍および最終焼鈍が含まれる)という工程によって製造される。また、Al押出材は、押出→調質(溶体化、時効、焼鈍、および引き抜き)という工程によって製造される。
(Problem of conventional technology)
For example, an Al alloy plate material is manufactured through the steps of casting→homogenization→hot rolling→cold rolling (including intermediate annealing and final annealing if necessary). Also, the Al extruded material is manufactured by a process of extrusion→tempering (solution treatment, aging, annealing, and drawing).
いずれの製造工程においても、最終製品(板材および押出材)の材質を制御することが重要である。例えば、自動車ボディシート材の場合、材質が適切でなければ、表面性状の低下、および、溶体化処理性の低下が生じうる。また、押出材の場合、材質が適切でなければ、グレイングロス等が生じうる。さらに、製造工程における途中の工程(途中工程)においても、Al合金の材質を制御することは重要である。途中工程におけるAl合金の材質が適切でない場合、最終製品の材質にも悪影響を及ぼしうるためである。 In any manufacturing process, it is important to control the material quality of the final product (plate material and extruded material). For example, in the case of an automobile body sheet material, if the material is not suitable, deterioration of surface properties and deterioration of solution heat treatment properties may occur. In addition, in the case of extruded materials, grain loss or the like may occur if the material is not suitable. Furthermore, it is important to control the material quality of the Al alloy also in intermediate steps (intermediate steps) in the manufacturing process. This is because if the material of the Al alloy in the intermediate process is inappropriate, it may adversely affect the material of the final product.
従来では、各工程におけるAl合金の材質を制御するための条件(製造条件)については、実験(試作)に基づく検討を行うことが一般的であった。しかしながら、近年では、最終製品に対してさらに高い品質が要求されているため、製造工程が複雑化している。このため、実験に基づいて、全工程においてAl合金の材質を高精度に制御するための条件を決定することは容易ではない。 Conventionally, the conditions (manufacturing conditions) for controlling the material quality of the Al alloy in each step have generally been examined based on experiments (prototypes). However, in recent years, the manufacturing process has become complicated due to the demand for higher quality of final products. For this reason, it is not easy to determine the conditions for controlling the material of the Al alloy with high accuracy in the entire process based on experiments.
加えて、最終製品における1ロット内の材質のばらつきも問題となる。例えば、板材の製造工程では、均質化処理の昇温速度および冷却速度にばらつきが生じる。このため、材料内の温度にばらつきが生じる。また、自動車ボディシート材の場合には、熱延時の再結晶組織および溶体化処理性のばらつきが問題となる。このような材質のばらつきに対処するために、鋳塊均質化における主な第2相粒子であるMg2Siを制御する必要がある。 In addition, variations in materials within one lot in the final product also pose a problem. For example, in a plate material manufacturing process, variations occur in the heating rate and the cooling rate during homogenization. This causes temperature variations within the material. Further, in the case of automobile body sheet materials, the recrystallized structure during hot rolling and the dispersion of solution heat treatment properties pose problems. In order to deal with such variations in material properties, it is necessary to control Mg 2 Si, which is the main second phase particle in ingot homogenization.
Mg2Siは、Al合金結晶粒界に析出する傾向がある。また、結晶粒界におけるMg2Siの析出は、結晶粒内における析出物の析出と競合する。当該競合の優先順位は、熱履歴(Al合金に与えられる温度の時間的な変化の態様)によって変動する。それゆえ、例えば材料内の温度のばらつきに起因して、第2相粒子の分散状態(分布状態)の変化が生じる。その結果、第2相粒子の分散状態の変化に起因して、Al合金の材質の変動が生じる。 Mg 2 Si tends to precipitate at Al alloy grain boundaries. Also, precipitation of Mg 2 Si at grain boundaries competes with precipitation of precipitates within grains. The priority of the competition varies depending on the thermal history (temporal change in temperature applied to the Al alloy). Therefore, changes in the state of dispersion (distribution) of the second phase particles occur, for example due to temperature variations within the material. As a result, the material quality of the Al alloy fluctuates due to the change in the dispersed state of the second phase particles.
また、熱処理後にAl合金の材料組織を制御する場合にも、工業的生産上のばらつき(昇温速度等の熱履歴の変動)は避けられない。加えて、このような工業的生産上のばらつきを実験で検証することも現実的ではない。そこで、シミュレーション(机上検討)によって材料組織を予測することが必要となる。 Also, when controlling the material structure of the Al alloy after heat treatment, variations in industrial production (fluctuations in thermal history such as heating rate) are unavoidable. In addition, it is not realistic to verify such variations in industrial production by experiments. Therefore, it is necessary to predict the material structure by simulation (desktop study).
特許文献1には、Al合金の各製造工程における材料組織の予測モデルが開示されている。しかしながら、特許文献1の技術では、材料組織の概略的な変化を予測できるにすぎず、材料組織の詳細な変化を予測できない。例えば、特許文献1の技術では、Al合金における第2相粒子の数(量)およびサイズを予測できない。
熱処理後のAl合金における第2相粒子の数およびサイズは、下工程(例:熱延工程および押出工程)における材料組織の再結晶現象および強度を制御する場合において、特に重要な情報(指標)である。このため、熱処理後のAl合金における第2相粒子の数およびサイズを予測できる技術が望まれる。 The number and size of the second phase particles in the Al alloy after heat treatment are particularly important information (indicators) in controlling the recrystallization phenomenon and strength of the material structure in downstream processes (e.g. hot rolling process and extrusion process). is. Therefore, a technique that can predict the number and size of second phase particles in Al alloys after heat treatment is desired.
そこで、特許文献2では、第2相粒子の数およびサイズを予測可能な材料組織の予測モデルが提案されている。特許文献2の予測モデルでは、Al合金の結晶粒内を取り扱うことができる。例えば、3000系のAl合金(Al-Mn系合金)では、第2相粒子はほぼ結晶粒内にのみ析出する(形成される)。このため、特許文献2の予測モデルは、3000系のAl合金の材料組織を予測するためには好適である。
Therefore,
但し、一部の合金系では、結晶粒内のみならず、結晶粒界にも第2相粒子が析出する。例えば、6000系のAl合金(Al-Mg-Si系合金)では、一部の第2相粒子(例:Mg2Si)は、結晶粒界に析出する傾向が見られる。しかしながら、特許文献2の予測モデルでは、Al合金の結晶粒界を取り扱うことができない。このため、特許文献2の予測モデルは、例えば6000系のAl合金の材料組織を予測するには十分ではない。
However, in some alloy systems, second-phase particles precipitate not only within grains but also at grain boundaries. For example, in a 6000-series Al alloy (Al--Mg--Si alloy), some second phase particles (eg, Mg.sub.2Si) tend to precipitate at grain boundaries. However, the predictive model of
以上の点に鑑み、実施形態1の情報処理装置1は、結晶粒界に第2相粒子が析出される合金系(例:6000系のAl合金)に対しても、熱処理後の材料組織を予測することを目的としたものである。情報処理装置1によれば、第2相粒子の変化(より具体的には、第2相粒子の数およびサイズの変化)を、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれについて個別に予測できる。それゆえ、下工程における材料組織の再結晶現象および強度を制御するための重要な情報をユーザに提示できる。
In view of the above points, the
(情報処理装置1の構成)
図1は、情報処理装置1の要部の構成を示す機能ブロック図である。情報処理装置1は、材料組織予測部10、入力部70、表示部71、および記憶部80を備える。例えば、情報処理装置1は、情報処理装置1の各部を統括的に制御する制御部(図示せず)を、材料組織予測部10として機能させることができる。記憶部80は、材料組織予測部10が実行する各種のプログラム、および当該プログラムによって使用されるデータを格納する。
(Configuration of information processing device 1)
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of main parts of an
材料組織予測部10は、データ取得部11(初期組織情報取得部,熱処理条件情報取得部)、温度設定部12、固溶元素量算出部13(固溶量算出部)、核生成速度算出部14(分散状態算出部)、サイズ変化量算出部15(分散状態算出部)、およびデータ記録部16を備える。材料組織予測部10における各機能部の動作については、後述する。
The material
入力部70は、ユーザの入力(ユーザ入力)を受け付ける。表示部71は、各種のデータ(特に、材料組織予測部10の各種計算結果)をグラフとして表示してよい。また、表示部71は、ユーザ入力のための入力画面を表示してもよい。表示部71によってユーザにGUI(Graphic User Interface)を提供できるので、ユーザの利便性が向上する。情報処理装置1がタッチパネルを備える場合、入力部70と表示部71とを一体の部材として実現できる。
The
(熱処理計算の処理の流れ)
図2は、情報処理装置1における熱処理計算の処理S1~S13の流れを例示するフローチャートである。当該熱処理計算において想定されている製造工程は、Al合金に対する熱処理が伴うものであればよい。一例として、当該熱処理には、Al合金鋳塊に対する均質化処理が含まれていてよい。
(Processing flow of heat treatment calculation)
FIG. 2 is a flowchart illustrating the flow of heat treatment calculation processes S1 to S13 in the
図2の熱処理計算では、各時刻における材料内の第2相粒子の存在状態は、PSD(PSD:Particle Size Distribution)関数として表される。PSD関数は、粒子サイズ分布関数とも称される(特許文献2も参照)。PSD関数は、粒子サイズ(例:粒子半径)と、当該粒子サイズを有する粒子の数の対応関係を示す関数である。一例として、PSD関数は、粒子サイズの範囲(横軸:階級)と、当該粒子サイズの範囲に含まれる粒子の数(縦軸:度数)を示すヒストグラムとして表されてよい。 In the heat treatment calculation of FIG. 2, the existence state of the second phase particles in the material at each time is expressed as a PSD (PSD: Particle Size Distribution) function. The PSD function is also called the particle size distribution function (see also US Pat. A PSD function is a function that indicates the correspondence between particle size (eg, particle radius) and the number of particles having that particle size. As an example, the PSD function may be represented as a histogram showing the particle size range (horizontal axis: class) and the number of particles (vertical axis: frequency) included in the particle size range.
