(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
双晶組織からなる金属材料に対し、双晶変形を一旦完了させた後に、少なくとも一部を曲げ変形させて部分的に双晶変形を戻すことを特徴とする湾曲部を有する金属製構造体の製造方法。
【請求項２】
双晶組織からなる金属材料で形成され、部分的に双晶変形が完了した湾曲部を有し、該湾曲部が弦方向の圧縮荷重により直線状に変形して耐圧縮強度が向上するようにしたことを特徴とする湾曲部を有する金属製構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、湾曲部を有する金属製構造体及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
湾曲部を有する金属製構造体において、予め形成された湾曲部に弦方向の圧縮荷重が作用すると、直線状のものに軸線方向の圧縮荷重が作用した場合に比較して、より小さな荷重でも座屈して遂には破壊する。この湾曲部の座屈や破壊を抑えるには、従来、断面積を増大したり、リブ等の補強手段を設けたりして湾曲部の剛性を高める手法が一般的に採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来の剛性増大手法では、スペースや重量の面での制約から剛性増大に限界があり、例えば偶発的な外力によって極端に大きな荷重が作用する場合に対応した高い剛性を確保することは必ずしも容易でない。もっとも、このような非常時には、ある程度の変形はやむを得ないものとし、少なくとも湾曲部の座屈を抑制し、または積極的に湾曲部を直線状のものに近づけることによって湾曲部の破壊を回避することができれば、それ相応の効果は得られる。
【０００４】
本発明は、このような発明者の知見に基づき案出されたものであり、その主な目的は、一時的な大荷重に対して少なくとも湾曲部の座屈や破壊を回避可能な構造を、スペースや重量の面での制約にさほど煩わされることなく簡易に実現することのできる湾曲部を有する金属製構造体及びその製造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】
このような目的を果たすために、本発明においては、湾曲部を有する金属製構造体を製造するにあたり、双晶組織からなる金属材料に対し、双晶変形を一旦完了させた後に、少なくとも一部を曲げ変形させて部分的に双晶変形を戻すものとした。また、湾曲部を有する金属製構造体の構成を、双晶組織からなる金属材料で形成され、部分的に双晶変形が完了した湾曲部を有し、該湾曲部が弦方向の圧縮荷重により直線状に変形して耐圧縮強度が向上するものとした。
【０００６】
Ｔｉ−Ｎｉ系形状記憶合金に代表されるマルテンサイト相で双晶組織をなす金属材料は、図５に示すように、応力の増大に伴って、弾性変形を起こす領域（図中の線ＯＡ）から、低剛性で変形回復を起こさない双晶変形の領域（図中の線ＡＢ）を一旦経た後、再度、高剛性な弾性変形を起こす領域（図中の線ＢＣ）に移行する。双晶変形の領域（図中の線ＡＢ）では、双晶の再配置（転位）が進行するため、再度弾性領域に移行した後に荷重を除くと、残留歪みが現れる（図中の点Ｄ）。この状態では、双晶変形を起こさせたのと同方向の荷重に対しては弾性変形を起こすが、逆方向の荷重では双晶変形が逆行する変形を起こし、残留歪みが減少する（図中の点Ｅ）。例えば、圧縮荷重で双晶変形を完了させて弾性領域（図中の線ＢＣ）に移行させた後に引張荷重が作用すると、低剛性な双晶変形を起こす。
【０００７】
したがって、前記の製造方法のように圧縮荷重を加えて双晶変形を完了させた後、この双晶変形を起こす圧縮荷重が作用していた方向と直交する向きに湾曲させると、湾曲部の外側部分に双晶変形を完了させた圧縮応力と逆向きの引張応力が発生し、双晶変形が戻る変形が生じる。他方、湾曲部の内側部分は弾性的に圧縮変形するのみで組織構造に変化がない。このため、湾曲部が、双晶変形が完了して弾性領域にある高剛性な部分と、双晶変形が戻って双晶変形領域にある低剛性な部分との概ね２層に分かれた組織構造となる。
【０００８】
