(57)【要約】【課題】供用中に弾性範囲を超える負荷が与えられても脆性破壊の発生を回避できる鋼冷間加工品を提供する。【解決手段】製品形状に冷間加工された際の加工歪みを保持したまま供用され、供用中に該冷間加工部に弾性限を越える大きな塑性歪を受ける鋼冷間加工品において、前記冷間加工部表面に脆性破壊を防止するための深さ０．０１ｍｍ以上、かつ長さ１ｍｍ以上の歪局所化溝が複数配設されていることを特徴とする、耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品形状に冷間加工された際の加工歪みを保持したまま供用され、供用中に該冷間加工部に弾性限を越える大きな塑性歪を受ける鋼冷間加工品において、前記冷間加工部表面に脆性破壊を防止するための深さ０．０１ｍｍ以上、かつ長さ１ｍｍ以上の歪局所化溝が複数配設されていることを特徴とする、耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
【請求項２】
前記歪局所化溝がその表面に配設されている冷間加工部の加工歪みが、相当塑性歪で２％以上の歪であることを特徴とする、請求項１に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
【請求項３】
前記歪局所化溝は、その個々の寸法が、深さで０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下、長さで１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、幅で０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の寸法を有し、かつ、その長さ方向が負荷を受ける方向に対し概ね直角となる方向を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
【請求項４】
前記歪局所化溝は、長さ方向には互いに１ｍｍ以上５ｍｍ以下の間隔を有し、かつ幅方向には互いに０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の間隔を有するように配設されていることを特徴とする、請求項３に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品に関し、特に、冷間加工により成形された厚みが概ね６ｍｍ程度以上の鋼冷間加工品であって、供用中に弾性範囲を超える負荷が与えられても脆性破壊の発生に対する抵抗力を高めた鋼冷間加工品に関するものであって、本発明は、産業上、建築、土木、造船、タンク、圧力容器、機械部品などの幅広い分野において価値の極めて高い発明である。
【０００２】
【従来の技術】
建築、土木、造船、タンク、圧力容器、機械部品などの産業分野で多用される厚手鋼材の加工製品は、曲げ加工などの冷間加工を受けた冷間加工部に、冷間加工後、熱処理が施されることはあっても、さらに機械的な表面加工が施されることは稀であり、塗装がなされ完成するのが一般的である。
冷間加工部は、無加工の場合に比較して強度が上昇し、破壊靱性が低下しているため、弾性変形を越える大きな歪が生じた場合には、脆性破壊する可能性が高まることが知られている。例えば、１９９７年に半田らが「材料とプロセス」に報告している引用文献１において、鉄骨部材が座屈によって大きな塑性変形を受けた後に逆方向の負荷を受け脆性破壊を起こした事例が示されている。
【０００３】
このような鋼材の脆性破壊を防止するためには、（１）冷間加工部の傷を少なくする、（２）素材の破壊靱性を向上させ、冷間加工による破壊靱性の低下が起こっても脆性破壊の防止に十分な破壊靱性を確保する等の対策が考えられる。上記対策（１）について、例えば引用文献２では、０．０５ｍｍ以上の表面粗さは許されておらず、けがき線やポンチの傷も完成後には残すことができない。
【０００４】
上記対策（２）について、鋼材の破壊靱性の管理指標としてのシャルピー衝撃値が規定されることがある。例えば、上記、引用文献２の道路橋示方書（Ｉ共通編・ＩＩ鋼橋編）・同解説では、冷間曲げ加工を受ける鋼材のシャルピー衝撃値と化学成分の窒素が規定されている。そこには板厚の５倍以上の内側半径となる曲げ加工を受ける場合、ＪＩＳ　Ｚ　２２４２に規定されるシャルピー衝撃試験の結果が２００Ｊ（＝２０．４ｋｇｆ・ｍ）以上かつ鋼中の窒素が０．００６質量％以下と素材の特性で規定されており、部材全体に高靱性鋼材を用いる必要がある。
【０００５】
【引用文献】
（１）引用文献１（講演論文「兵庫県南部地震により座屈した鋼材の脆性破壊発生機構」）
