JPWO2015170742A1 - 可塑性材料の評価方法及び可塑性材料の塑性加工の評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年5月8日に、日本に出願された特願2014−097227号、2014年5月8日に、日本に出願された特願2014−097228号、及び2014年5月8日に、日本に出願された特願2014−097229号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、非特許文献2や非特許文献3に記載されているような液圧バルジ試験、更には、円柱据え込み試験、単純せん断試験などによれば、降伏点から均一伸びを超えるひずみ領域まで比較的ばらつきが少なく安定した応力ひずみ曲線データが得られる。
更に、Swift式以外の加工硬化則としてLemaitre-Chabocheによる複合硬化則も知られている。しかし、Lemaitre-Chabocheによる複合硬化則は、反転負荷時における降伏応力の低下現象であるバウシンガ効果の近似精度に優れるが、均一伸びを超えるひずみ領域までを含めた応力ひずみ曲線データの近似精度はよくならない。
(1)本発明の第一態様は、0を含む第1のひずみ量を有する第1の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第1の可塑性板に印加して前記第1の可塑性板を単純せん断変形させる第1のせん断工程と、前記第1のひずみ量と異なり、且つ、0を含む第2のひずみ量を有する第2の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第2の可塑性板に印加して前記第2の可塑性板を単純せん断変形させる第2のせん断工程と、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第2のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する第2の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき、合成応力ひずみ曲線データを取得する合成応力ひずみ曲線データ取得工程と、を備える可塑性材料の評価方法である。
(3)上記(2)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記外形除去工程において、前記仮想断面と前記第1の可塑性板の平面とに垂直に交わる面方向に沿って前記第1の可塑性板の前記二つの領域に亘って前記外形部分を除去してもよい。
(5)上記(4)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第2のひずみ量が、前記第1のひずみ量より大きく、且つ、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加されるひずみ量以下であってもよい。
(6)上記(4)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程において、前記第1の部分応力ひずみ曲線データ及び前記第2の部分応力ひずみ曲線データのうち、交差効果の影響を受けた部分を除いたひずみ領域の曲線データを繋ぎ合わせて前記合成応力ひずみ曲線データを得てもよい。
(7)上記(4)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1の可塑性板における、前記単純せん断変形によって形成された外形部分を除去することで前記第1のひずみ量及び前記第2のひずみ量と異なる第3のひずみ量を有する第3の可塑性板を得る外形除去工程と、前記第3の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第3の可塑性板に印加して、前記第3の可塑性板を単純せん断変形させる第3のせん断工程と、前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第3のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第3の部分応力ひずみ曲線データを取得する第3の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、を備え、前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データと前記第3の部分応力ひずみ曲線データとに基づき前記合成応力ひずみ曲線データを取得してもよい。
(9)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程において、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データを下記式(A)に表される関係式により近似することで前記合成応力ひずみ曲線データを取得してもよい。
σ=K(εp+a)m … (A)
m=n*+1/{b(εp+c)} … (B)
ただし、式(A)において、σは相当応力であり、K(MPa)及びaは前記可塑性材料の材料係数であり、εpは相当塑性ひずみであり、mは上記式(B)に示す通りであり、式(B)におけるn*は加工硬化指数の収束値であり、bは加工硬化指数の収束早さを表すパラメータであり、cは加工硬化指数の発達早さを表すパラメータである。
(10)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1のせん断工程におけるせん断応力の印加方向と、前記第2のせん断工程におけるせん断応力の印加方向とが、互いに反対方向であってもよい。
(11)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1のせん断工程において、せん断応力の印加方向を途中で反転させてもよい。
(12)上記(10)又は(11)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程において、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データを移動硬化則に基づき近似することで前記合成応力ひずみ曲線データを取得してもよい。
