(57)【要約】  本発明は、大径ワークロールによる圧延加工を利用して大きな不均一変形を与えることにより、高強度と高剛性の両立が達成される板形状を有する鋼材を提供する。本発明の一実施形態に係る鋼板は、ワークロール径６５０ｍｍ以上の圧延機を用いた圧延加工を温間温度域で行うことで、板厚方向に不均一な金属組織を付与することにより、降伏強度が５８０ＭＰａ以上を有し、引張試験における引張方向が、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向の少なくとも何れか一つである場合において、板厚中心部または表層部におけるヤング率が２１０ＧＰａ以上を有し、板厚中心部と表層部におけるヤング率の差が５ＧＰａ以上を有する高強度・高剛性鋼板である。
2019093399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
Ｍｎ：１．６５％以下、
Ｓｉ：０．５５％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．３０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
板厚中心部の金属組織の平均粒径が０．８μｍ乃至２．０μｍの範囲にあり、表層部の金属組織の平均粒径が０．３μｍ乃至２．０μｍの範囲にあり、
下記の見積もり値式における、板厚中心部または表層部におけるヤング率が２１０ＧＰａ以上を有することを特徴とする高強度・高剛性鋼板。
（ヤング率の見積もり値）＝ｆ００１×１３２［ＧＰａ］＋ｆ１１１×２８３［ＧＰａ］＋（１−ｆ００１−ｆ１１１）×２０８［ＧＰａ］
ここで、ｆ００１は荷重軸に対する＜００１＞方位の集積率、ｆ１１１は＜１１１＞方位の集積率、（１−ｆ００１−ｆ１１１）は＜００１＞方位および＜１１１＞方位を除く結晶方位の集積率である。
【請求項２】
前記板厚中心部または表層部におけるヤング率は、引張試験における引張方向が、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向の少なくとも何れか一つである場合において、２１０ＧＰａ以上となることを特徴とする請求項１に記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項３】
前記板厚中心部または表層部における降伏強度が５８０ＭＰａ以上を有することを特徴とする請求項１又は２に記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項４】
前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では３４〜４４％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では２０〜３０％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１０〜２０％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では１６〜２６％、板幅方向では１２〜２２％、４５度斜め方向では１５〜２５％の範囲にある、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項５】
前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では３６〜４６％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２〜１２％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では１０〜２０％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では８〜１８％、板幅方向では２８〜３８％、４５度斜め方向では５〜１５％の範囲にある、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項６】
前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１２〜２２％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２０〜３０％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では８〜１８％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では２〜１２％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では２〜１２％の範囲にある、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項７】
前記鋼板において、板厚中心部と表層部におけるヤング率の差が５ＧＰａ以上を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。
【請求項８】
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
Ｍｎ：１．６５％以下、
Ｓｉ：０．５５％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．３０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板又は鋼材に対して、
ワークロール径６５０ｍｍ以上の圧延機を用いた圧延加工を４００℃以上６００℃以下の範囲で行なうことを特徴とする高強度・高剛性鋼板の製造方法。
【請求項９】
前記圧延加工は、前記鋼板又は鋼材に対してリバース方式、クロス方式または一方向方式の何れかであることを特徴とする請求項８に記載する高強度・高剛性鋼板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至７の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板からなる構造用鋼板であって、表層における残留圧縮応力が１００ＭＰａ以上を有することを特徴とする構造用鋼板。
【請求項１１】
請求項１乃至７の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板に対して、引張塑性変形を与えることを特徴とする構造用鋼板の製造方法。
【請求項１２】
請求項８または９に記載する圧延加工後に、塑性加工を行うことを特徴とする構造用鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度と高剛性の両立が所望される構造材料用鋼材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車構造用薄鋼板には、衝突事故等の衝撃に耐えうる高強度とプレス成型などによる塑性加工が可能な加工性を有することが望まれている。そのため、高強度と高延性を両立するための種々の方策が提案されている。しかし、車体の堅剛性を確保するためには、弾性変形に対する抵抗力を高める必要があり、種々の手段がこれまで考案されてきた。最も代表的な手段は、より高い弾性定数を有する粒子を鋼板中に分散させるものと、いわゆる集合組織と称される結晶方位配向性を加工・熱処理により調整するものである。【０００３】
