加工誘起マルテンサイト変態を伴うオーステナイト系ステンレス鋼の加工速度とマクロ・ミクロ・ナノレベルの塑性変形に関する研究茨城工業高等専門学校 機械システム工学科教授

冨永 学（平成 21 年度奨励研究開発助成

AF-2009033）

キーワード：塑性変形，オーステナイト系ステンレス鋼，マルテンサイト変態

１． 研究の目的と背景

本研究では局在ひずみを伴う塑性変形について，破断伸ステンレス鋼は強度，耐食性に優れ，原子力プラントやびの加工硬化率および雰囲気温度依存性について調査し家庭用品の材料など多くの分野で使用されている．使用さた．また，中性子回折を用いることによってバルクとしてれる構造物の設計，安全確保をする上で，それらを構成すのマルテンサイト相の定量分析も行った．

る材料の強度を知ることは，最も重要なことだといえる．
ステンレス鋼の一種である準安定オーステナイト系ステ

２．実験方法ンレス鋼は無負荷状態で fcc 構造のオーステナイト相(γ２・１相)の常磁性体である．しかし大きく加工されると γ 相の供試材はメーカーが異なる２種類のオーステナイト系

一部が bcc 構造のマルテンサイト相(α’相)に変態し，強磁ステンレス鋼 SUS304(Ａ鋼とＢ鋼)と SUS304L および性となる．このような変態は加工誘起マルテンサイト

SUS310S の平滑材で，試験片形状は JIS の７号試験片に準(Strain Induced Martensitic Transformation，SIMT)と呼ばれじたもので，全長 150mm，平行な試験部の長さ 60mm，ている．このような加工によって生じる変態誘起塑性

幅 15mm である．板厚は SUS304 が 2mm，SUS304L と(Transformation induced Plasticity，TRIP)を利用した鋼は高SUS310S が 4mm である．

試験片

強度，高延性，高靭性などの優れた機械的性質を有してい２・２る．

引張強度試験には INSTRON 社の 55R1125 試験機を用い実験方法

我々はこれまでの研究で動的電子スペックルパターンた．実験は試験片を引張試験機に固定し雰囲気温度 20℃干渉法(Dynamic Electronic Speckle Pattern Interferometry，で， 10-5 s-1 から 10-2 s-1 の間の様々なひずみ速度で試験片DESPI)を用いて，TRIP 変形のマクロな変形形態を空間分が破断するまで行った．標点間距離は 50mm とし，破断後布として観察するため全視野計測を実施してきた．その結の標点間距離および試験荷重から，破断伸び，ひずみ速度，果，5×10-4 s-1 以下の低ひずみ速度における後半の塑性変形

公称応力，公称ひずみを求めた．また，公称応力，公称ひでは，X 字型の局在ひずみが試験片上を繰り返し伝播するずみから真応力，真ひずみ，加工硬化率，加工硬化率の傾ことによって変形が進展するという現象を明らかにした．

きを算出した．破断伸びの温度依存性を調べるために，雰また，局在ひずみが試験片の上端あるいは下端に到達する

囲気温度 10℃での試験も行った．また，引張試験と同時と，応力ひずみ曲線上には突起状の応力変動が現れることに赤外線カメラ NEC 三栄社の TH5104R による試験片表面も明らかにした(1),(2)．最近では，突起が現れる局在変形かの温度分布の観察も行った．中性子回折実験には日本原子ら突起が現れない一様変形へ遷移する時に破断伸びが約

力研究機構原子力科学研究所の JRR-3 研究炉内の残留応5％ステップ状に現象するとう結果を得ている．しかしな力解析装置(RESA)を利用した．

がら，局在ひずみ発生時の塑性変形について，組織や結晶構造の変化も考慮したミクロやナノレベルンでの調査はなされていない．

３． 実験結果と考察
３・１－ 297 －

赤外線カメラによる変形挙動の観察

(1) ひずみ速度 5.6×10-4s-1 における変形挙動

赤外線カメラ画像中のアルファベットは観察時刻が対応

ひずみ速度 5.6×10-4s-1 による引張試験における変形挙動
-4 -1

している．

を以下に述べる．ひずみ速度 5.6×10 s における均一変形

図 3 および図 5 において，塑性変形前半である(a)から挙動の場合の応力ひずみ線図を図 1 に，赤外線カメラによ(c)では試験片の表面温度分布が 20℃で一様である．このる試験片の表面温度分布を図 2 に示す．応力ひずみ線図とことは，試験片は均一に変形していることを示している．

赤外線カメラ画像中のアルファベットは観察時刻が対応

次に，塑性変形中盤の(d)から(h)においては試験片の一部している．(a)から(c)までの塑性変形前半では，試験片平の温度が 22℃と徐々に高くなり，試験片の変形が局在化

行部の表面温度は 22℃から 23℃の間でほぼ一様分布になしていることが分かる．さらに変形が進み，変形後半の(h)っていて，これは試験片が均一に変形していることに対応から(j)ではこの局在ひずみ部が試験片上を移動しているする．さらに変形が進み，(d)から(e)では試験片中央部はことが分かる．その後，(j)から(k)のように下端へと到達

