(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却速度が一定のときの冷却中または加熱速度が一定のときの加熱中の鋼材試験片に曲げ荷重を与えたときのたわみ量を測定し、温度とたわみ量の関係を示すたわみ曲線に基づいて変態塑性ひずみを求めることを特徴とする鋼材の変態塑性ひずみの推定方法。
【請求項２】
変態塑性ひずみをεtrとしたとき、下記（１）式および（２）式に従って変態塑性ひずみを求める請求項１に記載の推定方法。
ｄεtr／ｄｔ＝Ａ・σn          ……（１）
但し、ｔ：時間、Ａ，ｎ：鋼種（組織）、温度、冷却速度（但し、冷却速度は一定）、
組織の体積分率および体積分率の変化率等によって決まる係
数、σ：曲げ荷重の夫々を示す。
ε＝εe＋εp＋εT＋εtr          ……（２）
但し、ε：全ひずみ、εe：弾性ひずみ、εp：塑性ひずみ、εT：熱ひずみ、εtr：変態塑性ひずみの夫々を示す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却または加熱過程における相変態に伴う鋼材の変態塑性ひずみの推定方法に関するものであり、詳細には、冷却中または加熱中における相変態に伴う鋼材のひずみ挙動と、それに付随する情報を即時に取得することができ、鋼材の強度評価や、応力、変形の予測の精度向上に反映させることのできる様な、新規な変態塑性ひずみの推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種鉄鋼製品の分野において、冷却時や加熱時に発生する製品の変形や応力（例えば、残留応力）等を予測することは、製品や製造工程を管理する上で重要な項目である。こうした鉄鋼製品の強度特性の評価は、これまで引張試験や圧縮試験等の試験法によって行われているのが一般的である。しかしながら、こうした試験法で得られた情報では、相変態温度領域における強度特性に関しては、正確に把握できないという問題があった。
【０００３】
即ち、相変態温度領域における強度特性を把握するためには、変態進行中に外荷重を受けることによって生じる変態塑性ひずみだけを単独で取り出す必要があるが、上記の様な試験法では、変態塑性ひずみと、変態に伴って生ずる膨張や圧縮によるひずみとを分離して取り出すことが困難であって、相変態温度域における鉄鋼製品の強度特性を正確に評価することができなかったのである。こうしたことから、変態に伴って生ずる膨張や圧縮によるひずみを分離した状態で、変態塑性ひずみだけを把握する方法の確立が望まれているのが実状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、簡便な方法で、しかも相変態時の膨張や収縮によるひずみを無視して変態塑性ひずみ量だけを正確に把握することのできる変態塑性ひずみの推定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成することのできた本発明方法とは、冷却速度が一定のときの冷却中または加熱速度が一定のときの加熱中の鋼材試験片に曲げ荷重を与えたときのたわみ量を測定し、温度とたわみ量の関係を示すたわみ曲線に基づいて変態塑性ひずみを求める点に要旨を有する変態塑性ひずみの推定方法である。
【０００６】
上記方法において、変態塑性ひずみを求める為の具体的な手段としては、変態塑性ひずみをεtrとしたとき、下記（１）式および（２）式に従って変態塑性ひずみを求めることが挙げられる。
ｄεtr／ｄｔ＝Ａ・σn          ……（１）
但し、ｔ：時間、Ａ，ｎ：鋼種（組織）、温度、冷却速度（但し、冷却速度は一定）、
組織の体積分率および体積分率の変化率等によって決まる係
数、σ：曲げ荷重の夫々を示す。
ε＝εe＋εp＋εT＋εtr          ……（２）