特許文献１には、高い弾性定数を有するチタンからなるホウ化物粒子の分散を利用する技術が開示されている。しかし、当該技術で用いられる分散粒子の利用では、製造コストの増大や分散粒子生成のために添加される原料の入手の安定性などに問題を有する。そのため、鋼材の構成元素以外の添加元素を全く必要としない新しい高強度化・高剛性化の方法が望まれる。【０００４】
特許文献２にて公表された技術では、Ａｌの含有量を高め、ＭｎＳを活用し、圧延条件と熱処理条件を工夫することにより、集合組織を制御し、圧延方向に対して３０°から７５°方向のヤング率が高い鋼板を得ることが可能である。鋼のヤング率は、荷重軸の結晶方位により、図１に示したように大きく変化することが知られている。そのため結晶の配向性を調整することにより、特定方向の弾性定数を大きくすることはできるが、熱処理の際に強度が低下してしまう問題点を有している。また、Ａｌ添加により靭性の低下がもたらされる問題点も有している。【０００５】
また、鋼板は素形材の一種であり、プレス成形などの二次加工により製品に応じた形状に塑性加工される。一般に、二次加工の塑性加工では引張変形を伴うことは多く、鋼板の高強度化に伴い引張変形部の成形性や遅れ破壊特性に問題が生じる。
引張変形による割れなどの欠陥を防止するための一つの方法として、残留圧縮応力を付与する方法がある。その方法として、ショットピーニングによる残留応力制御が知られている。特許文献３では、冷間成形部材において、表層の残留引張応力が５００ＭＰａ以上となる箇所にショットピーニングを施すことにより、３０ＭＰａから６５０ＭＰａの残留圧縮応力を表層に形成し、破壊を抑制しようとしている。
しかしながら、特許文献３では、二次加工後にショットピーニングを新たに行う必要があり、工程増に伴い製造コストが増大するという課題を有する。また、ショットピーニングのみでは、構造物の堅剛性を確保するための高弾性定数を得ることは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０２６０４０号公報
【特許文献２】特開２００９−２４９６９８号公報
【特許文献３】特開２０１７−１２５２２９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Tadanobu INOUE; “Strain variations on rolling condition in accumulative roll-bonding by finite element analysis”; “Finite Element Analysis” Chapter 24, p.589-p.610 (2010)https://www.intechopen.com/books/finite-element-analysis
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたものであり、第１の発明においては、鋼材の構成元素以外の添加元素を全く必要としないで、高強度と高剛性の両立が達成される板形状を有する新規な鋼材及びその製造方法の提供を第１の課題とするものである。
第２の発明においては、高強度化・高剛性化を達成しつつ、簡便な手法により、表層に残留圧縮応力を付与できる鋼板の製造方法を提供することを第２の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意検討した結果、第１の発明により第１の課題を解決できることを見出した。その具体的手段は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
Ｍｎ：１．６５％以下、
Ｓｉ：０．５５％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．３０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
板厚中心部の金属組織の平均粒径が０．８μｍ乃至２．０μｍの範囲にあり、表層部の金属組織の平均粒径が０．３μｍ乃至２．０μｍの範囲にあり、
下記の見積もり値式における、板厚中心部または表層部におけるヤング率が２１０ＧＰａ以上を有することを特徴とする高強度・高剛性鋼板。
（ヤング率の見積もり値）＝ｆ００１×１３２［ＧＰａ］＋ｆ１１１×２８３［ＧＰａ］＋（１−ｆ００１−ｆ１１１）×２０８［ＧＰａ］
ここで、ｆ００１は荷重軸に対する＜００１＞方位の集積率、ｆ１１１は＜１１１＞方位の集積率、（１−ｆ００１−ｆ１１１）は＜００１＞方位および＜１１１＞方位を除く結晶方位の集積率である。【００１０】
（２）前記板厚中心部または表層部におけるヤング率は、引張試験における引張方向が、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向の少なくとも何れか一つである場合において、２１０ＧＰａ以上となることを特徴とする（１）に記載する高強度・高剛性鋼板。
（３）前記板厚中心部または表層部における降伏強度が５８０ＭＰａ以上を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載する高強度・高剛性鋼板。【００１１】
（４）前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では３４〜４４％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では２０〜３０％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１０〜２０％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では１６〜２６％、板幅方向では１２〜２２％、４５度斜め方向では１５〜２５％の範囲にある、
ことを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。【００１２】
（５）前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では３６〜４６％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２〜１２％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では１０〜２０％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では８〜１８％、板幅方向では２８〜３８％、４５度斜め方向では５〜１５％の範囲にある、
ことを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。【００１３】
（６）前記板厚中心部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１２〜２２％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２０〜３０％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にあり、
前記表層部の集合組織の方位集積率が、
＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では８〜１８％の範囲にあり、
＜１１１＞方位について、圧延方向では２〜１２％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では２〜１２％の範囲にある、
