Review

高強度鋼に優れた高速温間塑性変形特性を付与する
組織設計指針の確立
高強度鋼に優れた高速温間塑性変形特性を物質・材料研究機構 構造材料研究拠点
付与する組織設計指針の確立

主幹研究員 上路 林太郎

（平成  年度一般研究開発助成$)）

上路林太郎 *

R. Ueji
キーワード：高強度鋼，高速変形，温間変形，金属組織，引張試験，絞り

キーワード：高強度鋼，高速変形，温間変形，金属組織，引張試験，絞り

１．研究の目的と背景

る．こうした塑性加工プロセスの技術革新の優位性をさら 環境問題や世界各国における技術力の向上といった社に引き出すための視点が新素材研究に必要である．特に，

会情勢変化に応じて，鉄鋼材料の開発研究競争は激化して二次加工において変形速度や温度制御が積極的に利用さいる．日本では加工・熱処理による材質改善に関する研究れつつある状況の中，新素材の成形性調査もあって然るべが種々の大型国家プロジェクトとして展開され，℃近きである．

傍の温間域加工の利用や．温間テンプフォーミングと称さ 前述の温間テンプフォーミングのような新しい組織設れる塑性加工プロセスによる金属組織の異方性制御を通計指針により得た新素材の温間域変形挙動は，これまでのした靭性向上の達成など，新しい組織制御指針に基づく新炭素鋼とは異なる挙動を示す可能性がある．しかし，そも素材が生みだされている ）．

そも鋼の高速塑性変形研究は降伏点近傍の強度のひずみ

 競争力の高い新素材であるためには，単に高強度を有す速度依存性に終始することが多く，加工性の指標となる絞るだけでは不十分であり，延性などの塑性変形特性が優れりなどの報告がほとんど見当たらないのが現状である．そていることも求められる．特に近年ではサーボプレスが普のため，高速温間塑性変形特性と材料組織との相関を明ら及し，高速化に加えて変形速度の精密制御が可能となってかにできれば，これまで知られていない高強度鋼に優れたいる．また，ホットスタンプに代表される二次加工時の加高速温間塑性変形特性を付与する組織設計指針が得られ熱を利用した金属組織の作りこみも開発・実用化されているはずである．

図１ 高温高速引張試験機のレイアウトを示した模式図(a)と電気炉周辺の実物外観(b)* 物質・材料研究機構

構造材料研究拠点

主幹研究員- 56 - そこで本研究では，温間域において高速度での引張試験に取りつけられた荷重検出用のひずみゲージ設置部はが実施可能な実験系を構築し，温間テンプフォーミング等常に常温に保つことができる．一方で，出力棒に取りによる微細粒組織化など，塑性加工を利用して組織制御さ付けた冷却装置は高速打撃を与える際も外さずそのまれた低合金高強度鋼の塑性変形特性（とくに絞り）の温間まにするため，これに起因する入力波形に乱れが生じ域ひずみ速度依存性と金属組織の関係を明らかにするこる可能性があることが弱点である．とを目的とした．

・レーザー変位計：試験片のゲージ部両端に直接取り

２．実験方法付けた反射板を利用して，二台のスポットレーザー変 ・ 実験装置の概要

位計により試験片変位を高サンブリング速度で計測で 材料の高速変形特性は，静的試験とは異なり慣性力の影きるようにした．レーザー変位計を用いるために，電響を無視できないため，その影響を考慮した試験機系が必

気炉体（耐火物）と水冷装置に ｍｍ幅程度の小さな要になる．従来の高速変形特性試験で，最も広く用いられ溝を加工し測定ビームパスを確保した．加工幅を必要ている方法は，ホプキンソンバー法と称される大きな長さ最低限としたため，電気炉内部の保温状態に溝加工のを有する入力棒と出力棒を用いる方法である ．この方法影響はほとんど無かった．また，レーザー変位計の応により種々の金属材料の高速変形特性が調査されている．

答遅れは装置のマニュアルに記載されている情報およ

しかし，室温以上の高温における当該試験機系の適用は，び室温における応答状況から補正した．
（今回の研究に試験機系を構成する材料の弾性率温度依存性の問題などおける高速変形測定条件では応答遅れは ｍVHF でから，その例は極めて限定的である．そこで本研究では、あった．）

ホプキンソンｰコルスキーバー法をベースとして，高温高速試験を実現できる試験機系の構築に取り組んだ．

・試験片：試験片は直径 ｍｍ×長さ ｍｍのゲージ

 本研究で構築した試験機系は図１に示すような構成を部を有する丸棒試験片とした．丸棒試験片とすること有している．既存の縦型スプリットホプキンソンバー試験により，加工性の重要な指標となる絞りの測定が可能機に対して，電気炉と冷却機構およびレーザー変位計を設となる．