より具体的には、実施形態1におけるPSD関数は、第2相粒子のサイズ(例:第2相粒子の半径)と当該第2相粒子の数との対応関係を示すデータ(関数)として表される。情報処理装置1は、図2のフローチャートに基づき、PSD関数の時間的な変化(より具体的には、各時刻におけるPSD関数)を計算する。
More specifically, the PSD function in
(第1工程:初期組織情報の読み込み)
初期組織を示す情報(データセット)(以下、初期組織情報)は、ユーザ入力によって、情報処理装置1(例:記憶部80)にあらかじめ設定されている。データ取得部11(初期組織情報取得部)は、初期組織情報を記憶部80から読み込む(S1)。S1は、初期組織情報取得工程と称されてもよい。
(First step: reading initial organization information)
Information (data set) indicating an initial structure (hereinafter referred to as initial structure information) is preset in the information processing apparatus 1 (eg, storage unit 80) by user input. The data acquisition unit 11 (initial tissue information acquisition unit) reads initial tissue information from the storage unit 80 (S1). S1 may be referred to as an initial tissue information acquisition step.
初期組織情報には、以下に述べる時刻t=0(熱処理計算における初期時刻)における、Al合金の、(i)合金成分を示す情報、(ii)主要元素(析出合金成分)の第2相粒子の分散状態を示す情報(つまり、PSD関数)、および、(iii)当該主要元素の固溶量(固溶元素量)を示す情報が含まれている。 The initial structure information includes (i) information indicating alloy components, (ii) second phase particles of main elements (precipitated alloy components) of the Al alloy at time t = 0 (initial time in heat treatment calculation) described below. (that is, PSD function), and (iii) information indicating the solid solution amount of the main element (solid solution element amount).
初期組織情報は、ユーザが結晶粒内と結晶粒界とを分けて評価することによって得られたものである。つまり、初期組織情報は、結晶粒内と結晶粒界とで、別の情報として取り扱われている。より具体的には、初期組織情報において、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける分散状態を示す情報は、別の情報として取り扱われている。以下、結晶粒内における分散状態を示す情報を、第1分散情報とも称する。また、結晶粒界における分散状態を示す情報を、第2分散情報もと称する。第1分散情報と第2分散情報とは、別の情報である。 The initial structure information was obtained by the user's separate evaluation of the grain interior and the grain boundary. That is, the initial structure information is treated as separate information for the inside of the grain and the grain boundary. More specifically, in the initial structure information, information indicating the state of dispersion in each of grains and grain boundaries is handled as separate information. Hereinafter, the information indicating the dispersion state within the crystal grain is also referred to as first dispersion information. Information indicating the state of dispersion at grain boundaries is also referred to as second dispersion information. The first distributed information and the second distributed information are different information.
(第2工程:熱処理条件情報の読み込み)
Al合金の熱処理条件を示す情報(以下、熱処理条件情報)も、ユーザ入力によって、情報処理装置1(例:記憶部80)にあらかじめ設定されている。データ取得部11(熱処理条件情報取得部)は、熱処理条件情報を記憶部80から読み込む(S2)。S2は、熱処理条件情報取得工程とも称される。
(Second step: reading heat treatment condition information)
Information indicating heat treatment conditions for the Al alloy (hereinafter referred to as heat treatment condition information) is also preset in the information processing device 1 (eg, the storage unit 80) by user input. The data acquisition unit 11 (heat treatment condition information acquisition unit) reads the heat treatment condition information from the storage unit 80 (S2). S2 is also called a heat treatment condition information acquisition step.
熱処理条件情報には、時刻tにおいて、Al合金に与えられる温度Tを示す情報が含まれる。以下、時刻tにおける温度Tを、温度T(t)とも表す。熱処理条件情報は、時刻tの関数、または、時刻tに対応するデータセットとして規定されてよい。 The heat treatment condition information includes information indicating the temperature T applied to the Al alloy at time t. Hereinafter, temperature T at time t is also expressed as temperature T(t). The heat treatment condition information may be defined as a function of time t or as a data set corresponding to time t.
なお、熱処理計算における初期時刻を、t=0とする。t=0は、熱処理前(Al合金に熱処理が施される前)の時刻である。また、熱処理計算における最終時刻を、t=tfとする。最終時刻tfは、熱処理が完了する時刻である。最終時刻tfを示す情報は、熱処理条件情報に含まれる。 Note that the initial time in the heat treatment calculation is t=0. t=0 is the time before the heat treatment (before heat treatment is applied to the Al alloy). Also, let t=tf be the final time in the heat treatment calculation. The final time tf is the time when the heat treatment is completed. Information indicating the final time tf is included in the heat treatment condition information.
熱処理条件情報には、均質化処理工程における保持温度Th1および保持時間th1を示す情報が含まれていてよい。この場合、均質化処理工程における保持(保温)工程が開始される時刻をt=ts1とすると、以下に述べる温度設定部12は、ts1≦t≦ts1+th1において、T(t)=Th1と設定してよい。
The heat treatment condition information may include information indicating the holding temperature Th1 and the holding time th1 in the homogenization process. In this case, assuming that the time at which the holding (warming) step in the homogenization process is started is t=ts1, the
同様に、熱処理条件情報には、熱延前保持工程における保持温度Th2および保持時間th2を示す情報が含まれていてよい。この場合、均質化処理工程における保持工程が開始される時刻をt=ts2とすると、温度設定部12は、ts2≦t≦ts2+th2において、T(t)=Th2と設定してよい。
Similarly, the heat treatment condition information may include information indicating the holding temperature Th2 and the holding time th2 in the holding step before hot rolling. In this case, if the time at which the holding step in the homogenization process is started is t=ts2, the
なお、熱処理条件情報には、昇温速度および冷却速度を示す情報がさらに含まれていてもよい。温度設定部12は、熱処理条件情報に含まれる各パラメータ(例:保持温度、保持時間、昇温速度、および冷却速度)を用いて、温度T(t)を所定の形式の関数(例:線形関数)として表してもよい。
The heat treatment condition information may further include information indicating the heating rate and the cooling rate. The
(第3工程:温度T(t)の設定)
温度設定部12は、データ取得部11から熱処理条件情報を取得する。まず、温度設定部12は、時刻tをt=0(初期時刻)に設定する(S3)。続いて、温度設定部12は、時刻の刻み幅(微小時間)Δtを設定する(S4)。一例として、温度設定部12は、熱処理条件情報に基づいて(例:上述の保持時間th1およびth2に基づいて)、Δtを設定してよい。熱処理計算の過程におけるΔtの値は、熱処理計算の全てのループカウントに対して一定であってもよいし、ループカウントごとに変更されてもよい。
(Third step: setting temperature T(t))
The
温度設定部12は、熱処理条件情報に基づいて、時刻t=0(初期時刻)からt=tf(最終時刻)までの各時刻において(Δtごとに)、温度T(t)を設定する(S5)。S5は、温度設定工程とも称される。具体的には、温度設定部12は、熱処理条件情報に基づいて、時刻t(現在の時刻)における温度T(t)を設定する。
Based on the heat treatment condition information, the
一例として、t=0である場合には、温度設定部12は、温度T(t)=T(0)(初期時刻における温度T)を設定する。温度設定部12によれば、Al合金の熱履歴(Al合金に与えられる温度Tの時間変化の態様)を、計算モデル上で表現できる。
As an example, when t=0, the
(第4工程:固溶元素量Cの算出)
固溶元素量算出部13は、温度T=T(t)(温度設定部12によって設定された温度)における、Al合金中の固溶元素量C(析出合金成分の固溶量)を算出する(S6)。S6は、固溶量算出工程とも称される。
(Fourth step: calculation of solid solution element amount C)
The solid-solution element
具体的には、固溶元素量算出部13は、以下の式(1)、
Specifically, the solid solution element
によって、固溶元素量Cを算出する。 The solid solution element amount C is calculated by
式(1)において、C0は溶質添加量(第2相粒子中の溶質である析出合金成分の添加量)であり、Cβは第2相粒子中の溶質平衡濃度(第2相粒子中の溶質である析出合金成分の平衡濃度)である。fpIGは粒内における第2相粒子の体積率であり、fpGBは粒界における第2相粒子の体積率である。式(1)におけるC
0
およびC
β の値は、情報処理装置1にあらかじめ設定されている。
In equation (1), C0 is the solute addition amount (the addition amount of the precipitated alloy component, which is the solute in the second phase particles), and Cβ is the solute equilibrium concentration in the second phase particles ( is the equilibrium concentration of the precipitated alloy component, which is the solute of f pIG is the volume fraction of second phase grains in grains and f pGB is the volume fraction of second phase grains at grain boundaries. The values of C 0 and C β in equation (1) are preset in the
式(1)に示されるように、情報処理装置1(固溶元素量算出部13)は、「粒内における第2相粒子の析出」(「-fpIGCβ」として表される項)に加えて、「粒界における第2相粒子の析出」(「-fpGBCβ」として表される項)をさらに考慮して、固溶元素量Cを算出している。 As shown in the formula (1), the information processing device 1 (solid-solution element amount calculation unit 13) calculates “precipitation of second phase particles in grains” (a term represented as “−f pIG C β ”) In addition to , the amount of solute elements C is calculated taking into account the “precipitation of the second phase particles at the grain boundaries” (the term expressed as “−f pGB C β ”).
つまり。上述のように、情報処理装置1は、「結晶粒界にも第2相粒子が析出する」という現象を考慮して固溶元素量Cを算出している。実施形態1の計算モデル(以下、本件計算モデル)は、当該現象を考慮して(つまり、式(1)を用いて)固溶元素量Cを計算するという点において、従来の計算モデルとは技術的思想を異にする。本件計算モデルによれば、簡単な計算(式(1)を用いた計算)によって、上記現象を考慮した固溶元素量Cを計算できる。
in short. As described above, the
(第5工程:結晶粒内の核生成速度Jおよび結晶粒界の核生成速度Jgbの算出)
核生成速度算出部14は、温度T=T(t)における、結晶粒内の核生成速度J(結晶粒内における第2相粒子の核生成速度)を算出する(S7)。具体的には、核生成速度算出部14は、固溶元素量算出部13によって算出された固溶元素量Cを用いて、以下の式(2)~(7)、
(Fifth step: calculation of nucleation rate J in grains and nucleation rate J gb at grain boundaries)
The
によって、結晶粒内の核生成速度Jを算出する(特に、式(2)を参照)。 to calculate the nucleation rate J in the grain (see, in particular, formula (2)).
