変態・熱・力学に基づいた TRIP 鋼の衝撃塑性変形・変態特性評価
広島大学大学院工学研究院准教授

機械システム・応用力学部門
岩本 剛（平成21年度一般研究開発助成 AF-2009006）
キーワード : 相変態・熱・力学，衝撃変形挙動，TRIP 鋼，体積抵抗率，極薄熱電対

1.

対を用いて室温での変形中の試験片の温度変化測定を研究の目的と背景行う．

準安定な組織を持つオーステナイト鋼が塑性変形を受けると，ひずみ誘起マルテンサイト変態（SIMT）効果によりその組織の一部がより安定なマルテンサイト相へと変化する．SIMT を伴う鉄鋼系材料は強度だけでなく延性およびじん性の向上も期待される．この SIMT により高強度，高延性および高じん性を示す現象を TRIP（変態誘起塑性）と言う (1) ．TRIP 効果を持つ鉄鋼系材料をTRIP 鋼と呼ぶ．
近年，自動車業界では衝突安全性の向上と軽量化が求められている．これらの要求を満足するために，TRIP鋼の優れた機械的特性を利用した衝撃吸収部材を自動車に適用することが期待されている．一方で，優れた延性

2.

実験装置

2·1 分割式ホプキンソン棒装置
分割式ホプキンソン棒法は高速変形における材料の変形挙動を研究するために広く使用されている．この方法
は応力棒中を伝播する弾性波を測定することにより衝撃変形中の試験片に作用する応力ひずみ曲線とひずみ速度を間接的に得るものである．
ここでは，試験片に加わる平均公称応力，平均公称ひずみおよび平均公称ひずみ速度を計算する一般的な方法を紹介する．図 1 に圧縮試験用の分割式ホプキンソン棒装置の概略図を示す．打撃棒が入力棒に衝突すると接触面に弾性波が生じ，入力棒中を伝播する．図 2 に示すよを有する TRIP 鋼を使用することによって構造材料の厚うに弾性波は出力棒へと透過し，一部の弾性波は接触面みを薄くすることができる可能性がある．この薄肉化ににおいて反射される．入力棒から出力棒へと透過する弾伴い，車体が軽量化されると考えられる．TRIP 鋼の信性波によって試験片は圧縮され，そのときの試験片内の頼性を向上させる上で，衝撃荷重下において SIMT 挙動

平均公称応力は次式によって計算される．

を制御することが重要となる．その第一歩として，変形中のマルテンサイト量を評価できることが必要である．
従来の研究から TRIP 鋼の体積抵抗率とマルテンサイト量は相対関係にあることが報告されている (2),(3) ．それゆえ，高速現象においても連続的に測定が可能である
電気抵抗法を用いて体積抵抗率変化を測定し，間接的にマルテンサイト量の変化を評価することは効果的な方法であると考えられる．過去に報告されているように，マルテンサイトは低温において大量に生成される．また，低温では変形中の体積抵抗率が著しく変化することが報告されている．しかしながら，室温においては生成されるマルテンサイト量が少ないため，体積抵抗率変化も小さくなり測定が困難となる．それゆえ，室温において体積抵抗率変化を精度よく測定することが求められる．一方で，マルテンサイトの生成は温度に強く依存する．そのため，衝撃試験中の塑性変形では不可逆仕事により試験片の温度が上昇することを考慮しておくべきである．
本研究では，TRIP 鋼の一種である SUS304 試験片を用いて，分割式ホプキンソン棒法による衝撃圧縮および引張試験を行い，万能材料試験機による準静的圧縮および引張試験を行う．それから，電気抵抗法に基づく直流電位差法回路および Kelvin ダブルブリッジ回路を試作し，体積抵抗率変化の測定を試みる．加えて，極薄熱電σav =EA (εi + εr + εt )As(1)ここで，εi は入射ひずみ波，εr は反射ひずみ波，εt は透過ひずみ波を表す．A， As ，および E はそれぞれ応力棒と試験片の断面積，および応力棒のヤング率を示す．試験片が薄い場合は試験片内の応力分布は一様であると見なすことが出来る．そのため，試験片両端面に加わる力は動的平衡状態にあると考えられ，以下の式が成立する．