(13)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板が矩形の平面形状を有してもよい。
(14)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1のせん断工程及び前記第2のせん断工程において、前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板の板厚の最大変化量が、板厚の1%以下であってもよい。
(15)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1のせん断工程及び前記第2のせん断工程それぞれで印加されるせん断ひずみが0.4〜1.2の範囲であってもよい。
(16)上記(1)に記載の可塑性材料の評価方法では、前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板が鋼板であってもよい。
(17)本発明の第二態様は、可塑性材料の塑性加工の成形解析を有限要素法により求める解析手段が備えられたコンピュータを用い、上記(1)〜(16)のいずれか一項に記載の可塑性材料の評価方法によって得られた前記合成応力ひずみ曲線データを前記コンピュータの前記解析手段に入力し、前記コンピュータによって前記解析手段を実行させる可塑性材料の塑性加工の評価方法である。
(18)上記(17)に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法では、前記成形解析が、前記可塑性材料を塑性加工した場合の前記可塑性材料のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを求めるものであってもよい。
σ=K(εp+a)m … (C)
m=n*+1/{b(εp+c)} … (D)
ただし、式(C)において、σは相当応力であり、K(MPa)及びaは前記可塑性材料の材料係数であり、εpは相当塑性ひずみであり、mは上記式(D)に示す通りであり、式(D)におけるn*は加工硬化指数の収束値であり、bは加工硬化指数の収束早さを表すパラメータであり、cは加工硬化指数の発達早さを表すパラメータである。
(21)上記(20)に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法では、前記成形解析が、前記可塑性材料を塑性加工した場合の前記可塑性材料のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを求めるものであってもよい。
上記(3)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、仮想断面と第1の可塑性板の平面とに垂直に交わる面方向に沿って第1の可塑性板の二つの領域に亘って除去するため、破断の起点となるクラックをより確実に除去することができる。
上記(5)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、第1の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域と第2の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域とが重複するため、第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域が乖離することを回避することができる。従って、広範囲のひずみ領域の合成応力ひずみ曲線データを高い精度で得ることができる。
上記(6)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、合成応力ひずみ曲線データ取得工程において、各部分応力ひずみ曲線データのうち、交差効果の影響を受けた部分を除いたひずみ領域の曲線データを繋ぎ合わせるため、誤差の小さな合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(7)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、第1の可塑性板に対し第1のせん断工程を行った後に外形除去工程を行うことで、破断の起点となるクラックが除去された第3の可塑性板を得ることができる。従って、一枚の可塑性板に対し繰り返しせん断工程を行うことができるため、予め準備する可塑性板の枚数を少なくすることができる。また、第1の部分応力ひずみ曲線データと第3の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域が重複又は乖離しないため、少ない試験回数で広範囲のひずみ領域の合成応力ひずみ曲線データを高い精度で得ることができる。
上記(9)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データを上記の式(A)に基づき近似するため、より広い範囲の合成応力ひずみ曲線データを高い精度で得ることができる。
上記(10)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、反転負荷時における合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。従って、反転負荷時の降伏応力の低下現象であるバウシンガ効果を評価することができる。
上記(11)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、反転負荷時における合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。従って、反転負荷時の降伏応力の低下現象であるバウシンガ効果を評価することができる。特に、所望のひずみ量が負荷された時点で負荷方向を反転させることができるため、より実用性の高い合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(12)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、上記(10)又は(11)で求められる部分応力ひずみ曲線データを移動硬化則に基づき近似するため、より広い範囲の合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(13)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、それぞれの可塑性板が矩形の平面形状を有するため、せん断加工時の破断の起点となり得るクラックの発生を抑えることができる。