ことを特徴とする（１）乃至（３）の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板。
（７）前記鋼板において、板厚中心部と表層部におけるヤング率の差が５ＧＰａ以上を有することを特徴とする（１）乃至（６）の何れかに記載する鋼板。【００１４】
（８）質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．４％、
Ｍｎ：１．６５％以下、
Ｓｉ：０．５５％以下、
Ｐ：０．０４０％以下、
Ｓ：０．３０％以下、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼板又は鋼材に対して、
ワークロール径６５０ｍｍ以上の圧延機を用いた圧延加工を４００℃以上６００℃以下の範囲で行なうことを特徴とする高強度・高剛性鋼板の製造方法。好ましくは、上記の圧延加工での鋼板又は鋼材の加工温度は４５０℃以上５５０℃以下の範囲がよく、さらに好ましくは、上記の圧延加工での鋼板又は鋼材の加工温度は５００℃以上５５０℃以下の範囲がよい。【００１５】
（９）前記圧延加工は、前記鋼板又は鋼材に対してリバース方式、クロス方式または一方向方式の何れかであることを特徴とする請求項８に記載する高強度・高剛性鋼板の製造方法。【００１６】
本発明者らは、鋭意検討した結果、第２の発明により第２の課題を解決できることを見出した。その具体的手段は以下の通りである。
（１０）（１）乃至（７）の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板からなる構造用鋼板であって、表層における残留圧縮応力が１００ＭＰａ以上を有することを特徴とする構造用鋼板。
（１１）（１）乃至（７）の何れかに記載する高強度・高剛性鋼板に対して、引張塑性変形を与えることを特徴とする構造用鋼板の製造方法。
（１２）（８）または（９）に記載する圧延加工後に、塑性加工を行うことを特徴とする構造用鋼板の製造方法。【００１７】
本発明者は、上記第１の課題の新しい解決法として、圧延と素材の幾何学的関係に着目して鋭意検討した。圧延と同様に広く用いられている塑性加工方法として鍛造がある。鍛造中の被加工材のひずみ分布は図２の左図に示す如く、工具（金敷き）間の特定の変形領域に集中することが知られており、変形領域の分布状態や当該領域に導入されるひずみ量は、工具の幅Ｌ’と被加工材の厚さｔ０’の比により決定される。より具体的には、Ｌ’／ｔ０’にて計算されるパラメータが大きな値を示すほど、被加工材の中心部により大きなひずみが導入される不均一な変形が生じることになる。一方、圧延において、ロール径ｄのロール間を通過することによって被加工材が厚さｔ０からｔ１に加工される場合、被加工材に生じる変形領域は、図２の右図に示すように表されることが知られている。【００１８】
本発明者は、鋼板材の製造に最も効率的な方法である圧延と鍛造の幾何学的条件の類似点に着目した結果、鍛造におけるＬ’／ｔ０’に相当する次式で算出できるパラメータＰが大きいほど、圧延によっても鍛造の場合と同様に、被加工材の中心部により大きなひずみが付与され、大きな不均一変形を被加工材に導入することが可能であることを見出した。
【数１】
2019093399.tif 000003
ここで、ｒは圧下率、ｄはロール径、ｔ０は初期板厚である（非特許文献１参照）。【００１９】
なお、上記（１）式の理論は非特許文献１にて公表されている。しかし、非特許文献１には、圧延と鍛造の幾何学的条件と被加工材の集合組織の方位集積率に関する言及はない。
本発明は、大径ワークロールを有する圧延により大きな不均一変形を炭素鋼板材に付与して、金属組織の結晶粒を微細化し、かつ、集合組織の方位集積率を制御することによって、高強度と高剛性の両者を向上させるものである。ここで、大径ワークロールとは、鋼板の圧延加工に用いられる圧延機において径が大きいワークロールのことをいう。ワークロール径は、例えば６５０ｍｍ以上が好ましく、さらに好ましくは８７０ｍｍ以上がよい。圧延機のワークロール径には、特に最大径は定めないが、圧延機の製造上の理由や地上での重力の影響から、例えば５０００ｍｍ以下がよい。
一般に、鋼板の圧延加工においては、ワークロール径をより小さくすることが志向される。ワークロール径を小さくすると、ロールと被加工材との接触面積が小さくなり、圧延荷重が小さくなるため、被加工材に対する加工性、加工精度が向上し、ロール寿命の延長や圧延機のメンテナンス性が高まる。そのため、従来は、ワークロール径の大きい圧延機を用いて鋼板の圧延加工を行うこと自体、技術的に有意義であるとは考えられていなかった。【００２０】
＜成分の説明＞
炭素（Ｃ）：炭素は鋼材の硬さを決める。往々にして硬さと粘り強さ（折れにくさ）は反比例する。本発明は特に薄板を志向しており、特に自動車等の構造用軟鋼への適用を想定している。軟鋼であれば、Ｃは軟化抵抗を上げるのに有効な元素である。Ｃ量が０．０５％未満であるとその効果が無い。また０．４％を越えると、靱性低下を引き起こす。そこでＣ量の範囲を０．０５〜０．４％とした。好ましくは、Ｃ量の範囲は０．２５％以下であるとよい。Ｃ量が０．２５％を越えると、焼入れ硬化等による加工性低下を引き起こす。なお、冷間圧延性や鋼板の成型性の観点からは、Ｃ量が少ない方がよく、０．０８％以下とするのが好ましい。【００２１】
マンガン（Ｍｎ）：Ｍｎは焼き入れ性の改善に有効な元素である。Ｍｎ量が０．１０％未満であると、その効果がなく、また１．６５％を越えるとＭｎが偏析し、鋼材の靱性や高温強度を低下させる。そこでＭｎ量を、軟鋼であれば、靱性が問題とならないことから、１．６５％以下とした。【００２２】
アルミニウム（Ａｌ）：Ａｌは製鋼時に脱酸材として用いられるため少量のＡｌは不可避的に混入する。またＡｌを多く含有すると靭性が損なわれることが知られている。そのためＡｌ量は少ないほうがよく、０．０６％以下であることが望ましい。
窒素（Ｎ）：Ｎは不純物として混入する元素であり、多量に含有されると窒化物を形成して靭性の低下を招く。靭性確保の観点からは、Ｎの含有量は、０．０１０％以下が好ましい。【００２３】
リン（Ｐ）：リンは不純物として鉄鋼に含まれ得るが、鋼材の靱性低下を防止するために、０．０４０％以下に制限する。リンは、氷点下になると鉄鋼材料が本来の強度よりも弱い力で破壊されてしまう「低温脆性」に寄与する有害元素の一つと考えられている。またリンを多く含有していると溶接性にも悪影響を及ぼす。そのため、Ｐ量は、軟鋼であれば、０．０４０％以下がよい。【００２４】
硫黄（Ｓ）：硫黄は不純物として鉄鋼に含まれ得、硫黄の含有量によっては、高温環境、例えば９００℃以上で用いる場合などでは鋼材の強度が脆くなることが知られている。そのため、Ｓ量は、軟鋼であれば、０．３０％以下がよい。【００２５】
ケイ素（Ｓｉ）：ケイ素が鉄鋼に含まれる場合、鋼材の降伏点（耐力）と引張強さに影響する。Ｓｉ量は、軟鋼であれば、任意成分として０．５５％以下でよい。
不可避的不純物：リサイクル鋼や鉄スクラップのように、原材料に不可避的不純物として含有される元素には、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等がある。これらは、原材料に付随して不可避的に混入するものであり、精練によって除去することは困難である。【００２６】
銅（Ｃｕ）は、耐食性の向上に有効であると共に、圧造性の向上にも有効な元素であるが、原料価格が約４８７０ＵＳ＄／トン（２０１６年平均）であり、鉄と比較してかなり高額である。そのため、Ｃｕ量は、軟鋼であれば、０．３０％以下が望ましい。