εi + εr = εt(2)式（1）を式 (2) に代入すると，平均公称応力は次のように表すことができる．

σav =EAεtAs(3)

これは試験片内の平均公称応力はひずみゲージにより測定される応力棒中を伝播するひずみ波を用いて計算することを意味する．
次に，試験片の平均公称ひずみ速度および平均公称ひずみについて考える．一次元弾性波伝播理論に従えば，ひずみ波と応力棒中の粒子速度には次のような関係にある．

v = Cε－ 251 －(4)ここで，C はひずみ波の速度，v は粒子速度である．よっ

めて小さい抵抗値を測定する場合，このような電圧計のて試験片と 応力棒 の接 触面で の粒子 速度 は式（4）を用性能を活かすことのできる回路が必要となる．

いて電圧変化を測定する方法として 2 種類の電気的手法が

vin = C (εr − εi ) , vout = −Cεt(5)ここで vin および vout は試験片両端面の粒子速度である．それゆえ，試験片の軸方向における平均公称ひずみ速度は次の式によって表される．

ε̇av =Cvout − vin=(εi − εr − εt )ℓℓ(6)それから，式（6）を積分すると以下の式によって平均公称ひずみが得られる．

εav =Cℓ t(εi − εr − εt ) dt′(7)ある．1 つは図 3（a）示す 2 端子法と呼ばれる方法で，2 本のリード線が試験片に設置される．もう一方は，図3 (b) に示す 4 端子法であり，これは 4 本のリード線が設置される．4 端子法ではリード線が 2 つの役割に分けられる．ひとつは試料の電圧を測定し，もうひとつは試料に電流を供給する役割である．一方，2 端子法では両者の役割が完全に分けられているわけではない．それゆえ，4 端子法は電圧計がもつ特性を活かし，電圧測定を精度よく行うことができると考えられる．そのため，本研究では 4 端子法に基づく測定回路を用いて試料の電圧変化を測定する．

0

図 1 衝撃圧縮試験用ホプキンソン棒法試験装置の模式図(a)(b)

図 3 (a) 2 端子法および (b) 4 端子法を使用した電気回路の模式図
図 4 は Kelvin ダブルブリッジを用いた回路図を示す．
5 つの標準抵抗 M ，N ，m，n，r ，可変抵抗 R および抵抗値 Rx の試験片から成る．可変抵抗器の抵抗値を調節することで，A - B 間の電位差がゼロとなる．試験片の抵抗が変化すると，この A - B 間の平衡状態は失われ電位差が生じる．この電圧変化を測定することでキルヒホッ
フの法則より試験片抵抗の変化を求めることができる．
図 2 弾性波伝播課程中の試験片付近の入射，反射，透過ひずみ波

2·2 体積抵抗率測定回路
試料の電圧を測定する場合，リード線の影響は小さいとしてしばしば無視される．しかしながら，試料の抵抗が極めて小さい場合においてはリード線のもつ抵抗が測定値誤差の要因となる．そのため，リード線抵抗の影響を小さくすることが必要である．電圧は抵抗値と電流値の積によって得られる．そこでリード線に入流する電流を小さくし，試料に流れる電流を大きくすることで，相対的にリード線かかる電圧の影響を小さくすることが出来る．一般的に電圧計は通常の抵抗器や試料に比べ極めて大きい抵抗値を持つ．そのため，電圧計にはほとんど電流が流れない，つまり電圧計に接続されているリード線を流れる電流は少ないということである．そこで，極∆Rx =M +N∆eM I1(8)