上記(14)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、各せん断工程における可塑性板の板厚減少量が制限されるため、板厚方向にくびれが生じない。そのため、単軸引張試験よりも広いひずみ領域で部分応力ひずみ曲線データを得ることが可能である。従って、せん断工程の回数を増大させることなく、また、せん断工程において金属板を破断させることがなく、広範囲の合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(15)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、各せん断工程における一回あたりのせん断ひずみが0.4〜1.2の範囲であるので、せん断工程の回数を増大させることなく、また、せん断工程において金属板を破断させることがなく、広範囲の合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(16)に記載の可塑性材料の評価方法によれば、可塑性板として鋼板を用いるため、鋼材の合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
上記(18)に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法によれば、可塑性材料を塑性加工する際のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを正確に予測することができる。例えば、塑性加工としてプレス成形を適用した場合は、プレス成形における可塑性板のひずみ分布及び最大ひずみを予測して、割れの発生を正確に解析できる。また、塑性加工として板鍛造や冷間鍛造を適用した場合は、例えば、金型による可塑性材料への成形荷重を求めることで、加工に必要な成形荷重を正確に予測できる。
更に、上記(21)に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法によれば、可塑性材料を塑性加工する際のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを正確に予測することができる。例えば、塑性加工としてプレス成形を適用した場合は、プレス成形における可塑性板のひずみ分布及び最大ひずみを予測して、割れの発生を正確に解析できる。また、塑性加工として板鍛造や冷間鍛造を適用した場合は、例えば、金型による可塑性材料への成形荷重を求めることで、加工に必要な成形荷重を正確に予測できる。
更に本発明者らは、
(a)互いに異なるひずみ量を有する複数の同種の可塑性板を用意し、これらの可塑性板について単純せん断試験を行うこと、又は、
(b)単一の可塑性板に対し、単純せん断試験を行った後に変形した外形部分を除去し、再度の単純せん断変形を行うことを繰り返すこと、
によって複数の部分応力ひずみ曲線データを取得し、これらの部分応力ひずみ曲線データに基づき一つの合成応力ひずみ曲線データを得ることで、外挿等の近似を行うことなく、広いひずみ領域に渡って高精度の合成応力ひずみ曲線データを得ることを発見した。
更に本発明者らは、上述の手法により実際に取得した高精度の合成応力ひずみ曲線データについて解析した結果、Swift式などの従来の近似式よりも高い精度の近似式を発見するに至った。
本発明は上述の発見に基づきなされたものである。
以下、本発明の第一実施形態に係る鋼材の評価方法について図2〜図7を参照して説明する。
本実施形態に係る鋼材の評価方法は、
[1−1]第1の鋼板101をせん断変形させる第1のせん断工程と、
[1−2]第1のせん断工程の測定結果から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
[1−3]せん断変形後の第1の鋼板101の外形部分を除去し、第2の鋼板102を取得する外形除去工程と、
[1−4]第2の鋼板102をせん断変形させる第2のせん断工程と、
[1−5]第2のせん断工程の測定結果から第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
[1−6]第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき合成応力ひずみ曲線データを取得する合成応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備える。以下、各工程について詳細に説明する。
第1の鋼板101は図2に示すように矩形の平面形状を有する鋼板である。第1の鋼板101には必要に応じて予ひずみを与えてもよい。すなわち、第1の鋼板101は、第1のひずみ量(0を含む)を有する。
具体的には、仮想断面101cによって区分けされた第1の鋼板101の二つの領域をそれぞれ、チャッキング装置で拘束した状態で、チャッキング装置を仮想断面101cに沿って板幅方向に相互にずらすように移動させる。これにより、仮想断面101cの近傍にせん断変形部101dが形成される。仮想断面101cに沿って板幅方向にせん断応力を印加するので、せん断変形部101dにおける板厚は応力印加前と変わらない。尚、材質によっては板厚が減少することもあり得るが、その板厚の最大変化量は、大きくても1%以下である。従って、短軸引張試験のように試験片に局部くびれが生じることがない。
ただし、第1の鋼板101の一方の辺101a及び他方の辺101bに接続する側辺101e、101eは、第1の鋼板101へのせん断応力の印加によってその形状が大きく変形することになる。
