(57)【要約】【課題】クローズドセル構造のポーラス金属について、静的圧縮試験による静的ひずみ速度よりも速い所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測できるようにすること。【解決手段】（１）クローズドセル構造のポーラス金属を対象とし、ひずみ速度を静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行い、前記ポーラス金属の規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度との関係を示すひずみ速度依存性データを予め求めておく工程と、（２）前記ひずみ速度依存性データから、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係式を予め求めておく工程と、（３）前記ポーラス金属について所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、静的ひずみ速度での規格化プラトー応力と前記関係式とから算出する工程とを備えたポーラス金属の圧縮特性予測方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）クローズドセル構造のポーラス金属を対象とし、前記ポーラス金属からなる試験片について、ひずみ速度を静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行い、プラトー応力を当該ポーラス金属の相対密度の二分の三乗で除した値を規格化プラトー応力とし、変形速度を前記ポーラス金属の平均気孔径で除した値を気孔変形のひずみ速度として、前記圧縮試験から、前記ポーラス金属の規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度との関係を示すひずみ速度依存性データを予め求めておく工程と、
（２）引き続き、前記（１）の工程で得た前記ひずみ速度依存性データから、静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力を基準として、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係式を予め求めておく工程と、
（３）その後、前記ポーラス金属について所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を求める際に、当該ポーラス金属について静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力と、前記（２）の工程で求めておいた前記関係式とに基づいて、前記所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を算出する工程と、
を備えたことを特徴とするポーラス金属の圧縮特性予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クローズドセル構造のポーラス金属について静的圧縮試験による静的ひずみ速度よりも速い所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測できるようにした、ポーラス金属の圧縮特性予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の地球環境保護の観点から自動車などの輸送機器には軽量化の要求が高まるとともに、歩行者及び乗員保護の目的で、自動車などの輸送機器に適用される部材には優れた耐衝突性能が要求されている。
【０００３】
このような状況にあって、ポーラス金属（多孔質な金属）は、その軽量性とエネルギ吸収特性から、輸送機器の耐衝突部材の閉断面へ充填して用いられることにより、優れた耐衝突部材としての適用が期待されている。
【０００４】
工業的に製造される物のほとんどが緻密体であり、緻密な金属材料では、その圧縮変形挙動として圧縮に伴い高さ方向（圧縮力が加えられる方向）に均一に変形することが知られている（ポアソン効果）。
【０００５】
一方、ポーラス金属は金属によって気孔（空孔、セル）の稜や面が構成されるものであり、ポーラス金属の圧縮特性は、緻密材料のそれとは大きく異なる。非特許文献１には、ポーラス金属では、変形機構として、ポーラス金属の独自構造（気孔率８０％以上で独立気孔又は貫通気孔で構成）に起因し、圧縮に伴い強度的に弱い箇所から変形帯を形成して、局所的な変形を繰り返し（アコーディオン状）不均一に変形することが述べられている。
【０００６】