ここで，I1 は可変抵抗器を流れる電流，∆e は A - B 間の電圧変化を表す．電圧変化 ∆e はオシロスコープにより記録され，各時刻における試験片の抵抗を得ることが出来る．体積抵抗率 ρ は試験片の抵抗値を用いて次式から計算される．

ρ = RxAℓ(9)ここで，A は試験片の断面積，ℓ は試験片の長さを表す．

4 端子法に基づく直流電位差法回路を図 5 に示す．この回路は標準抵抗 RS および抵抗値 RX で示される試験片から成る．試験片抵抗はオームの法則を用いて標準抵－ 252 －は 15.12 mm/min および 1.512 mm/min であり引張試験では 18 mm/min および 1.8 mm/min である．これらのクロスヘッド速度はそれぞれ 1.2 × 10−2 s−1 および 1.2× 10−3 s−1 のひずみ速度に等しい．圧縮試験では試験片端面にモリブデングリースを塗布しており，摩擦効果を抑えている．
3·2 衝撃圧縮試験用分割式ホプキンソン棒法
衝撃圧縮試験用分割式ホプキンソン棒法装置は直径16mm，長さ 1300mm の入力棒および出力棒，直径 16mm，長さ 500mm の打撃棒，そしてシグナルコンディショナー，オシロスコープおよび PC から成る測定装置によって構成される．図 1 は装置の概略図を示す．入出力棒はベアリングにより保持されており，打撃棒と一直線上に置かれている．試験片は入力棒と出力棒の間に設置される．
図 4 Kelvin ダブ ルブリッジ を基礎 とし た電 気回路 の模式図
抗および試験片の電圧を測定することにより，次式からVXRSVS通過する時間を測定することによって，打撃棒が入力棒に衝突する瞬間の速度を求めることができる．また，打求められる．

RX =2 本の光ファイバーがランチャー先端部に 20 mm の間隔を持って設置されており，打撃棒が光ファイバーの間を撃棒がランチャーから射出される際の摩擦を抑えるため，(10)

ここで，VX および VS は試験片 RX および標準抵抗 RSにかかる電圧を表す．試験片の体積抵抗率は式（9）より算出することが出来る．

打撃棒に PTFE パイプを取り付けている．さらに，衝突時の試験片と応力棒間に作用する摩擦を抑えるため接触面にモリブデングリースを塗布している．
応力棒中を伝播する弾性波を測定するために，2 つの半導体ひずみゲージ (共和電業 KSP-2-120-E3) を入出力
棒 に軸対 称に 取り付 け，曲げ ひず みの影 響を 除去し た．
これらのひずみゲージは Wheatstone ブリッジに接続されており，ブリッジ内に生じた電位差をシグナルコンディ
ショナー (共和電業 CDV-700A) を用いて増幅し，デジタルオシロスコープ (横河電機 DL-2700) へと記録する．この電圧をひずみへと変換する．ここで，ヤング率 E は以下の式により求める．

E = C2ρ

(11)

本実験では E = 209 GPa である．図 6 は入出力棒から得られた軸方向ひずみの時刻歴を示す．正の信号は引張ひずみパルスであり，負の信号は圧縮ひずみパルスを表す．分割式ホプキンソン棒法で使用される試験片につい図 5 直流電位差法を基礎とした電気回路の模式図式（8）および式（10）に示されるように，直流電位差法 は各 時 刻 に お け る 試 験 片 の 抵 抗 値 を 測 定 す る の に 対ては後述する．
3·3 衝撃引張試験用分割式ホプキンソン棒法
衝撃引張試験用分割式ホプキンソン棒法装置は直径 16mm，長さ 2500 mm の入力棒，直径 16 mm，長さ 1250