第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程では、上記第1のせん断工程で第1の鋼板101に印加されるせん断応力とせん断ひずみとを測定する。そして、(1)第1のせん断工程で第1の鋼板101に印加されるせん断応力と、(2)第1のせん断工程で第1の鋼板101に印加されるせん断ひずみ量及び第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量と、の関係から、第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する。
外形除去工程では、図4に示すように、せん断応力を一旦除荷してから、せん断応力の印加によって変形した外形部分を除去して、矩形の平面形状を有する第2の鋼板102を得る。具体的には、第1のせん断工程を経た第1の鋼板における、側辺101e、101eを含む部分を切除して、第1の鋼板101の平面視形状を矩形状にする。
第1のせん断工程におけるせん断応力の印加によって変形した側辺101e、101eのうち、特に変形が大きい箇所にはクラックが入る可能性がある。このクラックを残したままでは、後述する第2のせん断工程において、第2の鋼板102がクラックを起点として破断するおそれがある。しかしながら、この外形除去工程を行うことにより、破断の起点となるクラックが除去された第2の鋼板102を得ることができるため、上述の問題点を解消することができる。
尚、外形除去工程では、仮想断面101cと第1の鋼板101の平面とに垂直に交わる面方向に沿って第1の鋼板101の二つの領域に亘って外形部分を除去してもよい。換言すると、図4における2本の線Aに沿って外形部分を除去してもよい。これにより、破断の起点となるクラックをより確実に除去することができる。
第2のせん断工程では、外形除去工程により得られた第2の鋼板102に対し、上記[1−1]で説明した方法と同様の方法により、せん断応力を印加する。
第2の鋼板102は、第1のせん断工程において印加されたひずみに起因する第2のひずみ量を有する。従って、本実施形態においては、上述の第1の鋼板101が有する第1のひずみ量よりも第2の鋼板102が有する第2のひずみ量の方が大きい。
第2の部分応力ひずみ曲線データ取得工程では、上記第2のせん断工程で第2の鋼板102に印加されるせん断応力とせん断ひずみとを測定する。そして、(1)第2のせん断工程で第2の鋼板102に印加されるせん断応力と、(2)第2のせん断工程で第2の鋼板102に印加されるせん断ひずみ量及び第2のひずみ量の合計である合計ひずみ量と、の関係から、第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する。
合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、少なくとも第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき、合成応力ひずみ曲線データを取得する。
従って、本実施形態に係る鋼材の評価方法によれば、予め準備する可塑性板の枚数を少なくすることができる。また、第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域が重複又は乖離しないため、少ない試験回数で広範囲のひずみ領域の合成応力ひずみ曲線データを高い精度で得ることができる。
本発明の第二実施形態に係る鋼材の評価方法は、予ひずみ量が互いに異なる二枚以上の鋼板を用意し、これら鋼板をそれぞれ単純せん断変形させることで部分応力ひずみ曲線データを取得し、更にこれらの部分応力ひずみ曲線データに基づき合成応力ひずみ曲線データを取得する鋼材の評価方法である。
また、変形例として、せん断工程において、第一実施形態のように、単純せん断変形によって変形した鋼板の外形部分を除去した鋼板に対して再度単純せん断変形させることを一回以上繰り返してもよい。
本実施形態に係る鋼材の評価方法は、
[2−1]第1の鋼板201をせん断変形させる第1のせん断工程と、
[2−2]第1のせん断工程の測定結果から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
[2−3]第1の鋼板201とは別個に準備した第2の鋼板202をせん断変形させる第2のせん断工程と、
[2−4]第2のせん断工程の測定結果から第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
[2−5]第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき合成応力ひずみ曲線データを取得する合成応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備える。以下、各工程について詳細に説明する。
第1の鋼板201は図9に示すように矩形の平面形状を有する鋼板である。第1の鋼板201には必要に応じて予ひずみを与えてもよい。すなわち、第1の鋼板201は、第1のひずみ量(0を含む)を有する。
具体的には、仮想断面201cによって区分けされた第1の鋼板201の二つの領域をそれぞれ、チャッキング装置で拘束した状態で、チャッキング装置を仮想断面201cに沿って板幅方向に相互にずらすように移動させる。これにより、仮想断面201cの近傍にせん断変形部201dが形成される。仮想断面201cに沿って板幅方向にせん断応力を印加するので、せん断変形部201dにおける板厚は応力印加前と変わらない。尚、材質によっては板厚が減少することもあり得るが、その板厚の最大変化量は、大きくても1%以下である。従って、短軸引張試験のように試験片に局部くびれが生じることがない。
ただし、第1の鋼板201の一方の辺201a及び他方の辺201bに接続する側辺201e、201eは、第1の鋼板201へのせん断応力の印加によってその形状が大きく変形することになる。