スズ（Ｓｎ）は、Ｐ同様に焼き戻し脆化感受性を増大させる元素であり、極力低減することが望ましい。Ｓｎは、原料価格が約１８０００ＵＳ＄／トン（２０１６年平均）であり、鉄と比較してかなり高額である。そのため、Ｓｎ量は、軟鋼であれば、０．０２％以下が望ましい。【００２７】
ニッケル（Ｎｉ）は、室温における強度および靱性を高める元素であるが、原料価格が約９６００ＵＳ＄／トン（２０１６年平均）であり、鉄と比較してかなり高額である。そのため、Ｎｉ量は、軟鋼であれば、０．１０％以下が望ましい。
クロム（Ｃｒ）は、耐酸化性・耐食性を付与する元素であるが、原料価格が約２９００ＵＳ＄／トン（２０１６年平均）であり、鉄と比較してかなり高額である。そのため、Ｃｒ量は、軟鋼であれば、０．２０％以下が望ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の鋼板によれば、汎用の低炭素鋼、例えばＪＩＳ-Ｇ３１０１により定義される一般構造用圧延鋼材（ＳＳ）やＪＩＳ-Ｇ３１０６により定義される溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ）に相当する元素組成の鋼板と比較して、微細な結晶粒組織を有し、かつ、板厚中心部と表層部で異なる集合組織を有するものであり、圧延方向、板幅方向、４５度斜め方向等の特定方向に大きなヤング率を有する高強度・高剛性鋼板が得られる。
本発明の鋼板の製造方法によれば、大径ワークロールを有する圧延を温間温度域で実施することにより、高強度と高剛性の両立が達成できる高強度・高剛性を有する鋼板が製造できる。すなわち、本発明で用いる大径ワークロールによりひずみの大きな不均一変形が素材に付与されるため、金属組織の結晶粒の微細化、および集合組織の方位集積率の制御による高強度化・高剛性化の両者を達成することができる。
また、本発明の構造用鋼板は、表層に１００ＭＰａ以上の残留圧縮応力を有する鋼板であり、このような構造用鋼板は、板厚中心部と表層部で異なるヤング率を有する本発明の鋼板に対して必要に応じて引張塑性変形を与えることにより、得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の発明の実施形態を示すもので、純鉄の単結晶における単軸変形において得られるヤング率と荷重軸結晶方位の関係を示した図である。
【図２】第１の発明の実施形態を示すもので、鍛造と平圧延において被加工材中に生じる変形領域を模式的に示した図である。
【図３】パス間における鋼材回転の形式である、リバース方式、クロス方式および一方向方式をそれぞれ示した模式図である。
【図４】大径ロール圧延（実施例１、２、３）および熱間圧延（比較例１）・二相域圧延（比較例２）により試作された低炭素鋼板のヤング率と降伏強度の関係を示した図である。
【図５】大径ロール圧延（実施例１、２、３）および熱間圧延（比較例１）・二相域圧延（比較例２）により試作された低炭素鋼板において、板厚中心部と表層部間のヤング率の差と降伏強度の関係を示した図である。
【図６】大径ロール圧延（実施例１、２、３）および熱間圧延（比較例１）・二相域圧延（比較例２）により試作された低炭素鋼板の板厚中心部および表層部の結晶粒界分布を示した図である。
【図７】大径ロール圧延（実施例１、２、３）および熱間圧延（比較例１）・二相域圧延（比較例２）により試作された低炭素鋼板の板厚中心部および表層部の＜００１＞結晶方位分布を示した正極点図である。
【図８】体心立方格子を有する金属の圧延板で典型的にみられる＜００１＞結晶方位分布を示した正極点図である。
【図９】大径ロール圧延（実施例１、２、３）および熱間圧延（比較例１）・温間圧延（比較例２）により試作された低炭素鋼板の板厚中心部および表層部において、＜００１＞結晶方位および＜１１１＞結晶方位の集積と圧延方向（ＲＤ）からの角度の関係を示したグラフである。
【図１０】集合組織の測定結果より推定されたヤング率と実測により得られたヤング率の値の関係を示した図である。
【図１１】第２の発明の実施形態を示すもので、板厚中心部のヤング率より表層部のヤング率が大きい鋼板に対して、引張塑性変形を与えた後に除荷した際の応力状態変化を、表層部と板厚中心部で分けて示した図である。
【図１２】第２の発明の実施形態を示すもので、残留応力と降伏応力・体積率の関係を示した図である。
【図１３】第２の発明の実施形態を示すもので、有限要素法（ＦＥＭ）解析により得られた結果を示しており、解析モデルに対して引張軸方向に変位を与えた際に得られる引張荷重の推移（ａ）および除荷した際の平行部中心部の板厚方向における引張軸方向の垂直残留応力（ｂ）を表している。
【図１４】第２の発明の実施形態を示すもので、比較例１および実施例２により得られた鋼板の板厚中心部と表層部の残留応力測定を行った結果を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本明細書において、鋼板の「板厚中心部」とは、圧延機による圧延加工後の鋼板（板形状を有する鋼材）を板厚方向に三分割したうちの中心部分をいう。すなわち、鋼板の板厚をｔとすると、板厚中心部は、板厚（ｔ）の半分を中心として、板厚方向に三分の一の範囲（ｔ×１／３〜ｔ×２／３）である。
【００３１】
本明細書において、鋼板の「表層部」とは、圧延機による圧延加工後の鋼板（板形状を有する鋼材）の、前記板厚中心部分を除く２つの部分をいう。すなわち、鋼板の板厚をｔとすると、表層部の一方は、上面を基準として、板厚方向に三分の一の範囲（ｔ×０／３〜ｔ×１／３）であり、表層部の他方は、下面を基準として、板厚方向に三分の一の範囲（ｔ×３／３〜ｔ×２／３）である。
【００３２】
なお、上記の「板厚中心部」および「表層部」の定義は、本発明の鋼材の金属組織および集合組織を評価するための便宜的なものであり、実際の鋼材においては、板厚中心部と表層部の境界は必ずしも明確ではないことが理解されるべきである。
【００３３】
また、圧延加工後の鋼板に対して引張塑性変形などの二次加工を施すことによって得られる鋼板（例えば本発明の構造用鋼材）において、二次加工前の板厚における板厚中心部と表層部の範囲の比率と、二次加工後の板厚における板厚中心部と表層部の範囲の比率が異なり得ることにも留意されたい。
この点について、後述するＦＥＭ解析では、解析モデルとして用いた板厚３ｍｍの引張試験片において、板厚の三分の一の領域、すなわち試験片の上面又は下面を基準として板厚方向に六分の一（０．５ｍｍ）の範囲（合計１．０ｍｍ）を表層部とし、当該表層部を除く板厚の三分の二の領域、すなわち試験片の板厚の半分を中心として板厚方向に三分の二の範囲（２．０ｍｍ）を板厚中心部としている。
【００３４】
以下、実施例を用いて、本発明の第１の発明を具体的に説明する。
第１の発明の実施例においては、低炭素鋼（０．１５％Ｃ−０．３％Ｓｉ−１．５％Ｍｎ−０．０３％Ａｌ−０．００２％Ｎ−残部Ｆｅ）を用いた。
【００３５】
＜第１の発明の実施例＞
表１に示す各実施例および比較例について、板材を試作し、引張試験、ヤング率測定、走査型電子顕微鏡観察、集合組織測定による評価を行った。
【００３６】
＜圧延材の作製＞
実施例として圧延に供する母材には、４５ｍｍ厚×９５ｍｍ幅×長さ１１９ｍｍの低炭素鋼を用いた。母材には圧延加工を施す前に、均質化のため予備熱処理として焼入れを施している。母材に対して、直径８７０ｍｍの大きなワークロールを有する二段圧延機を用いて実施例１〜３の圧延加工を施した。実施例における圧延加工プロセスは三段階からなる。
【００３７】
