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純鉄の静的再結晶組織に及ぼす塑性ひずみの影響
純鉄の静的再結晶組織に及ぼす
東京工業大学工学院
塑性ひずみの影響

教授 吉野 雅彦

（一般研究開発助成）

吉野

雅彦 *M. Yoshino
キーワード：組織制御加工，微細塑性加工，鉄単結晶，材料特性，静的再結晶

キーワード：組織制御加工，微細塑性加工，鉄単結晶，材料特性，静的再結晶

１．研究の背景と目的
 近年の社会的課題であるエネルギー，環境，資源などの問題に対応するためには，素材の高強化や高機能化が重要な技術的課題となっている。このためには鉄鋼材料などの汎用の材料の特性を飛躍的に向上させる必要がある。
しかし合金化による材料特性の改良は，金属元素の供給の安定性やリサイクル性に問題が生じ易いという課題を抱えている。
 合金化に依らない金属材料の改質方法として結晶組織制

御が知られている。その一例として超微細粒鋼や方向性電磁図１ 実験及びシミュレーションに用いた試験片形状

鋼板などが挙げられる。しかしこれまでの結晶組織制御技



術は板材など一次素材の製造には利用されているが，複図２に引張試験をした後の試験片の ,3) マップの例を雑形状を有する機械部品には適用できない。機械部品の示す。試験片の元の結晶方位によっては斜め方向の剪断組織と材料特性を局所的に自在に変化させることが出来変形が見られ，結晶方位分布に偏りが生じていることがれば，機械部品の軽量化，設計自由度の拡大，生産コスト判る。また図３に３種の結晶方位の試験片の変形後の .$0の低減などに大きな効果が期待できる。しかし塑性加工値分布を示す。試験片の初期結晶方位によって .$0 値のによるひずみが組織変化に及ぼす機構はまだ不明な点が発達が大きく異なることが判る。.$0 値は転位密度に関係多く，経験的データの蓄積に基づく回帰的予測の範囲をあるパラメータと言われおり，この結果より変形による超えることは困難である。

転位の蓄積は結晶方位に依存することが判る。その後の

 そこで著者らは塑性ひずみが鉄鋼材料の組織変化に及熱処理により生じる再結晶核の発生，粒成長は結晶内にぼす影響を定量的に解明し，任意のひずみ履歴において蓄積された転位のエネルギーが駆動力になると考えられ生じる結晶組織を予測することを目指している。本報でており，静的再結晶過程も初期結晶方位に影響されるこは，合金成分を含まない純鉄の静的再結晶を対象とし，再とを示唆している。

結晶核発生，粒成長に及ぼす塑性変形の影響に関する検 図４に ℃で繰り返し熱処理したときの静的再結晶討について報告する。の例を示す。この例では約  分の焼鈍後に試験片の縁部分から再結晶核が発生し，成長していることが判る。発生

２．純鉄単結晶の静的再結晶機構の検討  

した再結晶粒の結晶方位は母材の結晶方位と全く異なる結晶内に蓄積された塑性ひずみがどの様に再結晶に影方位を有している。また再結晶核の発生位置は .$0 値の響するか定量的に検討するために，純鉄単結晶を用いて，高い部分（図３H）と必ずしも一致していない。試験片は正確な塑性ひずみを与え，熱処理により生じる再結晶過約  ㎜の厚さがあり，内部から発生している可能性が程を分析した。純鉄単結晶の丸棒（φPP× ㎜）を :('0ある。

にて厚さ  ㎜に３枚にスライスし，次いで図１のような引張試験片形状に加工した。これにより同じ結晶方位を有する３枚の試験片を作製した。また切り出し方向を変えることにより３通りの異なる結晶方位の試験片を作製した。専用の精密引張試験装置で引張試験を行い，その後，非酸化雰囲気で ℃で所定の時間焼鈍した。変形前後および焼鈍後の結晶組織を (%6' で分析した。
* 東京工業大学工学院

図２ 引張試験をした後の試験片の ,3) マップ教授
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セルのような微細構造を形成することによると考えられる。図４の再結晶核の発生位置は図６H の高 .$0 値部分と一致しており，.$0 値が再結晶核発生に関与していると考えられる。.$0 値が影響するということは，材料のマクロな変形量だけではなく結晶の変形様式も影響すると考えられるので，変形様式の違いの影響も検討する必要が有る。