ここで、クローズドセル構造（独立気孔）のポーラス金属を自動車などの輸送機器の耐衝突部材へ適用する場合、該ポーラス金属の高速度での変形特性（圧縮特性）を評価することが必要となる。
【０００７】
そのため、クローズドセル構造のポーラス金属について、静的圧縮試験による静的ひずみ速度よりも速い所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測できるようにすることが要望されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.Gradinger and F.G.Rammerstorfer,Acta Materialia 47,pp143-148,1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明の課題は、クローズドセル構造のポーラス金属について、静的圧縮試験による静的ひずみ速度よりも速い所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測できるようにした、ポーラス金属の圧縮特性予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１１】
請求項１の発明は、（１）クローズドセル構造のポーラス金属を対象とし、前記ポーラス金属からなる試験片について、ひずみ速度を静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行い、プラトー応力を当該ポーラス金属の相対密度の３／２乗で除した値を規格化プラトー応力とし、変形速度を前記ポーラス金属の平均気孔径で除した値を気孔変形のひずみ速度として、前記圧縮試験から、前記ポーラス金属の規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度との関係を示すひずみ速度依存性データを予め求めておく工程と、（２）引き続き、前記（１）の工程で得た前記ひずみ速度依存性データから、静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力を基準として、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係式を予め求めておく工程と、（３）その後、前記ポーラス金属について所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を求める際に、当該ポーラス金属について静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力と、前記（２）の工程で求めておいた前記関係式とに基づいて、前記所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を算出する工程と、を備えたことを特徴とするポーラス金属の圧縮特性予測方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のポーラス金属の圧縮特性予測方法は、クローズドセル構造のポーラス金属を対象とし、予め、まず、前記ポーラス金属からなる試験片について、ひずみ速度を静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行い、その圧縮試験の結果を、ポーラス金属の変形機構を考慮した「気孔変形のひずみ速度（εＭ）」で整理して、前記ポーラス金の規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度との関係を示すひずみ速度依存性データを求めておき、次いで、前記ひずみ速度依存性データから、静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力を基準として、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係式を求めておくようにしている。
【００１３】
したがって、本発明のポーラス金属の圧縮特性予測方法は、前記ポーラス金属について所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を求めるにあたり、該所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、当該ポーラス金属について静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力と前記関係式とに基づいて算出することができ、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】規格化プラトー応力とひずみ速度との関係を示す図である。