このようにして部分的に双晶変形が完了した金属製構造体の湾曲部に弦方向の圧縮荷重が作用すると、湾曲部の外側の双晶変形戻り部が、これより剛性の高い湾曲部の内側の双晶変形完了部に比較して大きく圧縮変形する結果、湾曲部が曲げを戻す向きに変形し、つまり真直な形態になる。このため、直線状のものと略同等の耐圧縮強度が得られる。
【０００９】
以上のように金属製構造体の湾曲部を部分的に双晶変形が完了した組織構造とするには、前記の製造方法によるのが簡便であるが、この他、次のような製造方法によっても可能である。
【００１０】
双晶組織からなる金属材料のうち形状記憶合金は熱を加えることにより双晶変形を戻すことができることから、この種の金属材料にて形成されて全体的に双晶変形が完了した状態にある湾曲部を部分的に加熱して双晶変形を戻すものとすれば、前記と同様に双晶変形が完了した高剛性な部分と双晶変形が戻った低剛性な部分とに分かれた組織構造を得ることができる。また、金属材料に偏荷重を加える等して部分的に双晶変形を完了させ、双晶変形が完了した部分と未了な部分とが湾曲部に併存するような態様で金属材料を所要の湾曲形状に削成するものとしても、同様に低剛性な部分と高剛性な部分とに分かれた組織構造を得ることができ、弦方向の圧縮荷重により直線状に変形して耐圧縮強度が向上するものとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明が適用された湾曲部を有する金属製構造体の製造状況を段階的に示している。ここでは、まず（ａ）に示すように、双晶組織からなる金属製棒材１に対し、双晶変形を完了可能な所定値以上の圧縮荷重を軸線方向に加えた後、（ｂ）に示すように、軸線に直交する線上に中心をおく適宜な曲率の湾曲形状にその略全長に渡って曲げ変形させる。この圧縮並びに曲げの両工程は常温で行われる。なお、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金では、通称低温相と呼ばれる温度領域である。
【００１３】
図１（ａ）に示した圧縮工程では、双晶変形により残留歪みλが生じて棒材１の全長が僅かに短縮する一方で、棒材１全体が双晶変形を完了した高剛性な組織構造となる。（ｂ）に示した曲げ工程では、棒材１が湾曲して撓みδが生じる一方で、前段の圧縮工程における棒材軸重方向の圧縮応力と逆向きの引張応力が曲げの外側部分に発生するため、この部分に双晶変形が戻る変形が生じる。他方、曲げの内側部分は弾性的に圧縮変形するのみで組織構造に変化はなく、双晶変形が完了したままである。これにより、棒材１は、低剛性な双晶変形戻り部２と高剛性な双晶変形完了部３との２層に分かれた組織構造となる。このとき、圧縮側に比較して引張側の歪みが大きく、曲げ加工時の中立面が棒材１の中心軸より圧縮側に移動するため、双晶変形完了部３に対して双晶変形戻り部２が大きな割合で形成される。
【００１４】
このように圧縮並びに曲げの両工程を経て弧状に成形された棒材１に対して、図２（ａ）に示すように、弦方向に圧縮荷重を加えると、双晶変形完了部３に比較して剛性の低い双晶変形戻り部２が圧縮変形する結果、圧縮荷重による曲げモーメントに抗して曲げを戻す向き、すなわち曲率が小さくなるように棒材１が変形を起こす。
【００１５】
この曲げが戻る現象の原理を、以下に詳しく説明する。図３は、棒材１に弦方向の圧縮荷重を加えたときの状況をモデル化したものである。ここでは、弦方向の圧縮荷重に起因する集中荷重Ｆと曲げモーメントＭとが梁１１に作用すると共に、双晶変形完了部３並びに双晶変形戻り部２のヤング率Ｅ1、Ｅ2に対応した相異なるばね定数ｋ1、ｋ2を有する一対のばね１２・１３で梁１１が支持されている。梁１１の長さは棒材１の径に相当し、双晶変形完了部３並びに双晶変形戻り部２の構造中心に対応する位置にばね１２・１３の支点が設定されている。
【００１６】
集中荷重Ｆの作用線からばね１２・１３の各支点までの距離をｌ1、ｌ2、ばね１２・１３の撓み量を表す各ばね支点の変位量をｘ1、ｘ2、集中荷重の作用点の変位量をｘ0とすると、力並びにモーメントの各つり合い条件から次の２つの式が得られる。
−ｋ1・ｘ1−ｋ2・ｘ2＝Ｆ
ｋ1・ｘ1・ｌ1−ｋ2・ｘ2・ｌ2＝Ｍ
この２つの式に、変位量ｘ1、ｘ2、ｘ0と回転角θとの関係から得られる、