第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程では、上記第1のせん断工程で第1の鋼板201に印加されるせん断応力とせん断ひずみとを測定する。そして、(1)第1のせん断工程で第1の鋼板201に印加されるせん断応力と、(2)第1のせん断工程で第1の鋼板201に印加されるせん断ひずみ量及び第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量と、の関係から、第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する。
第2のせん断工程では、第1の鋼板201とは別個に準備した第2の鋼板202に対し、上記[2−1]で説明した方法と同様の方法により、せん断応力を印加する。
第2の鋼板202は、第1の鋼板が有する第1のひずみ量とは異なる第2のひずみ量を有すればよい。従って、本実施形態においては、第1のひずみ量は第2のひずみ量よりも大きくてもよく、小さくてもよい。
ただし、例えば第2のひずみ量が第1のひずみ量より大きい場合、第2のひずみ量は、第1のせん断工程で第1の可塑性板に印加されるひずみ量以下であることが好ましい。これにより、第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データのひずみ領域が乖離することを回避することができ、広範囲のひずみ領域の合成応力ひずみ曲線データを高い精度で得ることができる。
第2の部分応力ひずみ曲線データ取得工程では、上記第2のせん断工程で第2の鋼板202に印加されるせん断応力とせん断ひずみとを測定する。そして、(1)第2のせん断工程で第2の鋼板202に印加されるせん断応力と、(2)第2のせん断工程で第2の鋼板202に印加されるせん断ひずみ量及び第2のひずみ量の合計である合計ひずみ量と、の関係から、第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する。
合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、少なくとも第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき、合成応力ひずみ曲線データを取得する。
以下、第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとを繋ぎ合わせて、一つの合成応力ひずみ曲線データを得る方法について、具体例を示して説明する。
また、予ひずみεp 1を与えた鋼板の部分応力ひずみ曲線は、相当ひずみがεp 1の位置から曲線が立ち上がり、相当応力が上昇を続け、その後、鋼板が破断したことに伴い応力が0に戻っている。
同様に、予ひずみεp 2〜εp 4を与えた鋼板の応力ひずみ曲線は、相当ひずみがεp 2〜εp 4の位置からそれぞれ曲線が立ち上がり、相当応力が上昇を続け、その後、鋼板が破断したことに伴い応力が0に戻っている。
このとき、各曲線データがほぼ重なっている場合は、そのまま各曲線データを繋ぎ合わせて一つの合成応力ひずみ曲線データとすればよい。
具体的には、仮想断面201cによって区分けされた第1の鋼板201の二つの領域をそれぞれ、チャッキング装置で拘束した状態で、チャッキング装置を仮想断面201cに沿って板幅方向に相互にずらすように移動させる。これにより、仮想断面201cの近傍にせん断変形部201dが形成される。仮想断面201cに沿って板幅方向にせん断応力を印加するので、せん断変形部201dにおける板厚は応力印加前と変わらない。尚、材質によっては板厚が減少することもあり得るが、その板厚の最大変化量は、大きくても1%以下である。従って、短軸引張試験のように試験片に局部くびれが生じることがない。
ただし、第1の鋼板201の一方の辺201a及び他方の辺201bに接続する側辺201e、201eは、第1の鋼板201へのせん断応力の印加によってその形状が大きく変形することになる。
第1のせん断工程におけるせん断応力の印加によって変形した側辺201e、201eのうち、特に変形が大きい箇所にはクラックが入る可能性がある。このクラックを残したままでは、後述する第3のせん断工程において、第3の鋼板203がクラックを起点として破断するおそれがある。しかしながら、この外形除去工程を行うことにより、破断の起点となるクラックが除去された第3の鋼板203を得ることができるため、上述の問題点を解消することができる。
尚、図18に示す例では、仮想断面201cで区分けされた二つの領域のうち、一方の領域のみをそれぞれ除去している。しかしながら、外形除去工程では、仮想断面201cと第1の鋼板201の平面とに垂直に交わる面方向に沿って第1の鋼板201の二つの領域に亘って外形部分を除去してもよい。換言すると、図18における二本の線Aに沿って外形部分を除去してもよい。これにより、破断の起点となるクラックをより確実に除去することができる。
尚、第3の鋼板は第1の鋼板に対する第1のせん断工程を経て得られるので、第1の鋼板よりも大きい第3のひずみ量3を有する。また、後述する第3の部分応力ひずみ曲線データは、第1の部分応力ひずみ曲線データ及び第2の部分応力ひずみ曲線データと合成して合成応力ひずみ曲線データを取得することになるため、第1のひずみ量、第2のひずみ量、及び第3のひずみ量は、いずれも異なることが好ましい。
このときの合成応力ひずみ曲線データ取得工程は、先に説明した合成応力ひずみ曲線データ取得工程と同様に行えばよい。
(a)液圧バルジ試験によって取得した応力ひずみ曲線データと、
(b)予ひずみを与えた鋼板に引張応力を印加して取得した応力ひずみ曲線データと、
(c)本実施形態に係る鋼材の評価方法によって取得した複数の部分応力ひずみ曲線データ及び合成応力ひずみ曲線データと、
を示す。本実施形態に係る鋼材の評価方法によって得られた合成応力ひずみ曲線データは、せん断工程を繰り返して測定したことにより、液圧バルジ試験によって得られた応力ひずみ曲線データよりも広いひずみ領域にまで伸びていることがわかる。また、圧延によって予ひずみを与えた鋼板に引張応力を印加した場合は、降伏点に相当する引張応力が加わった時点で破断した。これは、予ひずみが加えられたことによって鋼板に予め相当応力が加えられた状態にあり、その状態で引張荷重が加えられたことによって板厚方向に局部くびれが直ちに発生して、破断に至ったものと推測される。本実施形態のように単純せん断試験を行う場合は、板厚方向に局部くびれが発生しないので、予ひずみを与えた鋼板であっても直ちに破断することがなく、それぞれの部分応力ひずみ曲線データが得られている。