式(2)以降の式において、kはボルツマン(Boltzmann)定数である。式(3)において、Dは拡散係数であり、aは母相の格子定数である。式(4)において、Vβは析出層のモル体積であり、γ(ガンマ)は粒子/母相界面のエネルギーである。式(5)において、r
c は核生成の臨界半径である。式(6)において、ΔGは析出相の体積自由エネルギーである。式(7)において、Rは気体定数であり、Cαは母相中の溶質平衡濃度(析出合金成分の平衡濃度)である。式(2)~(7)におけるこれらの値は、情報処理装置1にあらかじめ設定されている。
In the formulas after formula (2), k is the Boltzmann constant. In Equation (3), D is the diffusion coefficient and a is the lattice constant of the parent phase. In equation (4), V β is the molar volume of the precipitated layer and γ (gamma) is the energy of the particle/matrix interface. In equation (5), r c is the critical radius of nucleation. In Equation (6), ΔG is the volume free energy of the precipitation phase. In equation (7), R is the gas constant, and C α is the solute equilibrium concentration in the matrix (equilibrium concentration of precipitated alloy components). These values in equations (2) to (7) are preset in the
続いて、核生成速度算出部14は、温度T=T(t)における、結晶粒界の核生成速度Jgb(結晶粒界における第2相粒子の核生成速度)を算出する(S8)。具体的には、核生成速度算出部14は、固溶元素量算出部13によって算出された固溶元素量Cを用いて、以下の式(8)~(11)、
Subsequently, the
によって、結晶粒内の核生成速度Jを算出する(特に、式(8)を参照)。 to calculate the nucleation rate J in the grain (see, in particular, equation (8)).
式(10)において、γααは、Al粒界の界面エネルギーである。式(11)において、BはAl結晶の粒径であり、δは粒界の厚さである。式(10)~(11)におけるこれらの値は、情報処理装置1にあらかじめ設定されている。
In Equation (10), γ αα is the interfacial energy of Al grain boundaries. In formula (11), B is the grain size of the Al crystal, and δ is the thickness of the grain boundary. These values in equations (10) to (11) are set in the
式(8)に示されるように、結晶粒界における核生成は、結晶粒内における核生成とは異なり、不均一な核生成であることが考慮されている。また、式(8)では、体積比Bv(粒界におけるAl結晶粒と粒内におけるAl結晶粒との体積比)が用いられている。Bvを用いることで、粒界と粒内との核生成サイト候補数の比を考慮できる。 As shown in equation (8), nucleation at grain boundaries is considered to be heterogeneous nucleation, unlike nucleation within grains. In addition, the volume ratio Bv (the volume ratio between the Al crystal grains at the grain boundaries and the Al crystal grains within the grains) is used in the formula (8). By using Bv , the ratio of the number of nucleation site candidates between grain boundaries and grain interiors can be considered.
続いて、核生成速度算出部14は、結晶粒内の核生成速度Jを用いて、結晶粒内において微小時間Δtの間に新たに形成される(析出する)第2相粒子の数を算出する。以下、微小時間Δtの間に、結晶粒内に新たに形成される第2相粒子の数を、ΔNとして表す。具体的には、核生成速度算出部14は、ΔN=Jgb×Δtとして、ΔNを算出する。
Subsequently, the
また、核生成速度算出部14は、結晶粒界の核生成速度Jgbを用いて、結晶粒界において微小時間Δtの間に新たに形成される第2相粒子の数を算出する。以下、微小時間Δtの間に、結晶粒界に新たに形成される第2相粒子の数を、ΔNgbとして表す。具体的には、核生成速度算出部14は、ΔNgb=Jgb×Δtとして、ΔNgbを算出する。
Further, the
なお、結晶粒内に新たに形成される第2相粒子の半径(サイズ)、および、結晶粒界に新たに形成される第2相粒子の半径は、いずれもr c (核生成の臨界半径)として表される。 The radius (size) of the second-phase grains newly formed in the grains and the radius of the second-phase grains newly formed in the grain boundaries are both r c (critical radius of nucleation ).
上述のように、第1分散情報および第2分散情報は、別の情報として取り扱われている。より具体的には、情報処理装置1では、PSD関数が、結晶粒内と結晶粒界とで別の情報として取り扱われている。そこで、核生成速度算出部14は、上記計算結果を用いて、結晶粒内と結晶粒界とでPSD関数を個別に更新する。
As described above, the first distributed information and the second distributed information are treated as separate information. More specifically, in the
以下、結晶粒内におけるPSD関数をPSD1(第1PSD関数,第1粒子サイズ分布関数)と称する。PSD1は、第1分散情報の一例である。また、結晶粒界におけるPSD関数をPSD2(第2PSD関数,第2粒子サイズ分布関数)と称する。PSD2は、第2分散情報の一例である。 Hereinafter, the PSD function in the crystal grain is referred to as PSD1 (first PSD function, first particle size distribution function). PSD1 is an example of first distributed information. Also, the PSD function at the grain boundary is referred to as PSD2 (second PSD function, second grain size distribution function). PSD2 is an example of second distributed information.
具体的には、核生成速度算出部14は、「半径r
c を有するΔN個の第2相粒子」を、PSD1のデータに追加する。より具体的には、核生成速度算出部14は、PSD1において、半径r
c に対応する階級(半径r
c を含む第2相粒子のサイズ範囲)に属する第2相粒子の数(度数)を、ΔNだけカウントアップする。
Specifically, the
また、核生成速度算出部14は、「半径r
c を有するΔNgb個の第2相粒子」を、PSD2のデータに追加する。PSD2において、半径r
c に対応する階級に属する第2相粒子の数を、ΔNgbだけカウントアップする。
In addition, the
このように、第5工程(S7・S8)は、1つの半径r c に対して、PSD1およびPSD2を個別に更新(算出)する工程と理解されてもよい。第5工程は、核生成算出工程と称されてもよい。核生成算出工程は、ΔNとΔNgbとを個別に算出する工程と表現できる。 Thus, the fifth step (S7 and S8) may be understood as a step of individually updating (calculating) PSD1 and PSD2 for one radius rc. A fifth step may be referred to as a nucleation calculation step. The nucleation calculation step can be expressed as a step of calculating ΔN and ΔN gb separately.
(第6工程:第2相粒子のサイズ変化Vの算出)
材料組織中に存在する第2相粒子のサイズ変化Vは、以下の式(12)~(13)、
(Sixth step: calculation of size change V of second phase particles)
The size change V of the second phase particles present in the material structure is expressed by the following formulas (12) to (13),
によって、粒子半径(第2相粒子の半径)rの関数として表現できる(特に、式(12)を参照)。式(12)は、第2相粒子のサイズ成長を表現する式である。なお、式(13)におけるRは式(7)と同様、気体定数を示している。 can be expressed as a function of the particle radius (the radius of the second phase particles) r by (see in particular equation (12)). Equation (12) is an equation that expresses the size growth of the second phase grains. Note that R in Equation (13) indicates a gas constant, as in Equation (7).
サイズ変化量算出部15は、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれについて、第2相粒子のサイズ変化を算出する(S9)。S9は、サイズ変化算出工程とも称される。サイズ変化算出工程では、(i)結晶粒内における第2相粒子のサイズ変化と、(ii)結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化とを個別に算出する工程と表現できる。
The size
まず、サイズ変化量算出部15は、所定の半径r(PSD1における複数の階級のうちのいずれかに含まれる値であればよい)に対して、式(12)~(13)を用いて、結晶粒内における第2相粒子のサイズ変化Vを算出する。各種ハンドブックに記載されている拡散係数Dの数値(物性値)は体拡散係数(体拡散の挙動を示す拡散係数)である。このため、体拡散係数の数値を用いることで、結晶粒内における第2相粒子の成長速度(換言すれば、サイズ変化V)を適切に計算できる。
First, the size change
他方、結晶粒界においては、粒界拡散と粒内拡散とが同時に生じる。このため、結晶粒界における計算では、粒界拡散の挙動を示す拡散係数、または、粒内拡散の挙動を示す拡散係数のいずれかを使用すると、第2相粒子の成長速度を過大または過小に算出してしまう可能性が高い。 On the other hand, at grain boundaries, grain boundary diffusion and intragranular diffusion occur simultaneously. For this reason, in calculations at grain boundaries, the use of either the diffusion coefficient that indicates the behavior of grain boundary diffusion or the diffusion coefficient that indicates the behavior of intragranular diffusion will cause the growth rate of the second phase grains to become too large or too small. likely to be calculated.
そこで、サイズ変化量算出部15は、結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化Vを算出する場合には、上述の式(12)の「拡散係数D」(体拡散係数)を、以下の式(14)、
Therefore, when calculating the size change V of the second phase grains at the grain boundary, the size change
によって表される「拡散係数DGBapp」に置き換える。拡散係数DGBappは、粒界における拡散係数である。より具体的には、拡散係数DGBappは、例えば『榎本正人
著「金属の相変態」第116~119頁(内田老鶴圃、2000年10月25日発行)に記載されているコレクタープレートメカニズム理論が適用された拡散係数である。なお、式(14)のD
GB
は、第2相粒子を形成する溶質原子が、粒界で拡散するときの挙動を示す拡散係数である。
is replaced by the “diffusion factor D GBapp ” represented by . The diffusion coefficient DGBapp is the diffusion coefficient at grain boundaries. More specifically, the diffusion coefficient DGBapp is a collector plate mechanism described in, for example, Masato Enomoto, Phase Transformation of Metals, pp. 116-119 (Uchida Rokakuho, published on October 25, 2000). Diffusion coefficient with theory applied. Note that DGB in Equation (14) is a diffusion coefficient that indicates the behavior of solute atoms that form the second phase particles when diffusing at grain boundaries .