して，Kelvin ダブルブリッジでは試験片の初期抵抗値かmm の出力棒，内径 17 mm，外径 23 mm，長さ 533 mm

らの変化分を測定する．それゆえ，直流電位差法では測の 打 撃管 およ び 測定 装 置か ら 成る ．図 7 は 概 略図 を 示

定レンジを試験片抵抗値に合わせる必要がある．一方，す．試験片を応力棒間に設置するため，応力棒と試験片Kelvin ダブルブリッジでは，測定レンジを抵抗値の変化そのものに合わせて設定する事が出来る．これより，変形中の抵抗値変化の測定に関して，直流電位差法に比べKelvin ダブルブリッジの方が優位であると考えられる．にはねじ部が設けられている．さらに，図 8 に示すようにナットを締めることでねじ部の緩みを抑える．入力棒の一端にはフランジ部が設けられており，打撃棒管はこのフランジに向け圧縮試験と同様に圧縮空気を瞬間的に開放することにより射出される．打撃管がフランジに衝

3.

実験方法

突すると，圧縮ひずみがフランジ内で反射され引張ひず

3·1 準静的試験
準静的圧縮および引張試験は万能試験機を用いて 2 種類のひずみ速度で行う．クロスヘッド速度は圧縮試験でみ波となって応力棒中を伝播する．平均公称応力，平均公称ひずみおよび平均公称ひずみ速度は前述した衝撃圧縮試験と同様の方法で得られる (4) ．

－ 253 －

衝撃変形では，塑性変形に伴う不可逆仕事により試験片の温度が上昇し，マルテンサイトの生成に影響を及ぼすことが予想される．それゆえ，衝撃変形中の温度変化を捉えることが必要となる．ここで，衝撃変形中の温度変化を捉えるため極薄熱電対を用いて測定を行う．衝撃変形中に温度は急激に変化すると考えられ，測定には高い応答性が要求される．赤外線カメラを用いて衝撃変形中の温度変化の測定を試みられている (5) が，熱電対以外の測定装置では高い応答性が得られないと言える．しかし，通常の熱電対ではそれほど速い現象を捉えることはできない (6) ．そのため，本研究では良好な応答性を得るため熱電対を厚さ 100 µm に圧延した．熱電対の設置にはスポット溶接を用いた．
熱電対の校正には沸騰水を室温まで自然冷却したもの
を 使 用し ，5 K 間 隔で 温 度 を測 定 し た．図 9 は 熱 電 対
図 6 入射，反射，透過ひずみ波の生時系列データの一例

から得られた電圧信号と温度の校正曲線を示す．温度変化の測定は入射弾性波が入力棒に取り付けられたひずみゲージを通過した点を測定開始点とする．それゆえ，変形と温度変化の間に時差が生じる．そこで，入力棒に貼り付けられたひずみゲージから試験片までの長さを弾性波の伝播速度で除した時間と温度測定を開始した時間の和をとることにより，変形の開始時間を求める．

図 7 衝撃引張試験用分割式ホプキンソン棒法試験装置の模式図

図 8 試験片付近の拡大図

3·4

体積抵抗率変化

前述したように，低抵抗値の測定ではリード線の役割は 2 つに分別される．電流を供給するリード線は電圧を測定するリード線の外側に設置される．リード線の設置にはスポット溶接を用いた．これらのリード線は直流電源 (松定プレシジョン PLE-18-3) および Kelvin ダブルブリッジまたは直流電位差法回路に接続される．

Kelvin ダ ブ ル ブ リッジ 回 路 で は 2 つ の シ グ ナ ル コ ン
ディショナー (共和電業 CDV-700A) が接続されている．
ひとつのシグナルコンディショナーは試験片にかかる電圧を増幅し，一方は標準抵抗にかかる電圧を増幅する．
これらの電圧信号をオシロスコープ (横河電機 DL-2700)に記録する．同様に，直流電位差法回路においても電圧信号はシグナルコンディショナーを用いて増幅されオシロスコープに記録される．これら 2 つの回路の測定精度

図 9 電圧 − 温度関係

3·6 試験片
試験片には TRIP 鋼の一種である SUS304 を用いる．
準静的圧縮試験片は直径 14 mm，長さ 21 mm，準静的引張試験片は直径 5 mm，ゲージ長 6 mm，衝撃圧縮試
験片は直径 5 mm，長さ 6 mm，衝撃引張試験片は直径4 mm，ゲージ長さ 5 mm である．試験片はワイヤーカット放電加工装置を用いて加工され，材料組織を準オーステナイト組織にするため 1323 K において 30 分間固溶化熱処理を施した．

を調べるため，低抵抗器の値を測定し，市販の抵抗測定4.