（２）引用文献２（平成８年１２月に社団法人の日本道路協会から発行されている道路橋示方書（Ｉ共通編・ＩＩ鋼橋編）・同解説）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記対策（１）のような冷間加工を受けた製品の粗さや傷の検査を行った結果明確な傷がなくても、前述したように弾性限を越える大きな歪を受けた冷間加工部は脆性破壊する場合があるため、脆性破壊に対する防止効果は限定的である。また、上記対策（２）では、破壊靱性の高い鋼材は高価であり、冷間加工を受けない部分の破壊靱性を必要以上に高くする必要があり合理的でない。そこで、本発明は、製品の冷間加工部の傷の検査レベルを従来と変えることなく、また、冷間加工を受けない素材部の破壊靱性を必要以上に上げることなく、供用中に弾性限を越える大きな歪を受ける冷間加工部からの脆性破壊に対する抵抗を高めた鋼冷間加工品を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼材の脆性破壊の発生と延性き裂の発生特性の研究を進めた結果、鋼製品の冷間加工部表面に所定の寸法の傷を所定の間隔で加工することによって、部材の断面をほとんど減少させることなく、脆性き裂の発生に対する抵抗を大きく向上させることができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものであって、その要旨とするところは、下記のとおりである。
（１）製品形状に冷間加工された際の加工歪みを保持したまま供用され、供用中に該冷間加工部に弾性限を越える大きな塑性歪を受ける鋼冷間加工品において、前記冷間加工部表面に脆性破壊を防止するための深さ０．０１ｍｍ以上、かつ長さ１ｍｍ以上の歪局所化溝が複数配設されていることを特徴とする、耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
【０００８】
（２）前記歪局所化溝がその表面に配設されている冷間加工部の加工歪みが、相当塑性歪で２％以上の歪であることを特徴とする、上記（１）に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
（３）前記歪局所化溝は、その個々の寸法が、深さで０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下、長さで１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、幅で０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の寸法を有し、かつ、その長さ方向が負荷を受ける方向に対し概ね直角となる方向を有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品。
（４）前記歪局所化溝は、長さ方向には互いに１ｍｍ以上５ｍｍ以下の間隔を有し、かつ幅方向には互いに０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の間隔を有するように配設されていることを特徴とする、上記（３）に記載の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、鋼材の脆性破壊の発生と延性き裂の発生に関する研究を進めるうちに、冷間加工を受けた鋼部材であって０．０１ｍｍ以上の深さの傷が無い表面がなめらかな部材の曲げ試験において、部材の表面に深さ０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の１つの溝を加工した場合には脆性破壊が起こり易くなる場合があるものの、同様の溝を複数表面に加工した場合には、延性き裂が発生し易くなり、その結果、部材表面応力が低下して溝以外の部分の表面歪が低下するため、脆性破壊が起こりにくくなることを実験的に確認した。
【００１０】
この現象は、次のように説明される。（ａ）弾性限を越える負荷により溝のある部材の表面の応力分布が溝の部分で応力集中を起こし、溝の部分だけに塑性歪が集中する。（ｂ）溝の部分への歪集中により延性き裂が発生し進行するが、溝の深さが浅いため、深さ方向の進行より溝の幅の拡大の方が顕著となる。（ｃ）このため溝の先端が鋭くなりにくく、脆性破壊の原因となる溝の先端の応力集中が制限される。（ｄ）さらに、同様の溝が多数ある場合には同様の条件の溝が近傍に多数存在するため、傷の幅の拡大による巨視的な表面歪の解放が起こるため溝を加工した部位の応力が低下する。（ｅ）これらの効果が複合して、脆性破壊が防止できるものと考えられる。
【００１１】