すなわち、次の三段階である。
（ｉ）  第１段階：５００℃に設定された電気炉中で1時間保持・加熱後１０パスにて２０ｍｍ厚まで圧延し、水冷する段階、
（ｉｉ）  第２段階：第１段階の後、５００℃に設定された電気炉に再投入して1時間保持・加熱したのちに、９パスにて９ｍｍ厚まで圧延し水冷する段階、
（ｉｉｉ）  第３段階：第２段階の後、５００℃に設定された電気炉に再々度投入して1時間保持・加熱後、８パスにて３ｍｍ厚まで圧延を施す段階。
圧延を実施する際の被加工材の再熱温度は、材料の変形抵抗の軽減を図ることが可能であり、かつ再結晶によるひずみの解放が生じない温間域の代表的な温度である５００℃に設定した。なお、温間域の温度としては、４００℃以上６００℃以下の範囲とすることが好ましい。被加工材を所定の温度に保つため、それぞれの段階において１〜３パスごとに被加工材を炉内に戻し、所定の温度に保持することにより再熱した。一般的に板圧延プロセスは、図３に示すようにパス間における鋼材の向きの変え方により、リバース方式、クロス方式、一方向方式の三種類に分類することが可能である。図３の（１）に示すリバース方式では、鋼材をロールの間に通した後（番号１〜３）、鋼材の向きを変えずに、逆回転するロールの間を通す（番号４〜５）ことにより、鋼材に対する圧延加工方向がパス間で逆方向となる。図３の（２）に示すクロス方式では、鋼材をロールの間に通した後（番号１〜３）、番号４に示すように鋼材の向きを９０°回転させた状態で、逆回転するロールの間を通す（番号５〜６）ことにより、鋼材に対する圧延加工方向がパス間でクロス（交差）する。図３の（３）に示す一方向方式では、鋼材をロールの間に通した後（番号１〜３）、番号４に示すように鋼材の向きを１８０°回転させ、逆回転するロールの間を通す（番号５〜６）ことにより、鋼材に対する圧延加工方向がパス間で変わらず一方向となる。パス間の鋼材回転は特に金属組織と集合組織に大きな影響を与え、また、圧延加工時の圧下率が大きいほどその影響はより大きくなると予想されるため、第３段階については前記３方式をそれぞれ実施することとした。なお以下において、圧延材の圧延方向、板幅方向と称する場合は、加工プロセスにおいて最後に圧延した際の圧延方向および板幅方向を意味している。
【００３８】
＜熱間圧延材・二相域圧延材の作製＞
比較材として、実施例の母材として用いたものと同じ低炭素鋼に対して、各種条件で圧延加工を行った。実施したプロセス条件は表１に示している。比較例１では、熱間圧延加工を行った。すなわち、４０ｍｍ厚×４０ｍｍ幅×５０ｍｍ長さの形状を有する母材を１０００℃に設定された電気炉内に１時間保持して再加熱した後、ワークロール径３０５ｍｍの二段圧延機を用いて、１５パスにて３ｍｍ厚まで圧延加工を施した。また、圧延後は空冷とした。比較例２のプロセス条件は、圧延前再加熱温度を７５０℃とする条件の他は、比較例1と同一である。７５０℃は、平衡状態でフェライトとオーステナイトが共存する二相域温度であるため、当該プロセスはいわゆる二相域圧延と称されるものに相当する。
【表１】
2019093399.tif 000004
【００３９】
＜ヤング率測定と引張試験＞
ヤング率測定は引張試験により行った。板厚中心部ならびに表層部における局所のヤング率測定を行うため、引張試験片形状には、板厚として１ｍｍ、平行部幅として３ｍｍ、平行部長さとして１２ｍｍ、片部半径として３ｍｍを有する小型平板試験片を採用した。試験片は、各鋼材より、引張軸が圧延方向と０度、４５度または９０度の角度を成すように、切削とワイヤ放電加工により切り出した。ヤング率測定の際に用いる平行部の変位測定は、試験片平行部中央の表裏面にひずみゲージ（共和電業製ＫＦＧＳ−１Ｎ−１２０−Ｃ１−１１Ｌ１Ｍ２Ｒ）を接着剤（共和電業製ＣＣ−３３Ａ）により貼付して行った。引張試験は室温にて、試験速度を０．３３ｍｍ／ｍｉｎとして行い、ヤング率は負荷応力が２０ＭＰａから１２０ＭＰａまでの応力ひずみ曲線の傾きより得た。さらに、引張試験は破断まで行い、降伏強度および引張強さを求めた。なお、本検討により計測された応力ひずみ曲線において、降伏点近傍の挙動として、降伏点降下現象を示すものと示さないものが混在して認められた。そのため、降伏点降下現象の有無に関わらず、降伏強度については塑性ひずみが０．２％を示した際の応力をもって評価した。
【００４０】
＜走査型電子顕微鏡組織観察＞
得られた鋼板に対して、板幅方向を法線方向とする面に平行に切断し、機械研磨と電解研磨により鏡面とした断面に対して、走査型電子顕微鏡による背面反射電子線回折図形（ＥＢＳＤ）測定を行い、板厚中心部と表層部の金属組織測定と集合組織測定を行った。金属組織は、ＥＢＳＤ測定により得られた各測定点の結晶方位データを用いて、隣接測定点間の結晶方位差を算出し、１５度以上であれば粒界があるとして線を描くバウンダリーマップにより評価した。集合組織は００１極点図と、板面に平行でかつ圧延方向から特定の角度を有する方向（計測方向）への＜１１１＞および＜００１＞の集積率により評価した。集積率は、計測方向と測定対象となる結晶方位（＜１１１＞または＜００１＞）の間の角度が１５度以内である測定箇所が全測定領域に占める割合として算出した。
なお、図１に示すように、結晶方位＜１１１＞を荷重軸とした場合のヤング率は２８３ＧＰａ、結晶方位＜１０１＞を荷重軸とした場合のヤング率は２０８ＧＰａ、結晶方位＜００１＞を荷重軸とした場合のヤング率は１３２ＧＰａである。結晶方位＜１１１＞を荷重軸とした場合のヤング率が最も大きく、結晶方位＜００１＞を荷重軸とした場合のヤング率が最も小さくなっている。
【００４１】
＜実施例および比較例の検討＞
表２は実施例および比較例として作製した圧延材の引張試験により得られたヤング率、降伏強度および引張強さである。
【表２】
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表２にあるデータを用いて、ヤング率と降伏強度の関係を図４に示した。また図４には、特許文献２において実施例および比較例として示されたデータも参考例として合わせて示している。比較例１、比較例２ならびに参考例では、２１０ＧＰａ以上の高いヤング率を示す場合が一部に認められるものの、いずれも５００ＭＰａ以下という比較的低い降伏強度を示した。一方で実施例では、いずれのプロセスにおいても、５８０ＭＰａ以上の降伏強度を有しつつ２１０ＧＰａ以上の高いヤング率を示すデータが１点以上認められた。これは、降伏強度が５８０ＭＰａ以上を有し、引張方向が、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向のいずれかとする場合において、板厚中心部または表層部におけるヤング率が２１０ＧＰａ以上を有することを意味する。
【００４２】
表１のデータから板厚中心部と表層部のヤング率の差を算出し、その値と降伏強度の関係を図５に示している。同一板材の板厚方向にヤング率の大きな差が存在すると、板材を変形させた際に生じる弾性ひずみの差が生じやすくなる。その結果として変形抵抗の増大が期待されるため、ヤング率の差は大きいことが望ましい。今回の試作材においては、すべての実施例および比較例２におけるいずれかの方向において有意差と判断することのできる５ＧＰａ以上（日本建築学会「鋼構造設計基準」における鋼材のヤング率である２０５ＧＰａの２％相当値以上）の大きな差値を示した。大きなヤング率の差を示した試作鋼材の内、降伏強度が５８０ＭＰａ以上であるものは実施例のみであった。
【００４３】