(d)単軸引張試験によって得られた応力ひずみ曲線データを高ひずみ領域まで外挿した近似曲線データと、
(e)本実施形態に係る鋼材の評価方法によって取得した複数の部分応力ひずみ曲線データ及び合成応力ひずみ曲線データと、
を示す。本実施形態に係る鋼材の評価方法によって得られた合成応力ひずみ曲線データは、近似曲線データに対し、相当ひずみが2.0付近において10%程度の差があることがわかる。
また、合成応力ひずみ曲線データ取得工程において、各鋼板の弾性変形を除いた応力ひずみ曲線データのうち、交差効果の影響を受けた部分を除いたひずみ領域の曲線データを繋ぎ合わせることで、誤差が小さい合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
更に、上述の変形例のように、一枚の鋼板に対して外形除去工程を挟んで複数のせん断工程を行う場合には、一枚の鋼板からひずみ領域の異なる複数の応力ひずみ曲線データを得られる。その結果、一枚の鋼板でカバーできるひずみ領域が拡大するので、例えば二、三枚程度の鋼板によって、広い範囲のひずみ領域をカバーする合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
本実施形態に係る鋼材の評価方法では、第一実施形態及び第二実施形態で説明したせん断工程により得られる一つの部分応力ひずみ曲線データに対し、従来のSwift式のような近似式に代わる新たな近似式を適用して高精度の合成応力ひずみ曲線データを取得する。
尚、第一実施形態及び第二実施形態で説明したせん断工程により得られる複数の部分応力ひずみ曲線データに対し、新たな近似式を適用して高精度の合成応力ひずみ曲線データを取得してもよい。
本実施形態に係る鋼材の評価方法は、
[3−1]第1の鋼板301をせん断変形させる第1のせん断工程と、
[3−2]第1のせん断工程の測定結果から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
[3−3]第1の部分応力ひずみ曲線データに基づき応力ひずみ曲線データを取得する応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備える。以下、各工程について詳細に説明する。
第1の鋼板301は図23に示すように矩形の平面形状を有する鋼板である。第1の鋼板301には必要に応じて予ひずみを与えてもよい。すなわち、第1の鋼板301は、第1のひずみ量(0を含む)を有する。
具体的には、仮想断面301cによって区分けされた第1の鋼板301の二つの領域をそれぞれ、チャッキング装置で拘束した状態で、チャッキング装置を仮想断面301cに沿って板幅方向に相互にずらすように移動させる。これにより、仮想断面301cの近傍にせん断変形部301dが形成される。仮想断面301cに沿って板幅方向にせん断応力を印加するので、せん断変形部301dにおける板厚は応力印加前と変わらない。尚、材質によっては板厚が減少することもあり得るが、その板厚の最大変化量は、大きくても1%以下である。従って、短軸引張試験のように試験片に局部くびれが生じることがない。
ただし、第1の鋼板301の一方の辺301a及び他方の辺301bに接続する側辺301e、301eは、第1の鋼板301へのせん断応力の印加によってその形状が大きく変形することになる。せん断工程は、せん断応力の印加中に鋼板が割れるまで続けてよい。
第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程では、上記第1のせん断工程で第1の鋼板301に印加されるせん断応力とせん断ひずみとを測定する。そして、(1)第1のせん断工程で第1の鋼板301に印加されるせん断応力と、(2)第1のせん断工程で第1の鋼板301に印加されるせん断ひずみ量及び第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量と、の関係から、第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する。
応力ひずみ曲線データ取得工程では、少なくとも第1の部分応力ひずみ曲線データと第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき、応力ひずみ曲線データを取得する。
具体的には、第1の部分応力ひずみ曲線データを下記式(3)に表される関係式により近似することで応力ひずみ曲線データを取得する。
σ=K(εp+a)m … (3)
m=n*+1/{b(εp+c)} … (4)
ただし、式(3)において、
σは相当応力であり、
K(MPa)及びaは前記可塑性材料の材料係数であり、
εpは相当塑性ひずみであり、
mは上記式(4)に示す通りであり、
式(4)におけるn*は加工硬化指数の収束値であり、
bは加工硬化指数の収束早さを表すパラメータであり、
cは加工硬化指数の発達早さを表すパラメータである。
m=n*+1/{b(εp+c)} … (7)
鋼材塑性加工の解析には、有限要素法が利用されている。従来の有限要素法では、Swift式等の加工硬化則のパラメータを用いる場合が多い。しかしながら、Swift式は、特に高ひずみ領域において実測値から外れることが本発明者らによって明らかにされた。そこで、本実施形態では、上記の鋼材の評価方法によって得られた合成応力ひずみ曲線データを有限要素法に活用する。
塑性加工の成形解析には、有限要素法が利用されている。従来の有限要素法では、Swift式等の加工硬化則のパラメータを用いる場合や、単純引張試験によって得られた応力ひずみ曲線データを高ひずみ領域まで外挿して近似した曲線データを用いる場合が多い。しかしながら、Swift式による近似曲線データや外挿曲線データは、特に高ひずみ領域において誤差が大きいことがわかっている。そこで、本実施形態では、上記の鋼材の評価方法によって得られた合成応力ひずみ曲線データを有限要素法に活用する。
そして、ダイ214を固定したまま、パンチ212をダイ214の開口部に向けて下降させることによってプレス成形を行い、鋼板211をカップ221に成形する。鋼板211には、パンチ212とダイ214によって部分的に曲げ加工がなされる。曲げ加工がなされた部分の板厚は、元の鋼板の板厚から減少することになる。