以下、結晶粒内における第2相粒子のサイズ変化Vとの区別のため、結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化をVgbとも表す。サイズ変化量算出部15は、拡散係数DGBappを用いて、上記所定の半径rに対して、結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化Vgbを算出する。このように、サイズ変化算出工程では、結晶粒内と結晶粒界とで異なる拡散係数を用いて、サイズ変化VとVgbとが個別に算出される。
Hereinafter, to distinguish from the size change V of the second phase grains within the crystal grains, the size change of the second phase grains at the grain boundaries is also expressed as Vgb . The
結晶粒内において、微小時間Δtの間に生じる粒子サイズ(粒子半径)の変化Δrは、Δr=VΔtとして表される。サイズ変化量算出部15は、当該計算式を用いて、上記所定の半径rに対してΔrを算出する。
The change Δr in the grain size (particle radius) that occurs within a minute time Δt in the grain is expressed as Δr= VΔt . The size
サイズ変化量算出部15は、上記計算を、PSD1の全ての階級に対応する半径rに対して行う。これにより、結晶粒内における全ての第2相粒子のサイズについて、時刻tにおけるPSD1(結晶粒内における第2相粒子の分散状態)を算出できる。従って、時刻tが更新される(参照:後述のS11)ごとにPSD1を算出することで、PSD1の時間的な変化を導出できる。
The size
また、結晶粒界において、微小時間Δtの間に生じる粒子サイズ(粒子半径)の変化Δr
gbは、Δr
gb=VgbΔtとして表される。サイズ変化量算出部15は、当該計算式を用いて、上記所定の半径rに対してΔr
gbを算出する。サイズ変化量算出部15は、上記計算を、PSD2の全ての階級に対応する半径rに対して行う。これにより、結晶粒界における全ての第2相粒子のサイズについて、時刻tにおけるPSD2(結晶粒界における第2相粒子の分散状態)を算出できる。従って、時刻tが更新されるごとにPSD2を算出することで、PSD2の時間的な変化を導出できる。
In addition, the change Δr gb in the grain size (grain radius) that occurs during the minute time Δt at the grain boundary is expressed as Δ r gb = V gb Δt. The size
以上のように、第5工程および第6工程(S7~S9)によれば、各時刻において、固溶元素量Cおよび温度T(t)に基づいて、PSD1(第1分散情報)とPSD2(第2分散情報)とを個別に算出できる。従って、第5工程および第6工程は、総称的に分散状態算出工程とも称される。より具体的には、分散状態算出工程は、核生成算出工程における計算結果と、サイズ変化算出工程における計算結果に基づいて、PSD1とPSD2とを個別に算出する。 As described above, according to the fifth step and the sixth step (S7 to S9), PSD1 (first dispersion information) and PSD2 ( second distributed information) can be calculated separately. Therefore, the fifth step and the sixth step are also generically referred to as the distributed state calculation step. More specifically, the dispersed state calculation step separately calculates PSD1 and PSD2 based on the calculation result in the nucleation calculation step and the calculation result in the size change calculation step.
上記の構成によれば、第1分散情報(PSD1)と第2分散情報(PSD2)に、各時刻における第2相粒子の数およびサイズに関する情報を含めることができる。それゆえ、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける第2相粒子の分散状態を、より具体的に表現できる。 According to the above configuration, the first dispersion information (PSD1) and the second dispersion information (PSD2) can include information about the number and size of the second phase particles at each time. Therefore, the dispersion state of the second phase particles in each of the crystal grains and the crystal grain boundaries can be expressed more specifically.
(第7工程:途中過程の計算結果の記録)
データ記録部16は、途中過程の計算結果(現在の時刻tにおける計算結果)として、時刻tにおける固溶元素量CとPSD1とPSD2とを取得する。そして、データ記録部16は、これらのデータを記憶部80に記録する(S10)。
(Seventh step: recording of intermediate calculation results)
The
なお、PSD関数からは、二次的な情報として、粒子の平均サイズ、数密度、および粒子間距離を導出できる。従って、情報処理装置1は、PSD1およびPSD2に基づいて、時刻tにおける結晶粒内および結晶粒界のそれぞれの第2相粒子について、平均サイズ、数密度、および粒子間距離を導出することもできる。
From the PSD function, as secondary information, the average particle size, number density, and inter-particle distance can be derived. Therefore, based on PSD1 and PSD2, the
(第8工程:時刻の更新および反復計算の有無の判定)
温度設定部12は、S4で設定されたΔtを用いて、時刻tを更新する。具体的には、温度設定部12は、t=t+Δtとして、時刻tをΔtだけカウントアップする(S11)。S11は、熱処理における時刻の進行を表現する処理である。
(Eighth step: update of time and determination of presence/absence of iterative calculation)
The
続いて、温度設定部12は、S8において更新した時刻tが、最終時刻tfに至ったか否かを判定する。具体的には、温度設定部12は、t=tfであるか否かを判定する(S12)。t<tfである場合(S12でNO)、S5に戻り、上述の処理S5~S11を繰り返す。他方、t=tfである場合(S12でYES)、S13に進む。
Subsequently, the
(第9工程:最終的な計算結果の記録)
データ記録部16は、最終的な計算結果(最終時刻tfにおける計算結果)として、最終時刻tfにおける固溶元素量CとPSD1とPSD2とを取得する。そして、データ記録部16は、これらのデータを記憶部80に記録する(S13)。最終的な計算結果は、熱処理後のAl合金の材料組織を示す情報(以下、最終組織情報)として用いることができる。
(Ninth step: Recording final calculation results)
The
最終組織情報は、圧延、押出、鍛造、および熱処理などを組み合わせた製造工程全体の設計を行うための情報として利用できる。製造工程の各工程における材料組織の予測を行う場合、実施形態1の材料組織予測手法(熱処理後のAl合金の材料組織を予測する手法)を、他の工程における材質予測手法と組み合わせることができる。これにより、製造工程全体に亘る材料組織の予測(つまり、材質の予測)を行うことも可能となる。 The final structure information can be used as information for designing the entire manufacturing process combining rolling, extrusion, forging, heat treatment, and the like. When predicting the material structure in each step of the manufacturing process, the material structure prediction method of Embodiment 1 (the method for predicting the material structure of the Al alloy after heat treatment) can be combined with the material property prediction method in other steps. . This makes it possible to predict the material structure (that is, predict the material) over the entire manufacturing process.
以上のように、本件計算モデルによれば、固溶・析出計算を用いて、(i)主要元素(析出合金成分)の固溶量、および、(ii)当該析出合金成分の析出物(第2相粒子)のサイズおよび量を算出できる。特に、結晶粒内と結晶粒界とを個別に取り扱って計算を実行できる。 As described above, according to the present calculation model, using the solid solution/precipitation calculation, (i) the solid solution amount of the main element (precipitated alloy component), and (ii) the precipitate of the precipitated alloy component (second The size and amount of two-phase particles) can be calculated. In particular, calculations can be performed by treating grain interiors and grain boundaries separately.
なお、当該計算モデルでは、熱処理前のAl合金(例:均質化処理前のAl合金鋳塊)中に存在する晶出物を、固溶・析出計算の対象から除外できる。当該材料組織予測手法において計算の対象とする主要元素については、最終製品の特性(材質)への影響が大きいと考えられる元素を選択すればよい。 Note that in the calculation model, crystallized substances present in the Al alloy before heat treatment (eg, Al alloy ingot before homogenization treatment) can be excluded from the solid solution/precipitation calculation targets. For the main elements to be calculated in the material structure prediction method, an element that is considered to have a large effect on the characteristics (material) of the final product should be selected.
(情報処理装置1の効果)
上述のように、従来の技術では、結晶粒内と結晶粒界とで同時に第2相粒子が析出する合金系(例:6000系のAl合金)に対しては、熱処理後の材料組織を適切に予測できなかった。
(Effect of information processing device 1)
As described above, in the conventional technology, the material structure after heat treatment is appropriately adjusted for an alloy system (eg, 6000 series Al alloy) in which second phase particles are precipitated simultaneously in the crystal grains and at the grain boundaries. could not be predicted.
これに対して、本件計算モデルによれば、結晶粒内と結晶粒界とを個別に取り扱って計算を実行できるので、上記合金系に対しても、熱処理後の材料組織を適切に予測できる。すなわち、従来よりも正確に、熱処理後のAl合金の材料組織を予測できる。 On the other hand, according to the calculation model of the present invention, it is possible to perform calculations by separately handling the inside of grains and the grain boundaries, so it is possible to appropriately predict the material structure after heat treatment even for the above alloy system. That is, the material structure of the Al alloy after heat treatment can be predicted more accurately than conventionally.
さらに、高精度なシミュレーションによってAl合金の材料組織を予測できるので、製造条件の検討のための実験(試作)の回数を低減することもできる。それゆえ、当該検討に要するコストを効果的に低減することも可能となる。 Furthermore, since the material structure of the Al alloy can be predicted by highly accurate simulation, the number of experiments (prototypes) for examining manufacturing conditions can be reduced. Therefore, it is also possible to effectively reduce the cost required for the examination.
また、情報処理装置1では、均質化処理後の材料組織計算によって、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれに存在する析出物(第2相粒子)のサイズおよび量を算出できる。そして、当該サイズおよび量から、再結晶時の抑止力を予測できる。当該抑止力は、下工程(例:熱延工程および押出工程)における製造条件を設定(制御)するための指針となる情報である。
Further, in the
また、情報処理装置1では、溶体化処理後の材料組織計算によって、溶体化処理に応じた目的の粒子の再固溶が実現されるかを予測することもできる。加えて、当該予測結果に基づいて、再固溶を実現するための最適な溶体化処理条件を選定することもできる。
Further, in the
〔実施例〕
本願の発明者ら(以下、発明者ら)は、本件計算モデルの有用性を確認するために、本件計算モデルによって得られた計算結果(以下、実施例での計算値)を、実測値と比較した。
〔Example〕
In order to confirm the usefulness of the calculation model, the inventors of the present application (hereinafter referred to as the inventors) compare the calculation results obtained by the calculation model (hereinafter referred to as the calculated values in the examples) with the actual measured values. compared.