但し、ε：全ひずみ、εe：弾性ひずみ、εp：塑性ひずみ、εT：熱ひずみ、εtr：変態塑性ひずみの夫々を示す。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するために、様々な角度から検討した。その結果、上記の様に冷却中または加熱中の試験片に曲げ荷重を与えたときのたわみ量を測定する様にすれば、冷却中または加熱中の鋼材におけるひずみ挙動と、それに付随する相変態に関する情報を即時に取得することができ、こうした情報に基づけば変態塑性ひずみが容易に求めることができることを見出し、本発明を完成した。また、本発明方法によって推定された変態塑性ひずみの情報を採用し、有限要素法や差分法による応力予測プログラムに導入することによって、強度評価や、応力、変形の予測を精度良く行なうことができる。
【０００８】
図１は、本発明方法を実施する為の装置構成例を示す概略説明図であり、図中１は試験片、２は接触または非接触温度計、３はデータ収録・解析装置、４は円筒状の支持部材、５は重り、６は変位計を夫々示す。上記試験片１は、十分な支点間距離を持つ一対の支持部材で支持されており、支点間の中央位置に重り５がかけられている。
【０００９】
図１に示した装置構成において、試験片１は、高周波加熱や抵抗加熱による加熱炉によって加熱速度が制御されつつ加熱され、或は加熱後の冷却速度が制御されつつ冷却され、このときの試験片１の温度が接触または非接触温度計２によって測定され、接触または非接触温度計２によって測定された温度データは、データ収録・解析装置３に順次入力される。
【００１０】
そして、冷却中または加熱中における試験片１の中央位置のたわみ量（たわみ変形量）を変位計６で測定し、測定されたたわみ量はデータ収録・解析装置３に順次収納される。このたわみ量のデータは、上記温度データと合わせて、温度とたわみ量の関係を示す変化曲線（たわみ曲線）に換算される。尚、上記手順においては、たわみ量の測定と温度測定を同時に行なう場合を示したが、これらの測定は必ずしも同時に行なう必要はなく、要するに、たわみ量と温度の関係が明確であればよい。
【００１１】
上記の測定手順において、加熱または冷却の途中において相変態が生じる場合、たわみ曲線上に急激な変化が現れることから、相変態の発生温度、終了温度を的確に検出することができる。また、測定されたたわみ量は、その原理からして相変態時の膨張や収縮によるひずみ等の要素が入らない状態で測定されるものであるので、荷重の異なるたわみ曲線を比較することによって、変態塑性ひずみだけを分離した状態で正確に推定できるのである。
【００１２】
尚、本発明で対象とする鋼材は、冷却条件や圧延条件を制御することによって強度を付与する鋼材を想定したものであって、相変態を伴うものであれば特に限定されるものではなく、例えば炭素鋼，合金鋼（Ｍｎ鋼，Ｎｉ鋼等）等が挙げられる。
【００１３】
以下、実施例によって本発明の作用・効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００１４】
【実施例】
実施例１
０．１４％−Ｓｉ−Ｍｎ鋼を試験片として用い、前記図１に関連して説明した手順に従ってたわみ量を測定した。このとき、試験片１は、その形状が５×５×３００（ｍｍ）の角棒状のものと直径：５ｍｍ×長さ３００ｍｍの丸棒状の２種類を使用した。また、試験片１の温度は、直径：１．６ｍｍのシース熱電対を用いて測定し、測定点は角棒状の場合は板中央の表面、丸棒の場合は片側端部から中央に２０ｍｍの位置とした。尚、どちらの試験片１の場合も、各測定点の温度が試験片中央部の温度とほぼ一致することを確認した。
【００１５】
試験片１を電気炉内で加熱（１１００℃×１０分）し、全断面をオーステナイト化した後大気中に取り出し、支点間距離が２８０ｍｍの３点曲げ試験用台座に設置した。尚、支点部材４としては、外径：１０ｍｍの碍子管を用いた。
【００１６】
試験片１の設置と同時に、支点間中央の位置にフック状の治具で載荷し、荷重は０〜５Ｎとした。冷却時（放冷時）における試験片中央部のたわみ変形量を、反射型レーザ変位計６（角棒状試験片）または透過型レーザ変位計６（円棒状試験片）で測定し、たわみ量を動的に測定した。
【００１７】
図２は、荷重を３．９Ｎとしたときの材料のたわみ曲線（たわみ量と温度の関係）を示したものであり、冷却中のたわみ量の経時変化を測定したものである。図２から明らかな様に、冷却中にたわみ量が急激に大きくなる温度があることが分かる。このたわみ量の急激な増加は、オーステナイトからフェライト・パーライトへの相変態に伴う現象であり、その温度域（実施例では６００〜６５０℃）から、実験冷却速度における相変態開始温度、終了温度は夫々６５０℃および６００℃であることが分かる。