そこで、表面に加工する溝（歪局所化溝）の寸法と間隔について鋭意検討し、所定の寸法で脆性破壊防止の効果が高いことを実験的に確認した。その結果、図１に示す耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品の例である。さらに、冷間加工部の表面応力を低減させるという本発明の効果を十分に発揮できるよう本発明者らが鋭意検討した結果、歪局所化溝の形状や間隔に関しては、図４のｇ、ｈに示すような実施形態が最も好ましいものであることも判明した。その詳細は次の通りである。
【００１２】
（１）歪局所化溝の深さ
歪局所化溝の深さＤは、０．０１ｍｍ未満では応力集中の度合が低く延性き裂の起点となる確立が極端に低くなるため、０．０１ｍｍ以上の深さが必要である。深さの上限については、本発明の効果が得られるかぎり特に限定する必要はないが、部材の形状や鋼の材質によっては歪局所化溝の応力集中度を低めに管理すべき場合もあるため、そのような場合は深さ０．２ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００１３】
（２）歪局所化溝の長さ
歪局所化溝の長さＬは、１ｍｍ未満では冷間加工部の歪の緩和の度合いが小さく脆性破壊防止効果を期待できないためＬは１ｍｍ以上とする必要がある。長さの上限については、本発明の効果が得られる限り特に限定する必要はない。ただし、特に歪勾配のある部位では、長すぎると一つの歪局所化溝に歪が集中することがあるため、１０ｍｍ以下に限定する方が好ましい。
【００１４】
（３）歪局所化溝の幅
歪局所化溝の幅Ｗは、大きくなると溝としての形状の効果は薄れるが、溝の片側が段差形状として依然として応力集中に寄与するので、本発明の効果が得られる限り特に限定する必要はない。ただし、部材形状や供用中の歪分布などにより、あまり溝の幅を大きくすると、延性き裂の起点になりにくくなり、本発明の効果が得られなくなる場合は０．５ｍｍ以下とするのが好ましい。特に、歪局所化溝が浅い場合には幅も小さくするのが望ましい。また、溝加工の上からは、幅０．０１ｍｍ以上が好ましい。
【００１５】
（４）歪局所化溝先端形状
歪局所化溝の先端形状は特に限定しないが、著しい鈍角もしくは大きな円弧状の場合には延性き裂が発生しにくくなり本発明の効果が低下するので、できるだけ鋭く加工するのが望ましい。
【００１６】
（５）歪局所化溝の間隔
複数の歪局所化溝同士の間隔ｄについては、本発明の効果が得られる限り特に限定する必要はない。ただし、特に歪集中の大きな部位では、歪局所化溝の長さ方向の間隔が５ｍｍ超、または、歪局所化溝の直角方向の間隔が２ｍｍ超では、複数の歪局所化溝を配設しているにも拘わらず、特定の歪局所化溝のみに歪が集中して脆性破壊を助長する危険性が高まるため、歪局所化溝の長さ方向には５ｍｍ以下、歪局所化溝の直角方向には２ｍｍ以下の間隔を持たせるのが望ましい。また、溝加工の上からは、歪局所化溝の長さ方向には１ｍｍ以上、歪局所化溝の直角方向には０．２ｍｍ以上の間隔を持たせるのが望ましい。
【００１７】
（６）歪局所化溝の加工の範囲
歪局所化溝の溝加工の範囲Ａは、作用する応力が集中する部位を中心に鋼板の厚さの３倍程度以上であれば良いが、応力集中が予め明確でない場合には２％歪以上の加工を受けた冷間加工部全域に溝加工するのが望ましい。また、圧縮による冷間加工により鋼材表面に皺状の凸凹ができている場合にはこの皺を削除してからあらためて溝加工することが望ましい。
【００１８】
歪局所化溝を設ける方法は、本発明では特に規定しない。実用的な具体的方法としては、けがき針等で部材に所定の歪局所化溝を加工することや、工場等での多量生産の場合にはあらかじめ部材の寸法に応じて多数の加工爪をつけた治具を製作し、部材にこすりつけることにより歪局所化溝を加工する方法などが考えられる。本発明の効果を最大限に発揮させるためには、それぞれの歪局所化溝に均等に歪の局所化をさせることが望ましいため、歪局所化溝の大きさをできるだけそろえておくことが望ましい。
【００１９】
なお、歪局所化溝の方向は作用応力に対して直角であることが望ましいが、両者のなす角度が４５°以上９０°未満であっても発明の特性上ある程度の効果が期待できる。また、主応力方向が２方向以上想定される場合には、それぞれの方向に対して歪局所化溝の加工を行うことにより本発明の効果を発揮することができる。本発明を適用できる材料の素材は鋼材全般であるが、一つの歪局所化溝への集中を避けるため、加工硬化のある材料の方が効果が大きく、降伏応力８００Ｎ／ｍｍ２以下、かつ、引張強さと降伏応力の差が５０Ｎ／ｍｍ２以上である鋼材が望ましい。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例として以下の方法で行った冷間加工部材の曲げ試験結果の例を取り上げて説明する。