図３ 引張試験をした後の試験片の .$0 値分布


図６ シミュレーションより求めた .$0 値分布

３．変形様式が静的再結晶に及ぼす影響   
変形様式の違いによる再結晶粒の生成状況の違いを検討するため，切削加工と圧延加工により予ひずみを与えた多結晶純鉄の再結晶組織を比較した。図７に示すように𝜙𝜙100 𝑚𝑚𝑚𝑚の純鉄丸棒を素材として，&1& 旋盤にて外周を二次元切削し帯状の切屑を取得した。一方，同素材から


図４ 熱処理による静的再結晶過程

厚3 𝑚𝑚𝑚𝑚×幅10 𝑚𝑚𝑚𝑚×長30 𝑚𝑚𝑚𝑚の板状試験片を切り出し， パスの平圧延を行った。これらの試験片をアルゴン雰囲気炉にて500 ℃で  分間の熱処理を行った。加工後および熱処理後の結晶組織を 6(0(%6' により分析した。



 表１にそれぞれの加工条件を示す。なお切屑試験片の剪断ひずみ𝛾𝛾は単純剪断面モデルに基づいた値であり，また圧延試験片の圧縮ひずみε𝐻𝐻 は公称ひずみで表している。

どちらも大ひずみなので +HQFK\ ひずみを用いることにより，相当ひずみはそれぞれ以下のように求まる。圧延試験片には切屑試験片の約  倍の大きな塑性ひずみが加わっていることが判る。
 

図５ 有限要素法解析モデルとシミュレーション例

√3

 

√3

圧延試験片 ̅̅̅̅𝜀𝜀𝑒𝑒𝑒𝑒 =
これらの試験片の変形を結晶塑性有限要素法解析と比1

切屑試験片 𝜀𝜀̅̅̅̅𝑒𝑒𝑒𝑒 =2ln2+𝛾𝛾2 +𝛾𝛾√𝛾𝛾2 +4𝐻𝐻

2= 1.53

𝑙𝑙𝑙𝑙 ( 1 ) = 2.76
𝐻𝐻2較した。引張試験における変形―荷重曲線との比較により結晶塑性有限要素法の材料パラメータを同定し，結晶変形，ひずみ分布，結晶方位の変化をシミュレートした。
図５に解析モデルとシミュレートした相当ひずみ分布の例を示す。結晶異方性の影響で非対称なひずみ分布が生じていることが判る。
 図６に結晶塑性有限要素法解析より模擬的に計算した.$0 値分布を示す。(%6' で測定した .$0 値分布 図  は試
験片中央部に .$0 値が広く分布しているのに対して，解析値では中央部は低い値を示している。これは解析にお
図７ 純鉄丸棒を用いた加工熱処理実験

ける要素分割の大きさと (%6' 分析における実際の計測ス


テップが非常に異なること，また実際の結晶変形は転位- 11 -

表  加工条件
切削加工

圧延加工

工具材種

:&&R

ロール径PP

すくい角𝛼𝛼°

ロール回転速度USP

切削速度

PPLQ

圧下率



切取厚さ𝑡𝑡0 

PP

圧延パス数



潤滑条件

'U\

潤滑条件

'U\

切屑厚さ𝑡𝑡𝑐𝑐 PPPP剪断角𝜙𝜙°

圧延前板厚𝐻𝐻1 剪断ひずみ𝛾𝛾

圧延後板厚𝐻𝐻2 PP

圧縮ひずみε𝐻𝐻 

図９ サブグレインの粒径分布



図８に切屑試験片と圧延試験片の ,3) マップを示す。
D の切屑試験片では細かいサブグレインが生成しているのに対して，（E）の圧延試験片では部分的に大きな結晶粒が残り，不均一な変形組織となっている。また大きな結晶粒内ではなだらかに結晶方位が変化している。
図９に両者のサブグレインの平均粒径の分布を示す。
切削試験片では殆ど 1µm 以下に集中しているのに対し，圧延試験片では 25µm まで広く分散している。明らかに切削加工は圧延加工より微細で均一なサブグレインの生成に効果的であることが判る。