置することにより大気中の高温高速引張試験を実現した．

主な特徴は以下の通りである．

なお図には示していないが，試験片の平行部近傍に熱電対

を設置して測定した温度を試験温度とした．また，荷重（出・水冷装置： 入力棒および出力棒に水冷装置を新設

力棒ひずみゲージ）およびレーザー変位計のデータはアナし，加熱部以外の温度が常温となるようにした．水冷

ログ信号として単一のデータロガーにより高速サンプリ

装置は鋼片に直径 ｍｍ程度の直線穴を切削加工し，ングした．

その内部にチラーから供給される循環水が流れるだけ ・ 測定試料および試験条件の簡単なものである．水冷装置の設置により，出力棒

 0.15wt%C-0.3%Si-1.5%Mn-bal. Fe の化学組成を有す

図２ 空冷材(a,c)および水冷材(b,d)の EBSD 測定結果(a,b)および SEM 二次電子像(c,d).

図３ 空冷材および水冷材の室温および 500℃における準静的引張試験により得られた応力ひずみ曲線．

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る低炭素鋼を用いた．40ｍｍ角の熱間鍛造棒材を受け入れた．初期組織における炭化物の分散状況を変化させるため，二種類の熱処理を温間加工の前に施した．すなわち，受入まま材に対して，900℃で 3600 秒間保持しオーステナイト化したのちに，水冷または空冷することにより組織をマルテンサイトおよびフェライト-パーライトとした．
以降，それぞれ水冷材および空冷材と称することとする．
 微細粒組織は，温間域で溝ロール圧延を施すことにより得た．溝ロール圧延はサンブルのほぼすべての領域に大きなひずみを与えることができる塑性加工プロセスである
ことがすでに知られている 3)．水冷材と空冷材に対して、500℃で 3600 秒間保持後、溝ロール加工を施した．種々の大きさの角型溝を用い 13 パスにより総減面率 88％の

図 5 空冷材および水冷材の 500℃における応力ひずみ曲線．

加工を施した．溝ロール加工の詳細については，すでに別の報告において述べている

3）．溝ロール加工後の形状は14ｍｍ角であった．得られた試験片に対して，背面反射電子線回折（EBSD)解析システムの搭載された走査電子ンソンバー型試験機を用いて実施した．平行部直径 4ｍｍ顕微鏡（SEM)により組織観察を行った．

× 長 さ 20 ｍ ｍ の 平 滑 丸 棒 試 験 片 を 用 い ， 500 ℃ に て

 引張試験はすでに述べたように，図１に示す縦型ホプキ

0.1mm/sec および 650ｍｍ/sec の二種類の変形速度にて試験を行った．なお高速変形条件における変形速度履歴については実験結果を示して後述する．変位は油圧サーボ駆動するシリンダにより付与し，高速変形の際には十分な助走をさせた上で入力棒に引張向きの変形を与えた．変位の計
測にはレーザー変位計（ヘッド:キーエンス LK-H150)を用いた．またひずみゲージおよびレーザー変位計のデータ
収 集 に は 高 速 サ ン プ リ ン グ 用 デ ー タ ロ ガ ー 'DWD
7UDQVODWLRQ社'7 を用いた．加工性の指標として，破断部直径より絞りを評価した．

３．実験結果および考察
 図２は温間溝ロール加工された空冷材(a,c)及び水冷材(b,d)の EBSD 測定結果(a,b)および SEM 二次電子像(c,d)
である．水平方向と垂直方向がそれぞれ圧延方向（ＲＤ）と圧延面法線方向（ＮＤ）である．EBSD 測定結果を示した図では，隣接測定点間の方位差が 15 度以上の大角粒界を黒線で描いている．空冷材と水冷材ではいずれも圧延方向に伸長したラメラ状微細フェライト粒が観察された．
板厚方向に沿って計測したラメラバウンダリの平均間隔は，水冷材が 0.6μｍ，空冷材が 1.7μｍであり，温間圧延前の組織をマルテンサイトとした水冷材がやや微細であった．二次電子像では等軸形状を有する微細炭化物が観察され，特に水冷材のほうが均一に分散していた．これは温間圧延前の組織が炭素の過飽和固溶体であるマルテンサイトであるため，水冷中またはその後の析出時に低温で析出し，フェライトパーライト組織よりも均一に炭化物が析出するためである．こうした違いは過去に報告された結果と一致している 3）．
 凖静的条件の公称応力―公称ひずみ曲線を図３に示す．
図 4 空冷材および水冷材の 500℃における高速引張試
験時の変位(a)とみかけの公称応力(b)の推移．