装置を用いて得られた値と比較する．
3·5 温度変化

実験結果及び考察

4·1

応力ひずみ曲線およびひずみ速度－ 254 －図 10 は，分割式ホプキンソン棒法衝撃試験から得られた真応力 − 塑性ひずみ曲線，図 11 はひずみ速度の時刻歴を示す．図に示すように，応力は衝撃引張試験に比して圧縮試験の方が高く，ひずみ速度についてはほぼ同様である．図 12 は，応力ひずみ曲線を衝撃試験と準静的試験において (a) 圧縮，および (b) 引張に分けて比較したものである．圧縮，引張試験の両者において衝撃試験下での応力レベルが準静的試験よりも高くなっている．
応力レベルはひずみ速度の上昇に伴い増加しているように見えるが，準静的試験ではその変化は僅かである．準静的圧縮および引張試験中の応力レベルはほぼ同程度であるが，準静的引張試験中のひずみに対する応力レベルの増加量は徐々に減少しているように見える．これらの結果より，応力ひずみ関係はひずみ速度だけでなく，変形形態にも依存している可能性があると考えられる．この結果は過去の研究における準静的状態においても見受けられる (7) ．衝撃試験下においても引張・圧縮での応力
図 11 衝撃引張および圧縮試験により得られた公称ひず
み速度の時刻歴ひずみ関係の非対称性が観察できる．

る試験片の抵抗値を静止状態において測定し，市販の抵抗計で得られた測定値と比較して測定精度を調べた．抵抗器は 3 つのチップ抵抗器を並列に接続したものから成る．それぞれのチップ抵抗の抵抗値は 200 µΩ であるか
ら，抵抗器全体の抵抗値は理論上 66.67 µΩ である．表

1 は直流電位差法回路，Kelvin ダブルブリッジ回路および市販の抵抗計から得られた測定結果を示す．これらの測定値はよく一致している．よって，本実験で試作した2 つの測定回路の静止状態における測定精度は市販の抵抗計と同レベルであると考えられる．
表 1 本研究で試作した直流電位作法及び Kelvin ダブルブリッジを基礎とする抵抗測定装置ならびに市販の抵抗計を用いた抵抗値の比較

図 10 衝撃引張および圧縮試験により得られた真応力 −塑性ひずみ関係

4·2 温度変化
衝撃 試 験 中 の 温 度 変 化 は 極 薄 熱 電 対 に よ り 測 定 さ れる．図 13 (a) は温度 − 公称ひずみ関係，(b) は温度変化の時間履歴を示す．この図 (a) より振動が見られるが温度変化の平均形状はおよそ直線的であると見なせ，およそ 6 ∼ 10 K の上昇である．また，図 6 より試験片が変形する時間はおよそ 2 ms であると考えられ，図 13 (b)に示されるように変形後の温度上昇は僅かである．従って，極薄熱電対は衝撃変形中の温度変化を捉えることが可能であるものと考えられる．しかしながら，過去に行われた数値シミュレーションでは公称ひずみ 0.2 での温度上昇はおよそ 20 K(8) であることから，更なる検討を要する．
4·3 体積抵抗率変化