(第1の例)
発明者らは、DC(Direct Chill)鋳造により、厚さ490mm、幅1600mmのAA(Aluminum Association)規格6106合金の鋳塊を作成し、調査材とした。そして、当該鋳塊に熱処理を施した。そして、熱処理後の鋳塊に対して、材料組織が安定する厚さ1/4部分から小片(サンプル)を切り出した。その後、発明者らは、当該小片におけるMg固溶量(固溶元素量)と析出物(第2相粒子)の平均粒子直径(粒子直径の平均値)を実測した。平均粒子直径の測定は、粒内および粒界のそれぞれに対して行った。
(first example)
The inventors prepared an AA (Aluminum Association) standard 6106 alloy ingot having a thickness of 490 mm and a width of 1600 mm by DC (Direct Chill) casting, and used it as a research material. Then, the ingot was heat-treated. Then, a small piece (sample) was cut from the 1/4 thickness portion of the heat-treated ingot where the material structure is stable. After that, the inventors actually measured the Mg solid-solution amount (solid-solution element amount) and the average particle diameter (average value of particle diameter) of precipitates (second phase particles) in the small pieces. Mean grain diameter measurements were made for each grain intragranular and grain boundary.
具体的には、Mg固溶量の実測値については、鋳塊中のMg含有量から、析出したMgの量(Mg析出量)を減算した値として算出した。なお、Mg析出量を算出するために、熱フェノール溶解法によって小片から抽出された析出物を、塩酸・フッ酸混合液で溶解した溶解液を調製した。Mg析出量については、当該溶解液を希釈した液に対してICP(Inductively Coupled Plasma)分析を行うことによって算出した。このように、Mg固溶量の測定方法は、特許文献2と同様である。
Specifically, the measured value of the Mg solid-solution amount was calculated as a value obtained by subtracting the amount of precipitated Mg (amount of precipitated Mg) from the Mg content in the ingot. In order to calculate the amount of precipitated Mg, a solution was prepared by dissolving the precipitate extracted from the small pieces by the hot phenol dissolution method with a mixed solution of hydrochloric acid and hydrofluoric acid. The amount of precipitated Mg was calculated by performing ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis on a solution obtained by diluting the solution. Thus, the method for measuring the solid solution amount of Mg is the same as in
また、平均粒子直径の測定は、次の通り行った。まず、上記Al合金鋳塊から切り出された小片サンプルに対して鏡面研磨を行った。続いて、得られた研磨面に対してSEM(Scanning Electron Microscope,走査電子顕微鏡)観察を行い、100倍、500倍、1000倍、および5000倍のそれぞれの倍率において、写真(観察写真)を10枚ずつ撮影した。そして、得られた計40枚の写真を用いて第2相粒子を観察した。続いて、これらの写真に対して画像解析ソフトWinROOF V5.7(三谷商事株式会社)における形状特徴抽出機能を用いて、第2相粒子の円相当径(平均粒子直径)を算出した。 Also, the average particle diameter was measured as follows. First, a small piece sample cut out from the Al alloy ingot was mirror-polished. Subsequently, SEM (Scanning Electron Microscope) observation was performed on the resulting polished surface, and 10 photographs (observation photographs) were taken at respective magnifications of 100 times, 500 times, 1000 times, and 5000 times. I took pictures one by one. Then, the second phase particles were observed using a total of 40 photographs obtained. Subsequently, using the shape feature extraction function of image analysis software WinROOF V5.7 (Mitani Shoji Co., Ltd.) for these photographs, the equivalent circle diameter (average particle diameter) of the second phase particles was calculated.
図3は、実測値と計算値の一部の例を示す表である。図3に示されるように、発明者らは、No.1~No.9の9通りのケースに対して、実測値を取得した。続いて、発明者らは、当該9通りのケースに対して、本件計算モデルを用いて計算値を得た。 FIG. 3 is a table showing some examples of measured values and calculated values. As shown in FIG. 1 to No. Measured values were obtained for nine cases of nine. Subsequently, the inventors obtained calculated values using the present calculation model for the nine cases.
図3には、No.1~No.9のそれぞれにおける、調査材のMg添加量(溶質添加量)、および、当該調査材の熱処理条件(均質化処理条件および熱延前保持条件)が示されている。No.1~No.9はそれぞれ、Mg添加量、均質化処理条件、および熱延前保持条件の少なくともいずれかが相違している。 In FIG. 1 to No. 9, the Mg addition amount (solute addition amount) of the investigation material and the heat treatment conditions (homogenization treatment conditions and holding conditions before hot rolling) of the investigation material are shown. No. 1 to No. 9 differ in at least one of the amount of Mg added, the homogenization treatment conditions, and the holding conditions before hot rolling.
図4の(a)~(c)はそれぞれ、図3における実測値と計算値との比較結果を示すグラフである。図4の(a)は、図3のNo.1~No.9に示される「Mg固溶量」について、実測値を横軸に、計算値を縦軸にプロットしたグラフである。図4の(a)に示されるように、Mg固溶量の各計算値は実測値とほぼ一致することが確認された。 (a) to (c) of FIG. 4 are graphs showing comparison results between the measured values and the calculated values in FIG. (a) of FIG. 1 to No. 9 is a graph in which measured values are plotted on the horizontal axis and calculated values are plotted on the vertical axis for "Mg solid solution amount" shown in Fig. 9; As shown in FIG. 4(a), it was confirmed that each calculated value of the solid solution amount of Mg substantially coincided with the measured value.
図4の(b)および(c)はそれぞれ、図3のNo.1~No.9に示される「粒内における析出物の平均粒子直径」および「粒界における析出物の平均粒子直径」について、実測値を横軸に、計算値を縦軸にプロットしたグラフである。図4の(b)および(c)に示されるように、粒内・粒界における析出物の平均粒子直径についても、各計算値は実測値とほぼ一致することが確認された。以上の通り、本件計算モデルによって熱処理後のAl合金の材料組織を高精度に予測できることが確認された。 (b) and (c) of FIG. 4 correspond to No. 1 of FIG. 1 to No. 9 is a graph in which the measured values are plotted on the horizontal axis and the calculated values on the vertical axis for "average particle diameter of precipitates in grains" and "average particle diameter of precipitates at grain boundaries" shown in 9. FIG. As shown in Figs. 4(b) and 4(c), it was confirmed that the calculated values for the average particle diameter of precipitates in grains and grain boundaries substantially agreed with the measured values. As described above, it was confirmed that the calculation model can predict the material structure of the Al alloy after heat treatment with high accuracy.
(第2の例)
続いて、発明者らは、図3のNo.7に対して、粒内および粒界のそれぞれにおけるPSD関数を実測した。さらに、発明者らは、当該No.7に対して、本件計算モデルを用いた計算によって、粒内および粒界のそれぞれにおけるPSD関数の計算値を得た。
(Second example)
Subsequently, the inventors used No. 1 in FIG. 7, the PSD function was actually measured in each of grain interiors and grain boundaries. Furthermore, the inventors found that the No. 7, calculated values of the PSD function in each of the grain interior and the grain boundary were obtained by calculation using the present calculation model.
図5の(a)および(b)はそれぞれ、これらのPSD関数の実測値と計算値とを比較いたグラフである。図5の(a)には、粒内におけるPSD関数の実測値と計算値とがプロットされている。また、図5の(b)には、粒界におけるPSD関数の実測値と計算値とがプロットされている。 (a) and (b) of FIG. 5 are graphs comparing the measured and calculated values of these PSD functions, respectively. In FIG. 5(a), the measured and calculated values of the PSD function in grains are plotted. Also, in (b) of FIG. 5, the measured values and calculated values of the PSD function at the grain boundary are plotted.
図5の(a)および(b)に示されるように、粒内・粒界におけるPSD関数についても、各計算値は実測値とほぼ一致することが確認された。第2の例からも、本件計算モデルによって熱処理後のAl合金の材料組織を高精度に予測できることが裏付けられた。 As shown in FIGS. 5(a) and 5(b), it was confirmed that each calculated value of the PSD function in grain interiors and grain boundaries substantially agrees with the measured values. The second example also confirms that the calculation model can predict the material structure of the Al alloy after heat treatment with high accuracy.
(第3の例)
続いて、発明者らは、特許文献2の計算モデル(従来の計算モデル)による計算を行った。そして、特許文献2の計算モデルによって得られた計算結果(以下、比較例での計算値)を、実測値および実施例での計算値と比較した。
(Third example)
Subsequently, the inventors performed calculations using the calculation model of Patent Document 2 (conventional calculation model). Then, the calculation results obtained by the calculation model of Patent Document 2 (hereinafter, calculated values in the comparative example) were compared with the measured values and the calculated values in the example.
図6は、(i)実測値と、(ii)比較例での計算値と、(iii)実施例での計算値と、の一部の例を示す表である。図6に示されるように、発明者らは、No.1~No.2の2通りのケースに対して、第1の例と同様に実測値を取得した。続いて、発明者らは、当該2通りのケースに対して、(i)比較例での計算値、および、(ii)実施例での計算値を得た。 FIG. 6 is a table showing some examples of (i) measured values, (ii) calculated values in a comparative example, and (iii) calculated values in an example. As shown in FIG. 1 to No. Measured values were obtained in the same manner as in the first example for the two cases of No. 2. Subsequently, the inventors obtained (i) calculated values in the comparative example and (ii) calculated values in the example for the two cases.