図35Aは、第二実施形態に係る鋼材の評価方法によって得られた図22に示す合成応力ひずみ曲線データに基づいて成形解析を行った結果であり、据え込み加工時のクッション荷重と、パンチ荷重と、カップ断面の相当塑性ひずみ分布とを示している。
また、図35Bは、単軸引張試験によって得られた応力ひずみ曲線データに基づいて作成した図22に示す近似曲線データに基づいて成形解析を行った結果であり、図35Aと同様に、据え込み加工時のクッション荷重と、パンチ荷重と、カップ断面の応力分布とを示している。
塑性加工の解析には、有限要素法が利用されている。従来の有限要素法では、Swift式等の加工硬化則のパラメータを用いる場合が多い。しかしながら、Swift式では、降伏から均一伸びを超えるひずみ領域までの応力ひずみ線図と瞬間n値を再現できないことが本発明者らによって明らかにされた。そこで、本実施形態では、第三実施形態で説明した式(6)を有限要素法に活用して、鋼材塑性加工の成形解析を行う。
また、図41に示すように、例えば三回目のせん断工程から、せん断応力の印加方向を反転させて、合成応力ひずみ曲線データを取得してもよい。この場合も、反転負荷時における合成応力ひずみ曲線データを得ることができるため、降伏応力の低下現象であるバウシンガ効果を評価することができる。特に、所望のひずみ量が負荷された時点で負荷方向を反転させることができるため、より実用性の高い合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
尚、図41、図42に示すようにせん断応力の印加方向を反転させて複数の部分応力ひずみ曲線データを取得する場合には、これらの部分応力ひずみ曲線データをLemaitre-Chaboche モデルやYoshida-Uemoriモデルなどの移動硬化則に基づき近似することで、より広い範囲の合成応力ひずみ曲線データを得ることができる。
101a、201a、301a 一方の辺
101b、201b、301b 他方の辺
101c、201c、301c 仮想断面
101d、201d、301d せん断変形部
101e、201e、301e 側辺(外形部分)
102、202 第2の鋼板(第2の可塑性板)
203 第3の鋼板(第3の可塑性板)
Claims (21)
- 0を含む第1のひずみ量を有する第1の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第1の可塑性板に印加して前記第1の可塑性板を単純せん断変形させる第1のせん断工程と、
前記第1のひずみ量と異なり、且つ、0を含む第2のひずみ量を有する第2の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第2の可塑性板に印加して前記第2の可塑性板を単純せん断変形させる第2のせん断工程と、
前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第2のせん断工程で前記第2の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第2のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第2の部分応力ひずみ曲線データを取得する第2の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データとに基づき、合成応力ひずみ曲線データを取得する合成応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備えることを特徴とする可塑性材料の評価方法。 - 前記第1のせん断工程において印加された前記せん断応力を除荷した後に、前記第1の可塑性板の外形部分を除去することで前記第2の可塑性板を得る外形除去工程
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記外形除去工程では、前記仮想断面と前記第1の可塑性板の平面とに垂直に交わる面方向に沿って前記第1の可塑性板の前記二つの領域に亘って前記外形部分を除去する
ことを特徴とする請求項2に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1の可塑性板と前記第2の可塑性板は、互いに異なる別個の可塑性板である
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第2のひずみ量が、前記第1のひずみ量より大きく、且つ、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加されるひずみ量以下である
ことを特徴とする請求項4に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データ及び前記第2の部分応力ひずみ曲線データのうち、交差効果の影響を受けた部分を除いたひずみ領域の曲線データを繋ぎ合わせて前記合成応力ひずみ曲線データを得る
ことを特徴とする請求項4に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1の可塑性板における、前記単純せん断変形によって形成された外形部分を除去することで前記第1のひずみ量及び前記第2のひずみ量と異なる第3のひずみ量を有する第3の可塑性板を得る外形除去工程と、 前記第3の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第3の可塑性板に印加して、前記第3の可塑性板を単純せん断変形させる第3のせん断工程と、
前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第3のせん断工程で前記第3の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第3のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第3の部分応力ひずみ曲線データを取得する第3の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備え、