次に，試作した測定回路を用いて TRIP 鋼の体積抵抗率変化を測定する．図 14 は Kelvin ダブルブリッジ回路により測定された (a) 圧縮試験中の体積抵抗率変化，および (b) その縦軸を拡大したものである．図 15 は Kelvin
ダブルブリッジ回路により測定された (a) 引張試験中の体積抵抗率変化，および (b) その縦軸を拡大したものである．まず，圧縮試験の測定結果について考察する．衝
撃試験中の体積抵抗率変化は初期変形においてピークを示しており，準静的試験においても小さいピークを持っている．体積抵抗率変化はピーク後に増加しているように見える．Kelvin ダブルブリッジにより得られた体積抵抗率変化は公称ひずみに対して増加しており，加えてひ変形中の TRIP 鋼の体積抵抗率変化を測定するにあたり，Kelvin ダブルブリッジと直流電位差法回路を用いて予め抵抗値の分かった抵抗器と衝撃圧縮試験で使用されずみ速度依存性を示している．
体積抵抗率変化は圧縮変形と引張変形の間で差異が生じており，引張変形中の体積抵抗率変化はおよそ直線的－ 255 －

(a)

(a)

(b)

(b)
図 12 各ひずみ速度における (a) 圧縮，(b) 引張試験より得られた真応力 − 塑性ひずみ関係に変化しているように見える．一方，圧縮変形中の体積抵抗率変化は非線形的であり，より複雑な変化であるように見える．しかしながら，本研究では圧縮試験では試験片と応力棒間にモ リブデングリースを塗布してお り，応力棒から試験片を絶縁しているのに対し，引張試験ではねじ部により試験片を応力棒に設置しているため，絶縁が不十分である．そのため，圧縮試験と引張試験の測定に影響を及ぼした可能性があると考える．
体積抵抗率変化をマルテンサイト変態量に換算するため，今後体積抵抗率とマルテンサイト量の関係を表す校正が必要となる．

5.

図 13 衝撃圧縮試験から得られた (a) 温度 − 公称ひずみ関係，(b) 温度の時刻歴ても，過去の研究においても報告されているように変形様式にも依存していると考えられる．変形中の体積抵抗率変化を 測定するために Kelvin ダブル ブリッジお よび直流電位差法回路を用い，衝撃圧縮変形中の温度変化の測定には極薄熱電対を用いた．Kelvin ダブルブリッジおよび直流電位差法回路の静止状態における試料の抵抗値測定の精度は同程度であった．圧縮および引張試験中の実験結果より，体積抵抗率変化はひずみ速度の上昇に伴い増加し，また，圧縮と引張において異なる挙動を示す．
用いた極薄熱電対は，衝撃変形中の温度変化を捉えることが可能であると考えられ，衝撃変形中の温度変化は平均化すればおよそ直線的に上昇する挙動を捉えることが可能となった．

おわりに本研究では，TRIP 鋼の一種である SUS304 の準静的および衝撃変形中の体積抵抗率変化および温度変化の測定を試みた．応力 − ひずみ関係は，高ひずみ速度におい6.

謝辞

本研究は，(財) 天田金属加工機械技術振興財団の補助のもとに行われた．記して謝意を表する．

－ 256 －(a)(a)(b)(b)
図 14 各ひずみ速度における引張試験中に Kelvin ダブルブリッジを用いて 測定した体積抵 抗率 − 公称ひずみ関係，(b) その縦軸の拡大図

図 15 各ひずみ速度における圧縮試験中に Kelvin ダブルブリッジを用 いて測定した体 積抵抗率 − 公称ひず み関係，(b) その縦軸の拡大図

Welded Butt Joints between 6061 Aluminum Alloyand Type 304 Stainless Steel, JSME Int. J., 46, 3,308315, 2003

参考文献
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－ 257 －(8) T. Iwamoto, M. Cherkaoui and T. SAWA, A Numerical Study on an Impact Deformation Behaviorof TRIP Steel, Transactions of the Japan Society ofMechanical Engineers, 75, 752, 404-409, 2009

－ 258 －