24℃と温度が高くなり，徐々に温度が中央に集中している．

した局在ひずみ部は上端へと転移している．この時，応力破断が近付くと(f)のように試験片の一部のみが 26℃となひずみ曲線上では局在ひずみ部の転移に合わせて，突起状り，最終的にその部分で(g)のように破断した．の応力変動が現れている．そして局在ひずみ部の移動が(l)で止まるとネッキングが発生し，(m)のように破断した．
図 4 において，塑性変形後半の(e)から(h)ではわずかながら応力が変動している．また，この変動に合わせて試験片の表面温度分布が(f)では下端に近いところで若干温度が高く，(g)では上端に近いところで温度が高くなっている．このことから，(i)から(k)のように明確に温度が局在化していなくても，わずかな温度変化部の転移でも微小な応力変動が現れる．これらは，既報(1)の動的電子スペック
ルパターン干渉法（DESPI）による観察手法とは異なり，

図1

直接ひずみを計測しているわけではなく，ひずみによって均一変形時の応力ひずみ線図生じる材料の温度上昇を観察しているためで，熱伝導などの他の要因が混在しているために，観察結果はひずみ分布より拡散した空間分布の結果を示すと考える．

図2

均一変形時の試験片表面温度分布（2）ひずみ速度 2.7×10-4s-1 における変形挙動
ひずみ速度 2.7×10-4s-1 による引張試験における試験部の変形挙動を以下に述べる．ひずみ速度 2.7×10-4s-1 における均一変形の場合の応力ひずみ線図を図 3 に，図 3 の一部を抜き出して拡大したものを図 4 に示す．赤外線カメラによる試験片の表面温度分布を図 5 に示す．応力ひずみ線図と－ 298 －

図3

不均一変形時の応力ひずみ線図

増加が見られ，このひずみ速度以下では先行研究の結果と同じように，応力ひずみ線図上に突起状の応力変動が現れた．

図4

図 3 の塑性変形後半部の拡大図

図 6 SUS304 鋼の破断伸びのひずみ速度依存性

図5

不均一変形時の試験片表面温度分布

これらの赤外線カメラによる変形挙動の観察結果から，従来の DESPI と同様の変形挙動の観察が可能であると考える．ただし，赤外線カメラでは拡散により DESPIのような定量評価は難しい．しかし，DESPI に比べ赤外線カメラによる計測は除振台のような特別な環境を整える

図 7 図 6 の中央部の拡大図装置を利用しなくても簡便にその場で観察する計測法として有用である．

図 8 は 雰囲 気 温 度 20℃ に お け る SUS304(A),
３・２

破断伸びのひずみ速度依存性および雰囲気温度

SUUS304L, SUS310S 鋼の破断伸びのひずみ速度依存性である．3 種の鋼ともひずみ速度の低下にとも依存性
図 6 に雰囲気温度 20℃にける SUS304(A, B)の破断伸びなって破断伸びが増加する傾向を示しているが，-2のひずみ速度依存性を示す．図 7 は図 6 のひずみ速度 10SUS304L と SUS310S は SUS304 ではステップ的な破s-4 から 10-3 s-1 の範囲を拡大したものである．SUS304(A, B)

断伸びの増加は認められない．

-4-1-2-1

両鋼とも，ひずみ速度が 10 s から 10 s の範囲ではひずみ速度の低下にともなって，破断伸びが増加している．
しかし，ひずみ速度 10-4 s-1 以下では，破断伸びが減少する傾向を示している．また，図 7 に A 鋼と B 鋼の破断伸びのひずみ速度依存性を示す．両鋼とも同じような傾向を示している．SUS304(A)では 4.4×10-4 s-1 ，SUS304(B)では5.2×10-4 s-1 付近におよそ 5％のステップ的な破断伸びの－ 299 －３・３３

加工硬硬化率の傾きとと破断伸び引張試験時の荷引荷重と伸びのデデータから算出出した図 10 に示す
す加工硬化率真真ひずみ曲線のの特性対して，塑性変形領域域におおける加工硬化化率の傾きに注注目した．ここで加工硬化率率の傾傾きとは，図 111 に示すよう な加工硬化率率の傾きがほぼぼ
直線線的な変化とななる全真ひずみ
みの 1/2 を中心心に前後 0.1 の範囲
囲のデータを取取り出し，この データに対しして求めた近似
似
直線線の傾きのこととである．

図 8 SUS304, SUUS3044L, SUS310S 鋼の破断伸びびのひずみ速度依依存性
図 9 に雰囲
囲気温度 20℃℃と 10℃におおける SUS3004（B）の破断伸びのひずみ速度度依存性を示示す．雰囲気温
温度
10℃ではステテップ的な破破断伸びの増増加はなかった
た．
また，この雰
雰囲気温度で
では破断伸びびがばらつく とともに，20℃のようなひずずみ速度の低低下にともな う破断伸びの増加加傾向も認めめられない．
図 100 加工硬化率率真ひずみ線図
図