図6に示されるように、No.1~No.2のいずれもおいても、「Mg固溶量」について、実施例での計算値は、比較例での計算値に比べて、実測値により近い値が得られた。特に、No.2では、比較例での計算値は実測値と大きく乖離していた。他方、当該No.2において、実施例での計算値は実測値とほぼ一致していた。 As shown in FIG. 1 to No. 2, the calculated value of the "Mg solid solution amount" in the example was closer to the measured value than the calculated value in the comparative example. In particular, No. In 2, the calculated value in the comparative example deviated greatly from the measured value. On the other hand, the No. 2, the calculated value in the example substantially matched the measured value.
また、No.1~No.2のいずれもおいても、「粒内における析出物の平均粒子直径」について、実施例での計算値は、比較例での計算値に比べて、実測値により近い値が得られた。特に、No.1では、比較例での計算値は実測値と大きく乖離していた。他方、当該No.1において、実施例での計算値は実測値とほぼ一致していた。 Also, No. 1 to No. 2, the calculated value of the "average particle diameter of precipitates in grains" in the example was closer to the actual measurement than the calculated value in the comparative example. In particular, No. In 1, the calculated value in the comparative example deviated greatly from the measured value. On the other hand, the No. In No. 1, the calculated values in the example substantially matched the measured values.
なお、図6に示されるように、特許文献2の計算モデルでは、「粒界における析出物の平均粒子直径」を計算できない。上述の通り、特許文献2の計算モデルでは、「粒界における析出物の平均粒子半径」をそもそも計算できないためである。つまり、特許文献2の計算モデルでは、「粒界における第2相粒子の析出が、粒内における第2相粒子の析出に及ぼす影響」を考慮できない。このことは、特許文献2の計算モデルによって、「Mg固溶量」および「粒内における析出物の平均粒子直径」を高精度に計算できなかった理由の1つである。
As shown in FIG. 6, the calculation model of
他方、本件計算モデルでは、「粒界における析出物の平均粒子半径」を計算できる。このため、本件計算モデルでは、「粒界における析出物の平均粒子直径」を、「粒界における析出物の平均粒子半径」の2倍の値として計算できる。No.1~No.2のいずれもおいても、「粒界における析出物の平均粒子直径」について、実施例での計算値は、実測値に近い値が得られた。 On the other hand, the present calculation model can calculate the "average particle radius of precipitates at grain boundaries". Therefore, in the present calculation model, the "average particle diameter of precipitates at grain boundaries" can be calculated as twice the "average particle diameter of precipitates at grain boundaries". No. 1 to No. 2, the calculated value of the "average particle diameter of precipitates at the grain boundary" in the example was close to the measured value.
また、本件計算モデルによれば、「粒界における第2相粒子の析出が、粒内における第2相粒子の析出に及ぼす影響」を考慮できる。その結果、「Mg固溶量」および「粒内における析出物の平均粒子直径」を、従来よりも高精度に計算できる。第3の例からも、実施形態1の料組織予測手法によれば、熱処理後のAl合金の材料組織を、従来よりも高精度に予測できることが裏付けられた。 Further, according to the calculation model of the present invention, it is possible to consider "the effect of the precipitation of the second phase particles at the grain boundaries on the precipitation of the second phase particles inside the grains". As a result, the "Mg solid solution amount" and the "average grain diameter of precipitates in grains" can be calculated with higher accuracy than before. The third example also confirms that the material structure prediction method of the first embodiment can predict the material structure of the Al alloy after heat treatment with higher accuracy than the conventional method.
〔実施形態2〕
実施形態1では、本件計算モデルを用いて、熱処理後のAl合金の材料組織を高精度に予測できることを説明した。但し、本件計算モデルの適用対象となる金属材料は、Al(Al合金)のみに限定されない。例えば、本件計算モデルは、熱処理後の所定の金属製品の材料組織を予測するために適用されてもよい。一例として、本件計算モデルは、鉄(Fe)または銅(Cu)の材料組織を予測するために適用されてもよい。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, it has been explained that the calculation model can be used to predict the material structure of the Al alloy after heat treatment with high accuracy. However, the metal material to which the calculation model is applied is not limited to Al (Al alloy). For example, the computational model may be applied to predict the material structure of a given metal product after heat treatment. As an example, the computational model may be applied to predict the material structure of iron (Fe) or copper (Cu).
(本件計算モデルをAl合金に適用する場合の利点)
(1)鉄をベースとする合金(鉄ベース合金)は、固体で存在する温度域において、異なる結晶構造を有することができる。例えば、鉄ベース合金は、(i)低温では体心立方構造を、(ii)高温では面心立方構造を、結晶構造としてそれぞれ有することができる。このように、鉄ベース合金では、同素変態が生じうる。鉄ベース合金では、同素変態を利用することで、析出物(析出合金成分)の析出状態の影響を低減するように組織制御プロセスを設計することが可能である。
(Advantages when applying this calculation model to Al alloy)
(1) Iron-based alloys (iron-based alloys) can have different crystal structures in the temperature range in which they exist as solids. For example, an iron-based alloy can have (i) a body-centered cubic structure at low temperatures and (ii) a face-centered cubic structure at high temperatures, respectively, as crystal structures. Thus, allotropic transformations can occur in iron-based alloys. In iron-based alloys, allotropic transformations can be used to design microstructure control processes to reduce the effects of the precipitation state of the precipitates (precipitated alloy constituents).
これに対して、Al合金では、固体で存在する温度域において面心立方構造の結晶構造のみを有する。つまり、Al合金では、同素変態が生じない。それゆえ、Al合金では、析出物の析出状態の影響を低減するように組織制御プロセスを設計することは、鉄ベース合金の場合に比べて難しい。このため、本件計算モデルを用いてAl合金における析出状態を予測することは、当該Al合金の組織制御において特に有益である。 On the other hand, an Al alloy has only a face-centered cubic crystal structure in the temperature range in which it exists as a solid. That is, Al alloy does not undergo allotropic transformation. Therefore, in Al alloys, it is more difficult than in iron-based alloys to design a microstructure control process to reduce the influence of the precipitation state of precipitates. Therefore, predicting the precipitation state in an Al alloy using the present calculation model is particularly useful in controlling the structure of the Al alloy.
(2)析出物は、当該析出物のサイズによって、(i)再結晶の核として作用する場合もあれば、(ii)粒成長を抑制因子として作用する場合もある。鉄ベース合金の析出物は、熱的に安定である。このため、鉄ベース合金では、析出物の析出状態を実験的に確認すれば、その確認結果から析出物の影響を予測することが可能である。 (2) Depending on the size of the precipitate, the precipitate may (i) act as a nucleus for recrystallization or (ii) act as an inhibitor of grain growth. Precipitates in iron-based alloys are thermally stable. Therefore, in iron-based alloys, if the precipitation state of precipitates is confirmed experimentally, it is possible to predict the influence of the precipitates from the confirmation results.
これに対して、Al合金の析出物(例:Mg2Si)は、熱的に不安定である。このため、当該析出物の様態(例:析出⇔固溶)は、一般的な製造プロセスにおいても、複雑に変化しうる。このため、析出物の析出状態を実験的に確認したとしても、その確認結果から析出物の影響を予測することは困難である。本件計算モデルによれば、製造プロセス中におけるAl合金の析出状態を高精度に予測することにより、析出物の影響を予測することが可能となる。この点からも、本件計算モデルは、Al合金の材料組織の予測に特に好適である。 In contrast, Al alloy precipitates (eg, Mg 2 Si) are thermally unstable. Therefore, the form of the precipitate (eg, precipitation ⇔ solid solution) can change in a complicated manner even in a general manufacturing process. Therefore, even if the precipitation state of the precipitates is confirmed experimentally, it is difficult to predict the influence of the precipitates from the confirmation results. According to the calculation model of the present invention, it is possible to predict the influence of precipitates by predicting with high accuracy the state of precipitation of Al alloy during the manufacturing process. From this point of view as well, the calculation model is particularly suitable for predicting the material structure of Al alloys.
(3)一例として、熱処理型のAl合金の製造プロセス(例:自動車ボディシート材の製造プロセス)では、材料を再加熱して析出物を再固溶させる処理(溶体化処理)が行われる。溶体化処理の条件(例:加熱温度および加熱時間)は、析出物の析出状態(例:サイズおよび数)に応じて設定(変更)される必要がある。また、析出物の析出状態は、製品の特性(例:強度および加工性)に大きく影響を及ぼす。本件計算モデルによれば、Al合金における析出状態を高精度に予測できる。それゆえ、上述のように、最適な溶体化処理の条件の選定を容易化できる。 (3) As an example, in a heat treatment type Al alloy manufacturing process (eg, a manufacturing process for automobile body sheet materials), a treatment (solution treatment) is performed to reheat the material to redissolve precipitates. The conditions of solution treatment (eg, heating temperature and heating time) need to be set (changed) according to the precipitation state (eg, size and number) of precipitates. In addition, the precipitation state of precipitates greatly affects the properties of products (eg, strength and workability). According to the calculation model of the present invention, the precipitation state in the Al alloy can be predicted with high accuracy. Therefore, as described above, it is possible to facilitate the selection of optimum solution treatment conditions.
〔ソフトウェアによる実現例〕
情報処理装置1の制御ブロック(特に材料組織予測部10)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
[Example of realization by software]
The control block of the information processing apparatus 1 (particularly, the material structure prediction unit 10) may be implemented by a logic circuit (hardware) formed in an integrated circuit (IC chip) or the like, or may be implemented by software.