以上に示した引張試験の結果より、実施例においては、引張方向が、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向のいずれかとする場合において、
（１）板厚中心部または表層部のいずれかで、降伏強度が５８０ＭＰａ以上の高強度を示し、かつ、標準的なヤング率（２０５ＧＰａ）よりも有意な差（５ＧＰａ）を伴って大きなヤング率を示すこと、および
（２）降伏強度が５８０ＭＰａ以上の高強度を有し、かつ、板厚中心部と表層部のヤング率の差が有意な値（５ＧＰａ）以上の値を示すこと、
の二点が実現されることが明らかとなった。これら二点の優れた機械的性質を実現したメカニズムについて、金属組織と集合組織の観点からの検討を以下に示す。
【００４４】
図６は実施例および比較例として作製した鋼材のＥＢＳＤ測定により得られたバウンダリーマップを示している。ＥＢＳＤ測定はそれぞれの鋼材について、板厚中心部および表層部において行った。また、各データから求めた平均粒径も併せて示している。なお、図６において、「実施例１（リバース方式）」との記載は、実施例１における圧延加工プロセスの第３段階がリバース方式であることを示しており、「実施例２（クロス方式）」および「実施例３（一方向方式）」との記載も同様である（表１参照）。また、後述する図７、図９、図１０についても同様である。
【００４５】
いずれのバウンダリーマップにおいても多数の結晶粒界の存在が認められる微細な金属組織が見られるが、その形態はプロセスおよび測定位置により大きく異なる。比較例１を除く鋼材においては、板厚中心部では圧延方向に長く伸びた組織を示し、表層部では、やや等軸化した結晶粒の存在が認められた。比較例２と比べると、実施例１〜３の方が微細な組織を示し、また表層部の等軸化が進行している様子が見て取れる。これは、実施例において、ひずみの蓄積が効率的となる大径ロールを用いたことと、圧延を再結晶によるひずみの解放が生じにくい温間域で実施したことに依るものであり、板厚中心部および表層部のいずれにおいても、比較例と比べて平均粒径の値が小さいことからも具体的に確認された。なお、本発明の第１の発明においては、板厚中心部の金属組織の平均粒径は、０．８μｍ乃至２．０μｍの範囲にあり、表層部の金属組織の平均粒径は、０．３μｍ乃至２．０μｍの範囲にあることが好ましく、これにより、鋼材の高強度化と高剛性化の両立が達成できる。また、板厚中心部および表層部の平均粒径が上記の範囲を満たすことにより、５８０ＭＰａ以上の降伏強度を有する鋼材とすることができる。比較例１では、矩形形状を有するベイネティックフェライト組織が観察された。この組織は、炭素鋼をオーステナイト域から連続冷却したときに生じる組織である。図６に示したバウンダリーマップより、実施例１〜３においては一種の微細結晶粒組織が得られていることがわかる。すなわち、先に示した引張試験結果において、実施例１〜３が優れた高強度を示した理由は、大径ワークロールを用いたこと、および温間圧延を実施したことにより、母材の中心部により大きなひずみが導入され、板厚方向に不均一な変形が生じたことにより、金属組織における結晶粒の微細化が促進されたことにある。
【００４６】
図７は各鋼板のＥＢＳＤ測定により得た００１正極点図である。各図の水平方向と上下方向がそれぞれ板幅方向（ＴＤ）と圧延方向（ＲＤ）と平行であり、＜００１＞の集積強度をグレースケールで示している。また、ランダム分布の集積強度を１とした際の最大集積強度(ｍａｘ)を各極点図の右下に添えて示している。参考のため、鉄鋼の圧延材でよく見られる集合組織に対応する＜００１＞極の分布を図８に模式的に示している。図８中で用いた記号の説明において、圧延面が｛ｈｋｌ｝面に、圧延方向が＜ｕｖｗ＞に平行である集合組織は｛ｈｋｌ｝＜ｕｖｗ＞と略記している。
【００４７】
主として圧延された鋼板では、αファイバーと呼ばれる＜１１０＞が圧延方向に平行となることを共通の特徴とする分布と、γファイバーと呼ばれる＜１１１＞が板厚方向（ＮＤ）と平行となることを共通の特徴とする分布がみられることが知られている。実際に、実施例１、実施例３の板厚中心部において、αファイバーとγファイバーの両分布が混在してみられる。一方で実施例２および比較例２では｛００１｝＜１１０＞集合組織が観察される。この集合組織は鉄鋼の厚板製造に関連して知られており、二相域圧延を実施して得られた鋼板で板厚中心部で観察されることが知られている。今回の試作では実施例２において二相域圧延で得られるものと同様の集合組織が得られていることは注目に値する。また比較例１においては、特に強い集積を示す方向は見られず、結晶方位がほぼランダムに分布していた。これは、比較例１はオーステナイト単相域圧延であるため、圧延後の冷却中に生じる相変態により、結晶方位の配向性が崩れてしまうことを意味している。同様のランダム分布は比較例１の表層部においても認められた。
【００４８】
今回の実施例では、ワークロール径が大きな圧延機を用いているため、圧延の際に被加工材とワークロール間の相互作用が強く生じることが予想される。実際に、実施例１〜３では、すべての場合において、板厚中心部と表層部はそれぞれ異なる集合組織を示した。実施例１ではＧｏｓｓ方位として知られる｛０１１｝＜１００＞集合組織の発達が見られた。これは圧延時にせん断変形が顕著である場合に生じる集合組織であり、比較例２の表層部の極点図で示されているように、二相域圧延においても生成する集合組織であることが知られている。実施例２と実施例３の表層部では、若干の集積は認められるものの、最大集積強度が３程度と低く、強い集合組織を持たないことが特徴的である。
【００４９】
本検討において集合組織を評価する目的は、前述の引張試験結果において示された優れた高剛性の発現メカニズムを検討することにある。結晶方位配向度と図１に示したヤング率の結晶方位依存性から多結晶体のヤング率を推定する方法は種々提案されている。最も簡単な方法の一つとして、荷重軸方向における＜ｕｖｗ＞方位の集積密度ｆｕｖｗと単結晶における<ｕｖｗ>方位のヤング率Ｅuvwの線形結合、すなわちΣｆuvwＥuvw(ただし、Σｆuvw＝１である)を計算する方法がある。体心立方格子を有する鉄鋼材料の場合は、荷重軸を＜００１＞方向とする場合が最もヤング率が低く、＜１１１＞方向が最も大きなヤング率を示す。そこで、ＥＢＳＤ測定結果より、引張軸方向に平行な＜００１＞方位と＜１１１＞方位の集積率を算出することとした。
【００５０】
図９は、実施例および比較例として得られた鋼板の板厚中心部（ａ，ｂ）および表層部（ｃ，ｄ）における集合組織の＜００１＞方位（ａ，ｃ）および＜１１１＞方位（ｂ，ｄ）の集積強度を示している。それぞれ、圧延方向から特定の値の角度を成す、板面に平行な方向に対する方位集積率を評価している。例えば実施例１（白抜き四角）の場合、板厚中心部では圧延方向から４５度を成す方向に＜００１＞の集積が存在し（図９（ａ））、９０度方向には＜１１１＞方位が集積している（図９（ｂ））。
また、ＥＢＳＤ測定における測定誤差を±５％であるとすると、図９の結果から、実施例で得られた鋼板の集合組織の方位集積率は、以下のように評価することができる。
【００５１】
実施例１により得られた鋼板では、板厚中心部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では３４〜４４％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にある。また、表層部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では２０〜３０％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１０〜２０％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では１６〜２６％、板幅方向では１２〜２２％、４５度斜め方向では１５〜２５％の範囲にある。