D 切屑試験片     

図  にそれぞれの試験片の .$0 マップを示す。 D のE 圧延試験片

図  加工後の .$0 マップ

切屑試験片では多数の亜粒界が生成され，結晶方位差が亜粒界に集中したことにより，結晶粒内での .$0 値は比較的低くなっている。それに対して E  の圧延試験片では亜粒界が少なく，その分結晶粒内に .$0 値の高い部分が生じている。
図  に .$0 マップより求めた粒界角の割合の分布を示す。切屑試験片では大きな粒界角の割合が多いのに対して，圧延試験片では °近くに集中している。切屑試験片では大傾角粒界のサブクレインが多数生成したことを示している。
図  粒界角分布の比較図  にそれぞれの試験片を ℃で１分間熱処理した後の ,3) マップを示す。切屑試験片では均一で微細な再結晶組織が見られるのに対し，圧延試験片では所々に大きな再結晶粒が見られる。
図  に再結晶後の結晶粒径分布を示す。切屑試験片では約 3µm に高いピークがあり，殆ど 15µm 以下に集中してD 切屑試験片     いる。それに対して圧延試験片ではピークが低く 30µm 程E 圧延試験片

度まで広く分布している。このように粒径分布には明ら

図８ 加工後の ,3) マップ

かに異なる特徴がある。

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

D 切屑試験片

図 14 焼鈍時間に対する平均粒径の変化

切削試験片に加えられた塑性ひずみは圧延試験片に加えられた塑性ひずみより小さいにもかかわらず，均一で微細な再結晶粒径が生成したことになる。両者の熱処理条件は同じなので，切削加工の方が結晶粒微細化効果が大きかったと言える。これは図８，図９に示された変形組織の違いに起因していると考えられる。切削加工では結晶粒内に多数の亜粒界が生成され，そこから再結晶核が発生し，同時に多数の再結晶粒が成長したことにより，均一で微細な再結晶組織が生成されたと推察される。この(b)圧延試験片
図 12 焼鈍後（600℃１分）の IPF マップの比ように塑性ひずみの大小だけでなく加工方法が再結晶粒の生成状況に大きく影響している。


 微細変形組織の違いが生じた原因として，①変形域の寸法の違い，②変形温度とひずみ速度の違い，③変形様式

の違いが考えられる。
①変形域の寸法の違い：
 図  に示すように，切削加工では薄い剪断面で集中的な剪断変形が起こる。加工前の試験片を (%6' 分析したところ平均結晶粒径は約 80µm であった。一方，一般の切削条件における剪断面の厚さを本実験に当てはめると約24µm 程度と推定された。剪断面の上下は弾性域であり，結晶粒径より薄い剪断面内で大きな剪断変形が生じるた
め，結晶粒内が均一に塑性変形すると考えられる。それに対し圧延では，変形域が結晶粒より遥かに大きく結晶粒界でのすべり変形が生じ，結晶方位の回転が生じることが知られている。このため圧縮応力に対するテイラー因図 13 粒径分布の比較子の大きい結晶粒が優先的に変形し，テイラー因子の小さい結晶粒の変形が遅れ，結果的に結晶毎にひずみが不均一になると考えられる。

図  に焼鈍時間に対する平均粒径の変化を示す。粒成長は１分で終了し，切屑試験片は平均粒径約5 𝜇𝜇𝜇𝜇，圧延試験片は平均粒径約10 𝜇𝜇𝜇𝜇で飽和している。また切屑試

験片の粒径の標準偏差は圧延試験片の粒径の標準偏差より小さい。

- 13 -

ている。これは剪断変形では結晶内のすべり系の活動が活発であり，結晶内により多くの転位が蓄積することを示している。このような活発なすべり系の活動が図８のような緻密な変形組織の生成に寄与した可能性が考えられる。

単純せん断       平面ひずみ圧縮
図  単要素の結晶塑性解析モデル

図  圧延と切削における試験片の結晶方位データ

②変形温度とひずみ速度の違い：
 切削加工では薄い剪断面で瞬間的に塑性変形が起き，その剪断ひずみ速度は𝛾𝛾𝑠𝑠̇ = 1000~10000 s−1 に達するこ割合とが知られている。さらに塑性仕事が剪断面に集中するので，切屑は瞬間的に昇温する。本実験では，サーモグラ
フィによる測定および解析に基づき約 ℃まで昇温したと推定された。これに対して，圧延加工ではロール回転速度からひずみ速度𝜀𝜀̅𝑟𝑟̇ = 8.0 s−1 程度と推定された。切削加工に比べ  程度であり，温度上昇も ℃程度と考えられる。この様に切削加工と圧延加工でひずみ速度，変活動すべり系の数形温度とも大きく異なっており，これが変形組織内のサ