後者の場合、情報処理装置1は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば1つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばCPU(Central Processing Unit)を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ROM(Read Only Memory)等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
In the latter case, the
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る材料組織予測方法は、熱処理後のアルミニウム合金(Al合金)の材料組織を予測する材料組織予測方法であって、上記熱処理前の初期時刻(t=0)における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量(固溶元素量C)を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態を示す情報を取得する初期組織情報取得工程(例:S1)と、上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得工程(例:S2)と、上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻(t=tf)までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度(T=T(t))を設定する温度設定工程(例:S5)と、上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出工程(例:S6)と、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報(PSD1)と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報(PSD2)と、を個別に算出する分散状態算出工程(例:S7~S9)と、を含んでいる。
〔summary〕
A material structure prediction method according to
上述のように、従来の計算モデルでは、結晶粒界における第2相粒子の析出を計算の対象とすることがそもそも不可能であった。従って、結晶粒内と結晶粒界とで同時に第2相粒子が析出するAl合金(例:6000系のAl合金)に対しては、熱処理後の材料組織を適切に予測できなかった。 As described above, in the conventional calculation model, it was originally impossible to calculate the precipitation of the second phase particles at the grain boundaries. Therefore, it has not been possible to appropriately predict the material structure after heat treatment for Al alloys (eg, 6000-series Al alloys) in which second-phase particles precipitate simultaneously in grains and grain boundaries.
これに対して、上記の構成によれば(つまり、本件計算モデルによれば)、第1分散情報と第2分散情報を個別に算出できる(つまり、結晶粒内と結晶粒界とを個別に取り扱って計算を実行できる)。加えて、固溶量の算出においても、結晶粒内における第2相粒子の析出に加えて、結晶粒界における第2相粒子の析出をさらに考慮できる。 On the other hand, according to the above configuration (that is, according to the present calculation model), the first dispersion information and the second dispersion information can be calculated separately (that is, the inside of the grain and the grain boundary can be calculated separately can handle and perform calculations). In addition, in calculating the amount of solid solution, precipitation of the second phase particles at the grain boundaries can be further taken into consideration in addition to the precipitation of the second phase particles inside the crystal grains.
それゆえ、従来の従来の計算モデルとは異なり、結晶粒内と結晶粒界とで同時に第2相粒子が析出するAl合金に対しても、熱処理後の材料組織を適切に予測できる。すなわち、従来よりも正確に、熱処理後のAl合金の材料組織を予測することが可能となる。 Therefore, unlike conventional calculation models, it is possible to appropriately predict the material structure after heat treatment even for Al alloys in which second phase particles precipitate simultaneously in grains and grain boundaries. That is, it becomes possible to predict the material structure of the Al alloy after heat treatment more accurately than before.
本発明の態様2に係る材料組織予測方法は、上記態様1において、上記固溶量算出工程が、以下の式(1)、
C=C0-fpIGCβ-fpGBCβ …(1)
C:上記固溶量
C0:上記第2相粒子中の溶質である上記析出合金成分の添加量、
Cβ:上記第2相粒子中の溶質平衡濃度、
fpIG:上記粒内における上記第2相粒子の体積率、
fpGB:上記粒界における上記第2相粒子の体積率、
によって、上記固溶量を算出する工程をさらに含んでいてよい。
In the material structure prediction method according to
C=C 0 −f pIG C β −f pGB C β (1)
C: the solid solution amount C 0 : the added amount of the precipitated alloy component, which is the solute in the second phase particles,
C β : solute equilibrium concentration in the second phase particles;
f pIG : volume fraction of the second phase grains in the grains;
f pGB : the volume fraction of the second phase grains at the grain boundary;
may further include a step of calculating the solid solution amount.
上記の構成によれば、簡単な計算(式(1)を用いた計算)によって、結晶粒内における第2相粒子の析出と結晶粒界における第2相粒子の析出とを考慮した固溶量を算出できる。 According to the above configuration, a simple calculation (calculation using formula (1)) can be used to determine the amount of solid solution in consideration of precipitation of second phase particles in grains and precipitation of second phase particles at grain boundaries. can be calculated.
本発明の態様3に係る材料組織予測方法は、上記態様1または2において、上記分散状態算出工程が、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内において核生成によって生じた上記第2相粒子の数と、(ii)上記結晶粒界において核生成によって生じた当該第2相粒子の数と、を個別に算出する核生成算出工程(例:S7・S8)と、(i)上記結晶粒内における上記第2相粒子のサイズ変化と、(ii)上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズ変化と、を個別に算出するサイズ変化算出工程(S9)と、をさらに含んでおり、上記分散状態算出工程は、上記核生成算出工程における計算結果と、上記サイズ変化算出工程における計算結果に基づいて、上記第1分散情報と上記第2分散情報とを個別に算出する工程をさらに含んでいてよい。
A material structure prediction method according to
上記の構成によれば、第1分散情報と第2分散情報に、各時刻における第2相粒子の数およびサイズに関する情報を含めることができる。それゆえ、結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける第2相粒子の分散状態を、より具体的に表現できる。 According to the above configuration, the first dispersion information and the second dispersion information can include information about the number and size of the second phase particles at each time. Therefore, the dispersion state of the second phase particles in each of the crystal grains and the crystal grain boundaries can be expressed more specifically.
本発明の態様4に係る材料組織予測方法は、上記態様3において、上記サイズ変化算出工程が、上記結晶粒内と上記結晶粒界とで異なる拡散係数を用いて、(i)上記結晶粒内における上記第2相粒子のサイズ変化と、(ii)上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズ変化と、を個別に算出する工程をさらに含んでいることが好ましい。
In the material structure prediction method according to
上述のように、結晶粒界においては、粒界拡散と粒内拡散とが同時に生じる。そこで、上記の構成によれば、結晶粒内の拡散係数D(体拡散係数)とは異なる拡散係数(例:上述の式(14)の拡散係数DGBapp)を用いて、結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化を計算できる。それゆえ、結晶粒界における第2相粒子のサイズ変化をより適切に計算できる。 As described above, grain boundary diffusion and intragranular diffusion occur simultaneously at grain boundaries. Therefore, according to the above configuration, a diffusion coefficient different from the diffusion coefficient D (body diffusion coefficient) in the crystal grain (eg, the diffusion coefficient D GBapp in the above equation (14)) is used to obtain the first diffusion coefficient at the grain boundary. The size change of the biphasic particles can be calculated. Therefore, the size change of the second phase grains at the grain boundaries can be better calculated.
本発明の態様5に係る材料組織予測方法は、上記態様1から4のいずれか1つにおいて、上記第1分散情報が、上記結晶粒内における上記第2相粒子のサイズと上記第2相粒子の数との対応関係を示す第1粒子サイズ分布関数によって表現されており、上記第2分散情報が、上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズと上記第2相粒子の数との対応関係を示す第2粒子サイズ分布関数によって表現されていることが好ましい。
A material structure prediction method according to
上記の構成によれば、第1分散情報および第2分散情報をそれぞれ、個別のPSD関数(粒子サイズ分布関数)によって表現できる。 According to the above configuration, the first dispersion information and the second dispersion information can each be represented by separate PSD functions (particle size distribution functions).
本発明の態様6に係る材料組織予測方法は、上記態様1から5のいずれか1つにおいて、上記熱処理には、アルムニウム合金鋳塊に対する均質化処理が含まれていることが好ましい。
In the material structure prediction method according to
上記の構成によれば、均質化処理(熱処理の代表例の1つ)が施されたアルムニウム合金鋳塊の材料組織を予測できる。それゆえ、例えば、下工程における製造条件を設定するための指針となる情報を、ユーザに提示できる。 According to the above configuration, it is possible to predict the material structure of an aluminum alloy ingot that has been subjected to a homogenization treatment (a typical example of heat treatment). Therefore, for example, the user can be presented with information that serves as a guideline for setting manufacturing conditions in the downstream process.
本発明の態様7に係る材料組織予測装置(1)は、熱処理後のアルミニウム合金の材料組織を予測する材料組織予測装置であって、上記熱処理前の初期時刻における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態を示す情報を取得する初期組織情報取得部(データ取得部11)と、上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得部(データ取得部11)と、上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度を設定する温度設定部(12)と、上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出部(固溶元素量算出部13)と、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報と、を個別に算出する分散状態算出部(核生成速度算出部14,サイズ変化量算出部15)と、を備えている。
A material structure prediction device (1) according to
上記の構成によれば、本態様に係る材料組織予測装置は、態様1に係る材料組織計算方法と同様の作用効果を奏する。 According to the above configuration, the material structure prediction device according to this aspect has the same effects as the material structure calculation method according to the first aspect.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
〔本発明の別の表現〕
なお、本発明の一態様は、以下のようにも表現できる。
[another expression of the invention]
Note that one embodiment of the present invention can also be expressed as follows.
本発明の一態様に係る材料組織予測方法は、(i)Al合金中の合金元素の初期固溶量、(ii)第2相粒子のサイズと量、および、(iii)加わる熱履歴(昇温速度、保持温度、保持時間および冷却速度)を用いて、第二相粒子の分散状態とAl合金中の固溶元素量の変化とを予測する材料組織予測方法であって、結晶粒内の第二相粒子と、結晶粒界の第二相粒子の変化と、を個別に予測する。 A material structure prediction method according to an aspect of the present invention includes (i) the initial solid solution amount of alloying elements in an Al alloy, (ii) the size and amount of second phase particles, and (iii) the applied heat history (increase A material structure prediction method for predicting the dispersion state of second phase particles and the change in the amount of solid solution elements in an Al alloy using the temperature rate, holding temperature, holding time and cooling rate), Second-phase grains and changes in second-phase grains at grain boundaries are separately predicted.
また、本発明の一態様に係る材料組織予測方法は、分布状態を考慮した第2相粒子のサイズと量とのパラメータに、熱処理中に生じる核生成の影響を反映(考慮)して、第2相粒子のサイズ変化と再固溶の速度とを計算し、第2相粒子と固溶元素量の変化を予測する。 In addition, the material structure prediction method according to an aspect of the present invention reflects (considers) the influence of nucleation that occurs during heat treatment on the parameters of the size and amount of the second phase particles in consideration of the distribution state. The change in the size of the two-phase particles and the rate of solid solution re-dissolution are calculated to predict the change in the amount of the second-phase particles and solute elements.
また、本発明の一態様に係る材料組織予測方法は、第二相粒子の分散状態を、サイズと量との関数として表す。 Further, the material structure prediction method according to one aspect of the present invention expresses the dispersed state of the second phase particles as a function of size and amount.