【００１８】
図３は、異なる荷重におけるたわみ曲線を比較して示したグラフである。この結果からも明らかなように、荷重を変えても前記図２とほぼ同様の傾向があることがわかる。
【００１９】
本発明者らは、たわみ量が荷重（応力）および変態の進行に依存していることを踏まえ、下記（１）式で定義される様な変態塑性ひずみεtrを定義した。
ｄεtr／ｄｔ＝Ａ・σn          ……（１）
但し、ｔ：時間、Ａ，ｎ：鋼種（組織）、温度、冷却速度、組織の体積分率および体積
分率の変化率等によって決まる係数、σ：曲げ荷重の夫々を
示す。
【００２０】
このとき、全ひずみ（ε）は、下記（２）式に示す様に、弾性ひずみ（εe）、塑性ひずみ（εp）、熱ひずみ（εT：変態膨張および変態収縮を含む）、変態塑性ひずみ（εtr）の総和となる。
ε＝εe＋εp＋εT＋εtr  ……（２）
【００２１】
一方、前記図１に示した様な３点曲げ試験における試験片１の作用モーメント（Ｍ１）の分布は、図４の様になることが知られている。尚、図４中、Ｐは過重、Ｕはひずみ量、Ｌは支点間距離を夫々示す。そして、各断面における抵抗モーメント（Ｍ２）は、下記（３）式の様に表わすことができる。
Ｍ２＝∫AσｙｄＡ        ……（３）
また、力の釣り合いから任意の断面において下記（４）式が成立する。
Ｍ１＝Ｍ２              ……（４）
【００２２】
試験片１の任意断面における全ひずみの板厚方向分布は、図５の様に表される（図中Ｙは板厚方向座標、Φは曲率を夫々示す）。任意断面における全ひずみの板厚方向分布が、図５の様に直線的に変化することを考慮すると、応力とひずみの関係が明らかなとき、各部の曲率、たわみが求まることになる。換言すれば、たわみ量が明らかなときには、前記（１）式において、係数Ａ，ｎを一意に決めることが可能になる。本発明はこの様な理論（「梁理論」と呼ばれている）を背景とするものである。
【００２３】
尚、冷却速度が一定であるとき、前記（１）式は下記（５）式の如く変換できる。
ｄεtr＝ＫσnｄＴ    ……（５）
但し、ｄＴは温度増分、Ｋは係数を夫々示す。
【００２４】
そして、実験結果から、Ｋを求めるとｎ＝１．０とすると、Ｋ＝３．４×１０-6となり［このとき前記Ａの値は１．１×１０-5（ＭＰａ・ｓｅｃ）-1となる］、異なる荷重条件下での変態塑性ひずみの推定が可能となる。
【００２５】
本発明者らは、上記の様にして推定される変態塑性ひずみを応用し、前記鋼材（試験片１）の残留応力について予測した。即ち、降伏応力−温度特性に変態塑性を考慮しないが、変態時のひずみ増分に対し、変態塑性ひずみ増分を付加した場合を想定し［例えば、「鉄と鋼」，vol．69，(1983)，S1274参照］、残留応力について計算した。その結果、予測された残留応力（計算値）は、穿孔法や切断法で求められた残留応力（実測値）とほぼ一致することが確認できた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、冷却中または加熱中の鋼材のたわみ量を測定することによって、相変態の検出が可能となると共に、変態塑性ひずみの算出式を求めることが可能となり、これによって求められた変態塑性ひずみを、有限要素法や差分法による応力予測プログラムに導入することによって、相変態を含む現象の変形予測精度の向上が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施する為の装置構成例を示す概略説明図である。
【図２】荷重を３．９Ｎとしたときのたわみ量と温度の関係を示すグラフである。
【図３】異なる荷重におけるたわみ曲線を比較して示したグラフである。
【図４】３点曲げ試験における試験片１の作用モーメント（Ｍ１）の分布を説明する図である。
【図５】試験片１の任意断面における全ひずみの板厚方向分布を説明する図である。
【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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