前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データと前記第3の部分応力ひずみ曲線データとに基づき前記合成応力ひずみ曲線データを取得する
ことを特徴とする請求項4に記載の可塑性材料の評価方法。 -
前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データを加工硬化則に基づき近似することで前記合成応力ひずみ曲線データを取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 -
前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データを下記式(1)に表される関係式により近似することで前記合成応力ひずみ曲線データを取得する
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。
σ=K(εp+a)m … (1)
m=n*+1/{b(εp+c)} … (2)
ただし、式(1)において、
σは相当応力であり、
K(MPa)及びaは前記可塑性材料の材料係数であり、
εpは相当塑性ひずみであり、
mは上記式(2)に示す通りであり、
式(2)におけるn*は加工硬化指数の収束値であり、
bは加工硬化指数の収束早さを表すパラメータであり、
cは加工硬化指数の発達早さを表すパラメータである。 - 前記第1のせん断工程におけるせん断応力の印加方向と、前記第2のせん断工程におけるせん断応力の印加方向とが、互いに反対方向である
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1のせん断工程において、せん断応力の印加方向を途中で反転させる
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 -
前記合成応力ひずみ曲線データ取得工程では、前記第1の部分応力ひずみ曲線データと前記第2の部分応力ひずみ曲線データを移動硬化則に基づき近似することで前記合成応力ひずみ曲線データを取得する
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板が矩形の平面形状を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1のせん断工程及び前記第2のせん断工程において、前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板の板厚の最大変化量が、板厚の1%以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1のせん断工程及び前記第2のせん断工程それぞれで印加されるせん断ひずみが0.4〜1.2の範囲である
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 - 前記第1の可塑性板及び前記第2の可塑性板が鋼板である
ことを特徴とする請求項1に記載の可塑性材料の評価方法。 -
可塑性材料の塑性加工の成形解析を有限要素法により求める解析手段が備えられたコンピュータを用い、
請求項1〜16のいずれか一項に記載の可塑性材料の評価方法によって得られた前記合成応力ひずみ曲線データを前記コンピュータの前記解析手段に入力し、
前記コンピュータによって前記解析手段を実行させる
ことを特徴とする可塑性材料の塑性加工の評価方法。 - 前記成形解析が、前記可塑性材料を塑性加工した場合の前記可塑性材料のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを求めるものである
ことを特徴とする請求項17に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法。 - 0を含む第1のひずみ量を有する第1の可塑性板を、その表面に垂直な仮想断面により二つの領域に区分けし、前記仮想断面に沿って前記二つの領域の相対位置が同一面内でずれるようにせん断応力を前記第1の可塑性板に印加して前記第1の可塑性板を単純せん断変形させる第1のせん断工程と、
前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力とせん断ひずみとを測定して、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加される前記せん断応力と、前記第1のせん断工程で前記第1の可塑性板に印加されるせん断ひずみ量及び前記第1のひずみ量の合計である合計ひずみ量との関係から第1の部分応力ひずみ曲線データを取得する第1の部分応力ひずみ曲線データ取得工程と、
前記第1の部分応力ひずみ曲線データを下記式(3)に表される関係式により近似することで合成応力ひずみ曲線データを取得する合成応力ひずみ曲線データ取得工程と、
を備えることを特徴とする可塑性材料の評価方法。
σ=K(εp+a)m … (3)
m=n*+1/{b(εp+c)} … (4)
ただし、式(3)において、
σは相当応力であり、
K(MPa)及びaは前記可塑性材料の材料係数であり、
εpは相当塑性ひずみであり、
mは上記式(4)に示す通りであり、
式(4)におけるn*は加工硬化指数の収束値であり、
bは加工硬化指数の収束早さを表すパラメータであり、
cは加工硬化指数の発達早さを表すパラメータである。 -
可塑性材料の塑性加工の成形解析を有限要素法により求める解析手段が備えられたコンピュータを用い、
請求項19に記載の可塑性材料の評価方法によって得られた前記合成応力ひずみ曲線データを前記コンピュータの前記解析手段に入力し、
前記コンピュータによって前記解析手段を実行させる
ことを特徴とする可塑性材料の塑性加工の評価方法。 - 前記成形解析が、前記可塑性材料を塑性加工した場合の前記可塑性材料のひずみ分布、最大ひずみ及び成形荷重の少なくとも一つを求めるものである
ことを特徴とする請求項20に記載の可塑性材料の塑性加工の評価方法。
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