【図２】図１におけるひずみ速度１×１０−３ｓ−１の部分を拡大した図である。
【図３】本発明方法の一実施形態に係る図であって、規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度との関係を示す図である。
【図４】本発明方法の一実施形態に係る図であって、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
圧縮試験に供したポーラス金属は、市販されている神鋼鋼線工業（株）製のアルポラス（商品名）という純Ａｌ系のポーラスアルミニウム（化学組成：Ａｌ−１．５質量％Ｃａ−１．５質量％Ｔｉ）であり、密度：０．２３ｇ／ｃｍ３、平均気孔径：３．５ｍｍのもの（標準材と称する）と、密度：０．３０ｇ／ｃｍ３、平均気孔径：２．５ｍｍのもの（高密度材と称する）との２種類である。なお、このアルポラスは、溶融法の一種である溶湯増粘法で製造されており、アルミニウム溶湯に該溶湯の粘性を増加させるためにカルシウムを添加し、発泡剤として水素化チタンを用いている。
【００１７】
試験片は、形状が立方体（６面が正方形の正四角柱）で、５０ｍｍ角，１００ｍｍ角，１７ｍｍ角（参考用）の３種類である。各試験片は、購入材から木工用のバンドソーを用いて切り出し、圧縮試験の際に試験片を上下方向から挟む焼入れ研磨した鋼板と接触する面のみを研磨した。
【００１８】
前記試験片について、ひずみ速度εＴを静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行うため、静的圧縮試験はインストロン社製万能試験機を用いて、ひずみ速度εＴ：１×１０−３ｓ−１で行った（標準材の１７ｍｍ角，５０ｍｍ角，１００ｍｍ角の試験片、及び高密度材の１７ｍｍ角，５０ｍｍ角，１００ｍｍ角の試験片）。また、１０１ｓ−１のオーダーのひずみ速度εＴでの圧縮試験は落錘式試験装置を用いて行い（標準材の５０ｍｍ角，１００ｍｍ角の試験片、及び高密度材の５０ｍｍ角，１００ｍｍ角の試験片）、１０３ｓ−１のオーダーのひずみ速度εＴでの圧縮試験はホプキンソン棒法衝撃試験装置を用いて行った（標準材の１７ｍｍ角の試験片、及び高密度材の１７ｍｍ角の試験片）。
【００１９】
ここで、一般的に、圧縮応力のひずみ速度（変形速度）依存性は、試験片高さ方向に対して試験片全体が均等に変形するものとして、下記（１）式に示すように、変形速度Ｖを試験片高さＬで除した値が用いられる。
【００２０】
εＴ＝Ｖ／Ｌ    …（１）式
【００２１】
一方、ポーラスアルミニウムの圧縮変形挙動は、気孔寸法の不均一性に起因して、セル強度の低い箇所から気孔径の幅程度の変形帯を伴って優先的に変形することが知られており、緻密材料と異なる。そこで、本発明方法では、圧縮試験の結果によるプラトー応力とひずみ速度との関係を整理するに際し、実際の圧縮変形挙動を考慮して、前記ひずみ速度εＴに代えて、下記（２）式に示すように、変形速度Ｖを平均気孔径φで除した値を「気孔変形のひずみ速度εＭ」と称してこの「気孔変形のひずみ速度εＭ」を用いるようにしている。
【００２２】
εＭ＝Ｖ／φ    …（２）式
【００２３】
また、研究者Ｌ．Ｊ．ＧｉｂｓｏｎとＭ．Ｆ．Ａｓｈｂｙは、ポーラス金属などのセルエッジ崩壊応力と密度との関係を理論的に分析して、ポーラス金属の崩壊圧縮相対強度（σｐ／σｙ）は、その相対密度（ρ／ρｓ）の３／２乗に比例するとして、下記の（３）式を提案している。ここで、（３）式において、σｐ：ポーラス金属の崩壊圧縮強度、σｙ：ポーラス金属母材の圧縮降伏強度、ρ：ポーラス金属の密度、ρｓ：ポーラス金属母材の密度、ｃ：セル形態に関連した定数である。
【００２４】
σｐ／σｙ＝ｃ（ρ／ρｓ）３／２    …（３）式
【００２５】
したがって、ポーラスアルミニウムの圧縮応力は、それ自身の相対密度の３／２乗で除することにより、微小な密度変化に基づく圧縮応力の差異を無視して横並びで比較、評価することが可能となる。
【００２６】
よって、本発明方法では、圧縮試験によるプラトー応力σｐｌをポーラスアルミニウムの相対密度（ρ／ρｓ）の３／２乗で除した値を規格化プラトー応力とし、この規格化プラトー応力と前記気孔変形のひずみ速度εＭとを用いて、圧縮試験の結果によるプラトー応力とひずみ速度との関係を整理するようにしている。なお、プラトー応力σｐｌは２０〜３０％圧縮ひずみでの圧縮応力の平均値として定めている。
【００２７】
さて、前記圧縮試験の結果による圧縮特性を図１，図２、及び図３に示す。なお、この圧縮試験は、前記標準材を用いたものである。図１は規格化プラトー応力（縦軸）とひずみ速度（横軸：対数目盛）との関係を示す図、図２は図１におけるひずみ速度１×１０−３ｓ−１の部分を拡大した図、図３は本発明方法の一実施形態に係る図であって、規格化プラトー応力（縦軸）と気孔変形のひずみ速度（横軸：対数目盛）との関係を示す図である。