【００５２】
実施例２により得られた鋼板では、板厚中心部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では３６〜４６％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２〜１２％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にある。また、表層部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では１０〜２０％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では１４〜２４％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では８〜１８％、板幅方向では２８〜３８％、４５度斜め方向では５〜１５％の範囲にある。
【００５３】
実施例３により得られた鋼板では、板厚中心部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では１２〜２２％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では２０〜３０％、４５度斜め方向では０〜５％の範囲にある。また、前記表層部の集合組織の方位集積率は、＜００１＞方位について、圧延方向では０〜５％、板幅方向では０〜５％、４５度斜め方向では８〜１８％の範囲にあり、＜１１１＞方位について、圧延方向では２〜１２％、板幅方向では１０〜２０％、４５度斜め方向では２〜１２％の範囲にある。
【００５４】
さらに、図９に示したデータと鉄単結晶の＜００１＞方位、＜１０１＞方位および＜１１１＞方位のヤング率である、１３２ＧＰａ、２０８ＧＰａおよび２８３ＧＰａを線形加算することにより、集合組織から見積もられるヤング率を算出した。より具体的には、＜００１＞方位および＜１１１＞方位の集積がそれぞれｆ００１, ｆ１１１であるとすると、
（ヤング率の見積もり値）＝ｆ００１×１３２［ＧＰａ］＋ｆ１１１×２８３［ＧＰａ］＋（１−ｆ００１−ｆ１１１）×２０８［ＧＰａ］
によって算定した。なお、ｆ００１またはｆ１１１の各集積は、ＥＢＳＤ測定において得られた引張軸方向の結晶方位が、＜００１＞または＜１１１＞方位とのなす角度が１５度以内にある測定点の数が占める割合として求めた。
【００５５】
集合組織より見積もられたヤング率と実測されたヤング率の関係を図１０に示す。点線は見積もり値と実測値が等しい関係を示しており、すべての点において、見積もり値が実測値と概ね近い値を示すことが確認された。この結果は、今回得られた高いヤング率が、主として集合組織の方位集積率が、鉄単結晶において最も高いヤング率を示す＜１１１＞方位について、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向のいずれかの方向に高くなり、かつ、最も低いヤング率を示す＜００１＞方位について、圧延方向、板幅方向、または圧延方向および板幅方向から４５度の角度差をなす方向のいずれかの方向に低くなるように制御されることに起因することを意味している。実施例においては、大径ワークロールに起因して特異な集合組織が形成されていたことから、図１０の結果より、大径ワークロールを用いた鋼板製造が高いヤング率が得られた原因であることが明らかとなった。
以上の結果、大径ワークロールを用いた圧延機による温間加工は、高強度と高剛性を併せ持つ鋼板を得る有効な手段であることが示された。
【００５６】
続いて、第２の発明について説明する。
上記した第１の発明で得られる鋼板のように、互いにヤング率が異なる板厚中心部と表層部がサンドイッチ構造状に存在する場合、この鋼板に対して引張塑性変形を与えることにより、表層部に圧縮の残留応力を生じさせることが出来るメカニズムについて、以下に説明する。
【００５７】
板厚中心部のヤング率より表層部のヤング率が大きい鋼板に対して、全ひずみε0の塑性変形を与えた際の応力状態変化を、表層部と板厚中心部で分けて図１１に示す。横軸はひずみ、縦軸は応力を示しており、表層部と板厚中心部の応力状態をそれぞれ破線と実線で描いている。ヤング率の不均一により生じる影響を抽出して考察するために、以下の仮定を置く。
（ｉ）表層部と板厚中心部は、ともに弾完全塑性体である。
（ｉｉ）表層部と板厚中心部は、ともに同じ降伏応力（σｙ）を有する。
（ｉｉｉ）表層部と板厚中心部は、界面で局所的なずれや剥離を示さず、それぞれ均一に変形する。
【００５８】
また、以下で述べるすべての応力とひずみは、正値は引張、負値は圧縮を示す。全ひずみε0を与えて荷重を保持している状態では、表層部と板厚中心部はともに同じ応力（σｙ）と同じ全ひずみ（ε0）を有する状態にある。表層部と板厚中心部のヤング率の違いにより、除荷すると応力状態の不均一が生じる。その結果、完全に除荷するためには、ヤング率の大きな表層部が圧縮応力状態、板厚中心部が引張応力状態となる応力分配が必要となる。この状態は次式のように書くことができる。
【数２】
2019093399.tif 000006
ここで、ｆは表層部の体積率である。また、σｒ,ceとσｒ,suとはそれぞれ、完全に除荷した状態における板厚中心部と表層部に残存する引張軸方向の応力である。今回の変形条件では、σｒ,ceは正の値、σｒ,suは負の値を有する。この式は応力のつり合い条件を示している。
【００５９】
表面部と板厚中心部のヤング率をそれぞれEsuとEceとすれば、完全に除荷した状態において表層部と板厚中心部が有する弾性ひずみεｒ,suとεｒ,ceとは以下の式により算出することができる。
【数３】
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ヤング率は正の値であるため、今回の変形条件では、εｒ,ceはσｒ,ceと同様に正の値、εｒ,suはσｒ,suと同じく負の値を有する。
【００６０】
さらに、表層部と板厚中心部の界面でずれや破壊が生じない（仮定iii）ことから、完全に除荷した後でも表層部と板厚中心部の全ひずみは同じ値にならなければならない。そのためには、除荷により消失するひずみ量が表層部と板厚中心部において等しくなければならない。言い換えれば、表層部における変形により与えられた弾性引張ひずみ（σｙ／Esu）と完全に除荷した際に応力分配により生じる弾性圧縮ひずみ（εｒ,su）の絶対値の合計が、板厚中心部における変形により与えられた弾性引張ひずみ（σｙ／Ece）と完全に除荷した際に残存する弾性引張ひずみ（εｒ,ce）の差と等しくなければならない。この状況は次式の様に書くことができる。
【数４】
2019093399.tif 000008
式（４）を満たすとき、εｒ,suとεｒ,ceは図１１の様に幾何学的に示すことができる。
【００６１】
以上の式（２）、（３）、（４）より、降伏応力（σｙ）と表層部と板厚中心部のヤング率（Esu、Ece）および表層部の体積率（f）から各部の残留応力（σｒ,su、σｒ,ce）を見積もる次式（５）、（６）を得ることができる。
【数５】
2019093399.tif 000009
【数６】