公称ひずみはレーザ変位計で測定した変位を初期平行部長さ（20ｍｍ）で割って算出している．室温の試験結果- 58 - 一方で，延性に関してはこれまでに報告のない結果が得られた．図６は減面率と変形速度の関係を示している．図中に既報 4)の室温試験結果に今回得られた 500℃における試験結果をプロットしている．室温試験結果に関して言え
ば，組織の違いによらず，変形速度が特に 100 mm/sec 以上になると絞りは減少する．同様の結果が 500℃における今回の結果でも確認できた．これらの特徴は，加工発熱の観点から説明することができる．一般に高速変形では加工発熱の消散する時間的余裕がなく，試験片が加熱する 5)．
炭素鋼の場合，青熱脆性域において延性の増大に反して絞りの低下が生じる．そのため，高速変形に伴う試験温度の高温化に伴い，絞りの低下が生じたものと考えられる．特に温間域高速変形では水冷材と比べて空冷材のほうが絞りが小さくなる傾向も見て取れた．この原因については現
図 6 空冷材および水冷材の各種変形条件における絞り．
試験時点では明らかとはなっていない．少なくとも炭化物の存在密度が小さい弱い部分が局所的にも存在すると，特に温間加工性に対しては不良となる可能性を示唆しているもについては別の研究で報告 4)したものを引用している．本のと思われる．

研究の狙いは温間域の試験にある．微細組織を有する空冷材，水冷材はともに室温において，750MPa 以上の高強度４．まとめを示すが，比較的早期に最大応力に達し，10％程度の局

 本研究では，ホプキンソンバー法をベースとし，電気炉，部伸びを示して破断する．500℃において試験した結果，冷却装置およびレーザー変位計を組み合わせて高温高速

両者は 520MPa 程度の引張強さをごく初期に示したのち変形試験が可能な試験機系を構築した．に大きな局部伸びを示して破断した．破断位置はすべて標 得られた試験機系を用いて丸棒試験片を用いて高速高線間であった．大きな局部伸びは大きな絞りを示唆してお温引張試験を行い，絞りを評価することにより微細粒組織り，試験素材が良好な加工性を有していることを示唆してを有する炭素鋼の温間加工における組織と加工性の相関いる．しかし，水冷材と空冷材の違いは，準静的試験条件について考察した．炭化物の分布が金属組織スケールで不における応力ひずみ曲線から読み取ることは困難であっ均一であると高速変形時に絞りが大きく低下するというた．

組織-特性間の相関を得ることができた．

 高速変形では，慣性力が無視できなくなり，自由表面や試料／冶具間での変位の反射が生じる．その状況を示した

謝 辞

データが図４である．水冷材および空冷材に対して，650

 本研究は、天田財団の一般研究開発助成（塑性加工）をmm/sec にて変位を与えた際の試験片の変位-時間曲線(a),受けることにより遂行することができた．衷心より謝意をおよびみかけの公称応力-時間曲線である．時間の増大に表する．

伴い変位は単調な増加を示し，0.5mm 程度の変位（公称ひずみ換算で 2.5％）を示した時点で打撃速度である 650

参考文献

mm/sec に達した.図中(b)に示した見かけの公称応力は荷 <.LPXUD7,QRXH)<LQ.7VX]DNL6&,(1&( 

重を平行部初期断面積で割って求めたものであるが，試験片材質のよらずいずれも振動を示している．振動周期は

  61HPDW1DVVHU$60+DQGERRN9RO0HFKDQLFDO

1msec 程度であった．振幅は引張速度の増大に伴い大き7HVWLQJ DQG (YDOXDWLRQ $60 ,QWHUQDWLRQDO 86

くなる傾向が見られ，今回の試験機系ではここで示した変 S

形速度を 650 mm/sec とする条件が，荷重の評価が可能で 7,QRXH)<LQ<.LPXUD.7VX]DNL62FKLDL0HWDOO0DWHU7UDQV$$  

ある最大の変形速度であった．こうした弾性変形波の顕在化は，特に引張試験片のゲージ部の大きさが大きいほど大  5 8HML 7 ,QRXH 0DWHU 7UDQV   きくなることが知られている 2)．これらのデータから求め

た公称応力ー公称ひずみ曲線を図 5 に示す．低速試験結果）土田紀之，友田陽，長井寿，鉄と鋼，  と同様に温間高速変形とした場合であっても，その強度レ

ベルには組織の差違が反映し難いことがわかる．

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