図 17 活動すべり系の数の比較

ブグレインの分布や結晶内の転位の蓄積量の差の原因となったことが考えられる。

③変形様式の違い：

４．まとめ

 切削では剪断変形が生じるのに対し，圧延では平面ひ１）純鉄単結晶の引張試験を行い，その変形を (%6' で分ずみ圧縮変形が生じる。そこで結晶塑性理論に基づき，図析した。結晶方位により結晶内の変形様式および転位密 に示す単要素のモデルの剪断変形と平面ひずみ圧縮変度分布が大きく異なることを示した。

形をシミュレートした。構成式には $VDUR の式，加工硬化２）結晶塑性有限要素法により純鉄単結晶試験片の変形

則には .RFNV0HFNLQJ の式を用い，材料パラメータは単をシミュレートし，.$0 値が再結晶核の発生位置に関連し結晶純鉄の引張試験と結晶塑性有限要素法解析との比較ている可能性を示した。

より定めた。すべり系は^`!および^`!の３）多結晶純鉄丸棒板を用いて，切削加工による剪断ひず 系とし，単要素の結晶方位をランダムに  通り選び，みを加えた切屑試験片と，強圧下した圧延試験片の変形逐次，活動すべり系，結晶方位，加工硬化を更新しながら組織を比較した。切屑試験片では均一で微細なサブグレ増分計算を行った。

インが生成したのに対して，圧延試験片では部分的に粗 図  に単純剪断と平面ひずみ圧縮における活動すべり大な結晶粒が残留し不均一な変形組織となった。

系の比較を示す。縦軸は  通りの異なる初期方位の結４）両試験片を焼鈍し再結晶させたところ，切屑試験片の晶のうち横軸に示すすべり系が活動した結晶の割合を表方が予ひずみが小さいにも関わらず，圧延試験片より微している。このグラフより明らかに単純剪断変形と平面細で均一な再結晶粒が生成した。

ひずみ圧縮では活動すべり系の数が異なっている。単純

５）切削による剪断ひずみが再結晶粒の微細化に有効な剪断変形では  のすべり系が活動した初期結晶方位の結理由として，塑性変形域の違い，ひずみ速度・加工温度の晶が ％ほど存在するのに対し，平面ひずみ圧縮変形で違い，変形様式の違いが考えられる。

は ～ のすべり系が活動している結晶が大多数を占め- 14 -

謝  辞[4]Fumihisa Nagashima, Yuki Nakagawa and Masahiko
Yoshino, Influence of Severe Plastic Deformation on

本研究には公益財団法人天田財団の研究助成により実施しました。ここに篤く感謝の意を表します。

Static Recrystallization Microstructure of Pure Iron,

Metals 2020, 10, 1320; doi:10.3390/met10101320, Metals

参考文献
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2020, 10, www.mdpi.com/journal/metals

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recrystallization through in-situ EBSD observation,

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Procedia Manufacturing 15 (2018) 1565–1572
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[3]

吉野雅彦，永島史悠，中川佑貴：塑性変形様式が多結晶粒内の微細変形組織に及ぼす影響，第 72 回塑性

[6]Fumihisa Nagashima, Yuki Nakagawa and Masahiko

Zichao Luo , Masahiko Yoshino, Motoki Terano, AkinoriYoshino, Numerical Analysis of Subgrain Formation

Yamanaka: Prediction of static recrystallization nucleation

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Luo,Yoshino, Yamanaka, Terano: Study on the impact ofof Materials Forming, (2022) 15:9, Published online: 02

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recrystallization through CP-FEM and in-situ EBSD

01652-0orientationonplastic

deformation

observation，塑性加工連合講演会,(2018/10/27-28,

熊本大学)

- 15 -2022,

https://doi.org/10.1007/s12289-022-