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例えば、Ｅｃｅ＝１８０［ＧＰａ］,  Ｅｓｕ＝２００［ＧＰａ］として、降伏応力と体積率を変化させて残留応力を計算して得られた結果を図１２に示す。降伏応力が大きいほど、また、表層部の体積率が小さいほど、表層部に生じる引張軸方向の圧縮応力が大きくなる。この変化の様子より、ハイテンなどの高強度鋼では、本発明で得られるヤング率の不均一により生じる残留応力が大きくなる傾向があることがわかる。
【００６２】
ここまでの考察では、表層部と板厚中心部の塑性変形では、加工硬化は生じないものとしてきたが、実際には加工硬化が生じる。また、板厚方向には応力状態が不均一になる可能性もある。そこで、実際に測定された各部のデータをもとにＦＥＭ解析を行い、加工硬化が生じる場合でも引張変形により表層部に残留応力を付与することが可能かどうか、検証した。
【００６３】
図１３はＦＥＭ解析結果である。解析には市販のＦＥＭ解析ソフトウェアを用い、解析モデルとして板厚３ｍｍ、平行部板幅７ｍｍ、平行部長さ１０ｍｍを有する平板の引張試験片形状を用いた。板厚の三分の一の領域、すなわち鋼板表裏の両方においてそれぞれ厚さ０．５ｍｍの表層部においてヤング率が２００ＧＰａ、板厚の三分の二の範囲を占める板厚中心部ではヤング率が１８０ＧＰａを有する部分を割り当てるサンドイッチ型構造を解析した。これは板厚中心部と表層部におけるヤング率の差が最も顕著であった実施例２で得られた板材において引張方向が圧延方向から４５度の角度を有する場合の引張試験における特性を模擬している。また降伏強度は部位によらず５８０ＭＰａとし、加工硬化挙動は実施例２で得られた板材において引張方向が圧延方向から４５度の角度を有する場合の板厚中心部の引張試験により得られた加工硬化挙動を用いた。
【００６４】
図１３（ａ）は解析モデルに対して引張軸方向に変位を与えた際に得られる引張荷重を示している。引張荷重は降伏後荷重上昇が緩やかになる推移を示した。変位を０．２５まで与えた後に静的に変位を減少させて除荷し、引張荷重がほぼゼロになる状態とした。除荷した際の試験片の平行部中心部の板厚方向における引張軸方向の垂直残留応力を図１３（ｂ）に示す。板厚中心近傍では、４５ＭＰａの引張応力が生じている。板表面に向かうにつれて、引張応力の値は緩やかに減少し、ヤング率の値が異なる界面において、大きく減少する。そしてヤング率の大きな表層部では圧縮の残留応力を示すようになる。表面では−６０ＭＰａの圧縮応力が生じている。この結果より、加工硬化や板厚方向の応力分布があっても、表層に残留応力を生成することが可能であることが明らかとなった。
【００６５】
＜第２の発明の実施例＞
上記した第１の発明に関する実施例および比較例と同様の製造プロセスにより、鋼板を作製した。
表３は比較例１および実施例２により得られた鋼板の板厚中心部と表層部の残留応力測定を行った結果を示している。また、図１４にも残留応力測定結果を図示している。比較例１により得られた鋼板に対して、圧延方向と平行な方向の残留応力を測定した（ａ）。実施例２により得られた鋼板に対して、圧延方向（ｂ）および圧延方向から４５度の角度を有する方向（ｃ）の残留応力の測定を行った。さらに、実施例２により得られた鋼板に対して圧延方向から４５度の角度を有する方向に対して、変形抵抗が６００ＭＰａとなるまで室温で引張変形を与えた後に除荷したものについても、引張軸と平行な方向の残留応力測定を行った（ｄ）。測定方法はsin2Ψ法により、Ｘ線応力測定法標準鉄鋼編（日本材料学会編）に記載の各定数を用いて算出した。Ｘ線源のターゲットはＣｒであり、管電圧・管電流はそれぞれ４０ｋＶ・４０ｍＡとした。
【００６６】
【表３】
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【００６７】
板厚中心部では、いずれの測定値も５０ＭＰａ程度の引張応力を示した。一方で、表層部ではいずれも圧縮の残留応力を示すが、その大きさは鋼材の種類によって異なる。すなわち、比較例１により得られた鋼板や実施例２により得られた鋼板における圧延方向に平行な方向の測定結果（（ａ）および（ｂ））は、１００ＭＰａ未満の小さな値であったが、実施例２により得られた鋼板の圧延方向と４５度の角度をなす方向の測定値（ｃ）や、同方向に対して引張ひずみを与えた鋼板の測定結果（ｄ）は１００ＭＰａ以上の大きな残留圧縮応力を示した。（ｃ）で示された圧延ままの鋼板の結果を一見すると、前述の予想とは異なり、引張変形を与えずとも残留応力が得られる可能性の証左となっている印象を受けるかもしれない。しかし、実施例２の製造プロセスにおける最終段階は温間圧延による塑性変形であり、鋼板製造時にすでに塑性変形が導入されている。そのため、実施例２により得られた鋼板に対して、追加の引張変形を与えずとも表層部に残留圧縮応力が認められることは、すでに述べた残留応力形成メカニズムで説明できる。すなわち、これらの残留応力測定結果は、大径ワークロールを用いた圧延機による温間加工は、鋼板の高強度化・高剛性化を達成することに加え、鋼板の表層に大きな残留圧縮応力を付与することができる簡便な手法であることを示している。
【００６８】
また、残留応力測定結果より、板厚中心部よりも大きなヤング率を表層部において有する鋼板であれば、引張塑性変形により表層部に圧縮の残留応力を発生させることができることが明らかとなった。本発明により得られる高剛性・高強度鋼板では、すべての実施例と比較例２により得られた鋼板において、圧延方向と４５度の方向をなす方向において、表層部のヤング率が板厚中心部よりも有意に高くなっている。これらのうち、比較例２は降伏強度が低く高強度鋼板としての性能を有さないことに加えて、前述の残留応力形成メカニズムを用いて考えると、追加で引張変形を与えても大きな圧縮応力は形成し難いと推定される。そのため、ここで示したような大きな残留応力を得ることが可能な鋼板は、比較例によるプロセスは不適切であり、実施例１、２、３のような大径ワークロールを用いた圧延機による温間加工プロセスにより得られると判断できる。
【００６９】
以上、本発明の実施形態、実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態、実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
第１の発明の高強度・高剛性を有する鋼板によれば、微細な結晶粒組織を有し、かつ、板厚中心部と表層部で異なる集合組織を有することで、板厚中心部または表層部のいずれかで、優れた強度を有し、かつ、圧延方向、板幅方向、４５度斜め方向等の特定方向に大きなヤング率を有するため、例えば自動車用鋼板や構造材料用鋼板に用いて好適である。
第２の発明の構造用鋼板によれば、第１の発明の高強度・高剛性鋼板に対して、必要に応じて引張塑性変形を施すことにより、簡便な手法で、引張軸と平行な方向に１００ＭＰａ以上の残留圧縮応力を表層に有する鋼板が得られ、例えば自動車用鋼板や構造材料用鋼板に用いて好適である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月28日(2020.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
（９）前記圧延加工は、前記鋼板又は鋼材に対してリバース方式、クロス方式または一方向方式の何れかであることを特徴とする（８）に記載する高強度・高剛性鋼板の製造方法。
【国際調査報告】
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