（１）冷間加工を行った部材は、板厚３５ｍｍのＪＩＳ　Ｇ　３１０６　ＳＭ４９０Ｂ材であり、図２に示すこの材料から試験片４を切り出し、冷間加工をする部分５は粗さ区分値１．６−Ｓで加工した。この試験片を先端の曲率半径Ｒが２０ｍｍのポンチ６を用いて図３の様に三点曲げにより６０°角度まで曲げによる冷間加工を行った。なお、試験片の内側にはポンチの押し傷が付かないように銅板８で保護した。
【００２１】
（２）冷間加工後、冷間加工部内側にけがき針を用いて図４に示すようなパターンａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉの歪局所化溝の加工を行った。パターンａは歪局所化溝一本のみ、パターンｂは歪局所化溝３本を３ｍｍ間隔に、パターンｃは歪局所化溝１０本を１ｍｍ間隔にした。パターンｄ、パターンｅ及びパターンｆはパターンｃの歪局所化溝を断続的にし、歪局所化溝の長さ方向の間隔をそれぞれ１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍとした。さらにパターンｇ、パターンｈ、パターンｉではそれぞれパターンｄ、パターンｅ及びパターンｆの歪局所化溝を互い違いに加工した。なお、歪局所化溝の長さは３ｍｍとし、深さは０．０３ｍｍから０．０６ｍｍであった。
【００２２】
（３）次に、試験片を図５の様に三点曲げにより、逆方向負荷を行い脆性破壊性能を確認した。
（４）実験の結果を表１にまとめて示す。パターンａが脆性破壊し、他は脆性破壊せず表面に延性き裂の発生が確認できた。パターンｂでは３ｍｍ程度の特に深い延性き裂が発生したが、パターンｃ〜ｉでは延性き裂が１ｍｍ以下のごく浅いものであった。
【００２３】
【表１】
2004130321.tif 000003
【００２４】
（５）パターンｄ、ｅ、ｆの比較ではパターンｆの延性き裂深さが相対的に大きいが、いずれも歪局所化溝の開口が小さく表面応力の緩和が小さいと考えられる。また、パターンｇ、ｈ、ｉの比較ではパターンｉの延性き裂深さが相対的に大きく、パターンｈでは隣の歪局所化溝から発生した延性き裂とつながる場合があった。またパターンｄとｇ、パターンｅとｈ、パターンｆとｉの比較ではそれぞれ後者の方が歪局所化溝の開口量が大きい結果となった。
【００２５】
（６）以上の実験から、脆性破壊が発生しなくても大きな延性き裂が生じる条件では断面積の減少が懸念されるため延性き裂深さや長さ方向の進展の小さいものが望ましく、表面応力の緩和のためには歪局所化溝の開口が必要であることから最も有効な歪局所化溝のパターンはｈであることを確認したが、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｉの歪局所化溝も大きな延性き裂の発生もなく脆性破壊防止に効果があることがわかった。ｂ、ｃについては脆性破壊防止の効果は見られたものの延性き裂が進展したため望ましくない。これらの結果を基に歪局所化溝の寸法、分布形態を限定した。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、大地震などによる大きな負荷が冷間加工により製造された鋼構造部材にかかった際、応力の集中する冷間加工部に浅い延性き裂を多数分散させて発生させることにより応力の集中を低減し、脆性破壊の発生を防止することができ、構造物の破壊安全性を高めることができる。
さらに、本発明が開示する歪局所化溝は、極めて浅いため、材料強度の部材断面に影響を与えないため、溝加工を行わない場合とで構造設計に影響を与えずに脆性破壊性能を向上させることができる。したがって、本発明は、産業上、特に建築、土木、造船、タンク、圧力容器、機械などの幅広い産業分野において価値の極めて高い発明であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐脆性破壊特性に優れた鋼冷間加工品の例を斜視図で示す図である。
【図２】本発明の実施例で用いた鋼冷間加工品の加工前の素材形状を斜視図で示す図である。
【図３】本発明の実施例で行った冷間加工を正面図で説明する図である。
【図４】本発明の冷間加工部に加工した歪局所化溝のパターンの例を説明する図である。
【図５】本発明の実施例の逆曲げによる破壊試験を正面図で説明する図である。
【符号の説明】
１　鋼冷間加工品
２　歪局所化溝
３　鋼冷間加工品が供用中に受ける負荷の方向
４　実施例の試験片
５　歪局所化溝を加工する部位
６　ポンチ
７　曲げ試験機受け（ダイス）
８　銅板
９　冷間加工時の曲げ負荷方向
１０　逆曲げ負荷方向
【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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