ｘ1＝ｘ0−ｌ1・θ
ｘ2＝ｘ0＋ｌ2・θ
の２つの式をそれぞれ代入すると次式が得られる。
−（ｋ1＋ｋ2）・ｘ0−（ｌ1−ｌ2）・θ＝Ｆ
（ｋ1・ｌ1−ｋ2・ｌ2）・ｘ0
−（ｌ12＋ｌ22）・θ＝Ｍ
この２つの式をもとに、双晶変形戻り部２と双晶変形完了部３とのヤング率の比Ｅ1／Ｅ2＝５、曲げモーメントＭ＝Ｆ／２として、回転角θを算出すると、図４に示すグラフが得られる。
【００１７】
この図４から明らかなように、双晶変形完了部３の割合が所定値（約３０％）より小さくなると回転角θが正の値を示す。すなわち、前記の条件で棒材１に圧縮荷重を加えると、曲げの外側の双晶変形戻り部２が圧縮変形し、棒材１の曲率が小さくなることが分かる。
【００１８】
このようにして棒材１の曲げが戻る現象が発生するが、このとき、双晶変形戻り部２に生じる圧縮応力によって双晶変形が進行するため、棒材１の曲率が小さくなるのに従って、双晶変形戻り部２が減り、他方、双晶変形完了部３が拡大し、棒材１の見かけ剛性が曲げの回復に伴って増大し、遂には、図２（ｂ）に示すように、最初の加工工程である圧縮加工を施した段階で得られる真直で全体的に双晶変形が完了した状態となり、圧縮荷重に対して高い強度が得られる。
【００１９】
以上、湾曲部を有する金属製構造体の単純な例として略全長に渡って同一曲率で湾曲させた棒材１について説明したが、実際に構造体に適用するにあたっては、その構造体に応じて所要の形状に形成される。例えば、湾曲部が板状をなす場合には、この部分全体を本発明による方法で高強度化する他、予め本発明による方法で高強度化された帯板状の金属部材と従来の金属部材とを交互に配置して板状に形成した構成としても良い。
【００２０】
【実施例】
実際に前記の要領で、湾曲した棒材１を製作すると共に、この棒材１に対して弦方向の圧縮荷重載荷試験を行った結果を次に示す。なお、以下の各操作は室温２２℃で実施したものである。
【００２１】
棒材１は、Ｔｉ５０−Ｎｉ４０．８−Ｃｕ９．９の形状記憶合金からなり、加工前の初期状態で、直径ｄが５ｍｍ、長さｌが３５．７ｍｍの円柱状をなしていた。この棒材１に対し、まず、図１（ａ）に示したように軸線方向に双晶変形が完了可能な圧縮荷重を加えたところ、ｌ−λが３４ｍｍとなり、１．７ｍｍ（全長に対して約５％）の残留歪みλが生じた。ついで、図１（ｂ）に示したように曲げ変形を加えたところ、ｄ＋δが７．５６ｍｍとなり、２．５６ｍｍの撓みδが生じた。
【００２２】
この棒材１に対して、図２に示したように弦方向の圧縮荷重を加えたところ、棒材１の曲げが徐々に戻り、その結果、ｄ＋δが６．４ｍｍになり、撓みδが１．４ｍｍに縮小した。この曲げの回復は肉眼でも明瞭に判別可能であった。
【００２３】
【発明の効果】
このように本発明によれば、金属製構造体の湾曲部を、これを弦方向に押し潰す圧縮荷重に対して曲げを戻す変形を生じて直線状の部材と略同等の強度を発揮し得る構造とすることで、一時的な大荷重に対して容易に破壊することのないみかけ剛性の高いものとすることができる。しかも、断面形状が単純化でき、設計自由度が比較的高く、スペースや重量面での制約にさほど煩わされずに済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】ａ及びｂからなり、本発明が適用された曲がり部を有する金属製構造体の製造状況を段階的に示す概念図である。
【図２】ａ及びｂからなり、図１に示した製造方法によって得られた曲がり部を有する金属製構造体に圧縮荷重を加えた状況を示す概念図である。
【図３】図２に示した圧縮荷重載荷状態における曲げ戻り現象の原理を説明するためのモデル図である。
【図４】金属製構造体に形成された双晶変形完了部の割合と図３に示した回転角との関係を示すグラフである。
【図５】双晶組織よりなる金属材料における応力と歪みとの関係を概念的に示すグラフである。
【符号の説明】
１  棒材
２  双晶変形戻り部
３  双晶変形完了部
１１  梁
１２・１３  ばね
【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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