【００２８】
図１に示すように、前記圧縮試験の結果による圧縮特性を、前記（１）式によるひずみ速度εＴで整理すると、規格化プラトー応力はひずみ速度εＴが１×１０２ｓ−１以上で増加が認められるものの不連続となり、ひずみ速度εＴを用いることでは、規格化プラトー応力のひずみ速度依存性を説明することはできなかった。
【００２９】
これに対し、前記圧縮試験の結果による圧縮特性を、前記（２）式による気孔変形のひずみ速度εＭで整理すると、図３に示すように、規格化プラトー応力は、試験片寸法によらず、ひずみ速度εＭがほぼ１×１０３ｓ−１以上から増加しており、規格化プラトー応力のひずみ速度依存性を説明することができた。
【００３０】
このことはポーラス金属（ポーラスアルミニウム）の圧縮特性が該ポーラス金属を構成する気孔及びその集合体の強度に起因することを意味しており、ポーラス金属の圧縮特性を１０−３ｓ−１のオーダーの静的ひずみ速度だけではなく、１０１ｓ−１〜１０３ｓ−１のオーダーの動的ひずみ速度においてもポーラス金属の前記変形機構を考慮した「気孔変形のひずみ速度εＭ」で整理することができて、本発明方法の合理性が証明されたといえる。
【００３１】
図４は本発明方法の一実施形態に係る図であって、規格化プラトー応力の静動比（縦軸）と気孔変形のひずみ速度（横軸：対数目盛）との関係を示す図である。
【００３２】
図４に示すグラフは、前記図３に示されるところの、規格化プラトー応力と気孔変形のひずみ速度εＭとの関係を示すひずみ速度依存性データから、５０ｍｍ角の試験片での静的圧縮試験における規格化プラトー応力［σｐｌ／（ρ／ρｓ）３／２］ｓｔａｔｉｃを分母（基準）とし、静的ひずみ速度から動的ひずみ速度にわたる各ひずみ速度εＭにおける規格化プラトー応力［σｐｌ／（ρ／ρｓ）３／２］ｄｙｎａｍｉｃを分子とする規格化プラトー応力の静動比を算出し、これらの静動比と気孔変形のひずみ速度εＭとの関係をプロットしたものである。
【００３３】
これらのデータの関係を示す関係式を求めると、次の（４）式が得られる。なお、（４）式において、ｘは気孔変形のひずみ速度εＭ、Ｃは材料定数であり、本実施形態ではＣ＝１．０３０である。
【００３４】
［σｐｌ／（ρ／ρｓ）３／２］ｄｙｎａｍｉｃ／［σｐｌ／（ρ／ρｓ）３／２］ｓｔａｔｉｃ
＝Ｃｅ７Ｅ−０５ｘ    …（４）式
【００３５】
このように、本実施形態による圧縮特性予測方法は、ポーラス金属としてクローズドセル構造のポーラスアルミニウムを対象とし、予め、まず、前記ポーラスアルミニウムからなる試験片について、ひずみ速度を１０−３のオーダーの静的ひずみ速度から１０１ｓ−１〜１０３ｓ−１のオーダーの動的ひずみ速度にわたる範囲で変化させて各ひずみ速度で圧縮試験を行い、その圧縮試験の結果を、ポーラスアルミニウムの変形機構を考慮した「気孔変形のひずみ速度εＭ」で整理して、前記ポーラスアルミニウムの規格化プラトー応力［σｐｌ／（ρ／ρｓ）３／２］と気孔変形のひずみ速度εＭとの関係を示すひずみ速度依存性データを求めておき、次いで、前記ひずみ速度依存性データから、静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力を基準として、規格化プラトー応力の静動比と気孔変形のひずみ速度との関係式（前記（４）式）を求めておくようにしている。
【００３６】
したがって、本実施形態による圧縮特性予測方法は、前記ポーラスアルミニウムについて所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を求めるにあたり、該所要の動的ひずみ速度でのプラトー応力を、当該ポーラスアルミニウムについて静的圧縮試験による静的ひずみ速度での規格化プラトー応力と前記関係式とに基づいて算出することができ、該動的ひずみ速度での圧縮試験を行うことなく適正に予測することができる。
【００３７】
なお、前記実施形態において前記（４）式の妥当性を検証するため、同様に試験評価した密度及び平均気孔径が異なる高密度材料での結果をプロットすると、（４）式についての評価が妥当であることが確認できた。そして、前記実施形態で示したポーラスアルミニウムとは異なる母材成分のポーラス金属であっても、前記材料定数Ｃを同定することによって、前記実施形態と同様の効果が得られることが期待できる。
【図１】
2011033581.tif 000002
【図２】
2011033581.tif 000003
【図３】
2011033581.tif 000004
【図４】
2011033581.tif 000005