また、本発明の一態様に係る材料組織予測方法は、アルミニウム合金鋳塊の均質化処理による第二相粒子の変化と固溶元素量の変化とを予測する。 Further, a material structure prediction method according to an aspect of the present invention predicts changes in second phase particles and in the amount of solid solution elements due to homogenization treatment of an aluminum alloy ingot.
1 情報処理装置(材料組織予測装置)
11 データ取得部(初期組織情報取得部,熱処理条件情報取得部)
12 温度設定部
13 固溶元素量算出部(固溶量算出部)
14 核生成速度算出部(分散状態算出部)
15 サイズ変化量算出部(分散状態算出部)
PSD1 結晶粒内におけるPSD関数(第1粒子サイズ分布関数,第1分散情報)
PSD2 結晶粒界におけるPSD関数(第2粒子サイズ分布関数,第2分散情報)
C:固溶元素量(析出合金成分の固溶量)
t 時刻
tf 最終時刻
T,T(t) 温度
1 Information processing device (material structure prediction device)
11 data acquisition unit (initial structure information acquisition unit, heat treatment condition information acquisition unit)
12
14 Nucleation rate calculation unit (dispersion state calculation unit)
15 size variation calculation unit (dispersion state calculation unit)
PSD1 PSD function in crystal grain (first particle size distribution function, first dispersion information)
PSD2 PSD function at grain boundaries (second particle size distribution function, second dispersion information)
C: Solid solution amount (solid solution amount of precipitated alloy components)
t time tf final time T, T(t) temperature
Claims (6)
上記熱処理前の初期時刻における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態として数とサイズを示す情報を取得する初期組織情報取得工程と、
上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得工程と、
上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度を設定する温度設定工程と、
上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出工程と、
上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報と、を個別に算出する分散状態算出工程と、を含んでおり、
上記固溶量算出工程は、以下の式(1)、
C=C 0 -f pIG C β -f pGB C β …(1)
C:上記固溶量、
C 0 :上記第2相粒子中の溶質である上記析出合金成分の添加量、
C β :上記第2相粒子中の溶質平衡濃度、
f pIG :上記粒内における上記第2相粒子の体積率、
f pGB :上記粒界における上記第2相粒子の体積率、
によって、上記固溶量を算出し、
上記分散状態算出工程は、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、
(i)上記結晶粒内において核生成によって生じた上記第2相粒子の数と、(ii)上記結晶粒界において核生成によって生じた当該第2相粒子の数と、を個別に算出する核生成算出工程と、
(i)上記結晶粒内における上記第2相粒子のサイズ変化と、(ii)上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズ変化と、を個別に算出するサイズ変化算出工程と、をさらに含んでおり、
上記分散状態算出工程は、上記核生成算出工程における計算結果と、上記サイズ変化算出工程における計算結果に基づいて、上記第1分散情報と上記第2分散情報とを個別に算出する
ことを特徴とする材料組織予測方法。 A material structure prediction method for predicting a material structure of an aluminum alloy after heat treatment, comprising:
(i) information indicating the solid solution amount of the precipitated alloy component of the aluminum alloy at the initial time before the heat treatment, and (ii) the precipitated alloy in each of the crystal grains and grain boundaries of the aluminum alloy an initial structure information acquisition step of acquiring information indicating the number and size of the dispersed state of the second phase particles of the component;
A heat treatment condition information acquisition step of acquiring heat treatment condition information that is information indicating the conditions of the heat treatment;
a temperature setting step of setting the temperature applied to the aluminum alloy at each time from the initial time to the final time when the heat treatment is completed, based on the heat treatment condition information;
At each time, based on the temperature, (i) precipitation of the second phase particles in the grains of the aluminum alloy, and (ii) precipitation of the second phase particles at the grain boundaries of the aluminum alloy. , Considering the solid solution amount calculation step of calculating the solid solution amount,
At each time, based on the solid-solution amount and the temperature, (i) first dispersion information indicating the dispersion state within the crystal grains, and (ii) second dispersion information indicating the dispersion state at the crystal grain boundaries. and a distributed state calculation step of individually calculating the distributed information ,
The solid solution amount calculation step is performed by the following formula (1),
C=C 0 −f pIG C β −f pGB C β (1)
C: the solid solution amount,
C 0 : the added amount of the precipitated alloy component, which is the solute in the second phase particles;
C β : solute equilibrium concentration in the second phase particles;
f pIG : volume fraction of the second phase grains in the grains;
f pGB : the volume fraction of the second phase grains at the grain boundary;
By calculating the above solid solution amount,
In the dispersion state calculation step, at each time, based on the solid solution amount and the temperature,
Nuclei for separately calculating (i) the number of the second phase particles generated by nucleation in the grains and (ii) the number of the second phase particles generated by nucleation at the grain boundaries a generation calculation step;
(i) the size change of the second phase grains within the crystal grains; and (ii) the size change of the second phase grains at the grain boundaries. and
The dispersion state calculation step separately calculates the first dispersion information and the second dispersion information based on the calculation result in the nucleation calculation step and the calculation result in the size change calculation step.
A material structure prediction method characterized by:
上記第2分散情報は、上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズと上記第2相粒子の数との対応関係を示す第2粒子サイズ分布関数によって表現されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の材料組織予測方法。 The first dispersion information is expressed by a first particle size distribution function indicating a correspondence relationship between the size of the second phase particles and the number of the second phase particles in the crystal grains,
The second dispersion information is expressed by a second particle size distribution function that indicates a correspondence relationship between the size of the second phase particles and the number of the second phase particles at the grain boundaries. Item 4. The material structure prediction method according to any one of Items 1 to 3 .
上記熱処理前の初期時刻における、上記アルミニウム合金の、(i)析出合金成分の固溶量を示す情報、および、(ii)上記アルミニウム合金の結晶粒内および結晶粒界のそれぞれにおける、当該析出合金成分の第2相粒子の分散状態として数とサイズを示す情報を取得する初期組織情報取得部と、
上記熱処理の条件を示す情報である熱処理条件情報を取得する熱処理条件情報取得部と、
上記熱処理条件情報に基づいて、上記初期時刻から上記熱処理が完了する最終時刻までの各時刻において、上記アルミニウム合金に加えられる温度を設定する温度設定部と、
上記各時刻において、上記温度に基づいて、(i)上記アルミニウム合金の結晶粒内における上記第2相粒子の析出と、(ii)当該アルミニウム合金の結晶粒界における当該第2相粒子の析出と、を考慮し、上記固溶量を算出する固溶量算出部と、
上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、(i)上記結晶粒内における上記分散状態を示す第1分散情報と、(ii)上記結晶粒界における上記分散状態を示す第2分散情報と、を個別に算出する分散状態算出部と、を備え、
上記固溶量算出部は、以下の式(1)、
C=C 0 -f pIG C β -f pGB C β …(1)
C:上記固溶量、
C 0 :上記第2相粒子中の溶質である上記析出合金成分の添加量、
C β :上記第2相粒子中の溶質平衡濃度、
f pIG :上記粒内における上記第2相粒子の体積率、
f pGB :上記粒界における上記第2相粒子の体積率、
によって、上記固溶量を算出し、
上記分散状態算出部は、上記各時刻において、上記固溶量および上記温度に基づいて、
(i)上記結晶粒内において核生成によって生じた上記第2相粒子の数と、(ii)上記結晶粒界において核生成によって生じた当該第2相粒子の数と、を個別に算出する核生成算出工程と、
(i)上記結晶粒内における上記第2相粒子のサイズ変化と、(ii)上記結晶粒界における上記第2相粒子のサイズ変化と、を個別に算出するサイズ変化算出工程と、を行うとともに、
上記分散状態算出部は、上記核生成算出工程における計算結果と、上記サイズ変化算出工程における計算結果に基づいて、上記第1分散情報と上記第2分散情報とを個別に算出する
ことを特徴とする材料組織予測装置。 A material structure prediction device for predicting a material structure of an aluminum alloy after heat treatment,
(i) information indicating the solid solution amount of the precipitated alloy component of the aluminum alloy at the initial time before the heat treatment, and (ii) the precipitated alloy in each of the crystal grains and grain boundaries of the aluminum alloy an initial structure information acquisition unit that acquires information indicating the number and size of the dispersed state of the second phase particles of the component;
a heat treatment condition information acquisition unit that acquires heat treatment condition information that is information indicating the conditions of the heat treatment;
a temperature setting unit that sets the temperature to be applied to the aluminum alloy at each time from the initial time to the final time when the heat treatment is completed, based on the heat treatment condition information;
At each time, based on the temperature, (i) precipitation of the second phase particles in the grains of the aluminum alloy, and (ii) precipitation of the second phase particles at the grain boundaries of the aluminum alloy. , Considering the solid solution amount calculation unit for calculating the solid solution amount,
At each time, based on the solid-solution amount and the temperature, (i) first dispersion information indicating the dispersion state within the crystal grains, and (ii) second dispersion information indicating the dispersion state at the crystal grain boundaries. and a dispersion state calculation unit that individually calculates the dispersion information ,
The solid solution amount calculation unit uses the following formula (1),
C=C 0 −f pIG C β −f pGB C β (1)
C: the solid solution amount,
C 0 : the added amount of the precipitated alloy component, which is the solute in the second phase particles;
C β : solute equilibrium concentration in the second phase particles;
f pIG : volume fraction of the second phase grains in the grains;
f pGB : the volume fraction of the second phase grains at the grain boundary;
By calculating the above solid solution amount,
The dispersion state calculation unit, at each time, based on the solid solution amount and the temperature,
Nuclei for separately calculating (i) the number of the second phase particles generated by nucleation in the grains and (ii) the number of the second phase particles generated by nucleation at the grain boundaries a generation calculation step;
performing a size change calculation step of separately calculating (i) the size change of the second phase grains in the crystal grains and (ii) the size change of the second phase grains at the grain boundaries; ,
The dispersion state calculation unit separately calculates the first dispersion information and the second dispersion information based on the calculation result in the nucleation calculation step and the calculation result in the size change calculation step.
A material structure prediction device characterized by:
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