気温度 20℃とと 10℃におけける破断伸びののひ
図 9 雰囲気
ずみ速度依存存性
図 11
1 加工硬化率率真ひずみ線図
図の一部とそのの近似直線

一般にオーーステナイト
ト系ステンレレス鋼では，化化学成分や雰囲気気温度の違い
いによって加加工誘起マルテ
テン

図 12 に雰囲気温
温度 20℃におおける SUS304((A)の加工硬化化

サイト変態に必要な駆動動力が変化すすることが知 られ

率のの傾きと破断伸伸びの関係を示示す．加工硬化化率の傾きが大大ている．今回
回の SUS3044 鋼の実験ににより，局在ひひず

きく
くなると破断伸伸びが直線的にに増大する傾向を示していいみの伝搬による塑性変形形への遷移時
時にステップ的的なる．また，応力ひひずみ線図上にに応力変動が現現れて，局在ひひ破断伸び変化化が起こるこことが明らかかになった．ままた，

ずみみの伝搬をとももなう変形（ググラフ右上の丸丸で囲った領域域

雰囲気温度が室温近い 20℃と210℃のの間に，局在ひひず内）では，は加工工硬化率の傾ききは大きい．

み伝搬型の塑塑性変形の境境界があると予想できる．
．

－ 300 －

図 12

SUS304(A)における加工硬化率の傾きと破断伸び

図 13 に雰囲気温度 20℃と 10℃での SUS304(B)の加工硬化率の傾きと破断伸びの関係を示す．雰囲気温度が 20℃
では図 12 と同様な傾向を示しているが，10℃ではばらつきが大きく，特定の傾向は見いだせない．雰囲気温度が10℃では 20℃に比べて加工硬化率の傾きが 3 倍程度高い値になっている．すなわち，10℃ではひずみの増加にとも

図 14
SUS304L と SUS310S における加工硬化率の傾きと破断伸び

３・４

中性子回折によるマルテンサイト相の分析

母相オーステナイト相（γ）と加工によって発現した相であるマルテンサイト相（α’）の分析には，それぞれ（111）と（110）のブラックピークを利用し，回折線の積分強度は Voigt 関数をフィティングすることにより求めた．被測定試験片は局在ひずみ発生が発生ずるひずみ速度（5.7×10-5 s-1）で 79％まで変形させ，その後，試験を停止なう加工硬化率が増加していること示している．

してオフラインでマルテンサイト相の分析と横ひずみの測定を行った．
図 15 の(a)，(b)，(c)はそれぞれ変形を停止させた時のひずみ状態（変形の時間差分）を示すスペックル相関縞と引張軸方向（試験片長手方向）のマルテンサイト相の積分強度分布，そして横ひずみ分布である．図 15(a)は局在ひずみが試験片上方から下方へと向かって中央部まで移動した状態のものである．特徴的な縞は，ひずみが X 字型局在していることを示している．図 15（b）は局在ひずみが図 13 雰囲気温度の異なる SUS304(B)における加工硬化率の傾きと破断伸び通過した試験片上方ではマルテンサイト相の積分強度が高く，逆に未通過の部分は低いことを示している．また，局在ひずみがある部分（図中に破線で図示）では，段差状

図 14 に雰囲気温度 20℃における SUS304L と SUS310Sの加工硬化率の傾きと破断伸びの関係を示す．これらは20 ℃ の SUS304(A, B) と 同 様 の 傾 向 で あ る ． し か し ，SUS304(A, B)とは違い，加工硬化率の傾きは負の値である．の変化が生じている．図 15（c）は試験片の幅測定により横ひずみを求めたもので，マルテンサイト相の積分強度と符号していることが分かる．この結果は，既報(2)のフェライトスコープによるものと同様の傾向を示している．

これは， ひずみの増加にともなう加工硬化率が減少していることを示している．

－ 301 －

（a）

（b）

（c）

図 15 （a）変形中のひずみ状態を示すスペックル相関縞と引張軸方向（試験片長手方向）の（b）マルテンサイト相の積分強度分布と（c）横ひずみ分布４．まとめ謝オーステナイト系ステンレス鋼の引張試験を行い，低ひずみ速度域で生じる X 字型の局在ひずみの伝播による特辞

本研究は天田金属加工機械技術振興財団の平成 21 年度

異な変形挙動について，以下の結論を得た．

研究開発助成によって行われた．ここに深甚なる感謝の意

1)

局在ひずみ伝搬型の変態誘起塑性は加工硬化率の傾を表します．また，中性子回折実験は東京大学大学院工学きで特徴付けることができ，破断伸びと強い相関がある．

系研究科原子力専攻の平成 22 年度原子力機構施設利用総室温付近（20℃）での 5×10-4 s-1 のひずみ速度において，合共同研究にて実施された．ここに感謝の意を表します．

2)

変形形態が均一変形から局在ひずみの伝搬による不均一

参考文献

変形へと遷移し，その時にステップ状に破断伸びが増加する．一方，変形の遷移が見られない室温より低い 10℃で(1)は，ステップ状の破断伸びの増加は見られない．

620-628.

3)(2)

バルクとしての加工誘起マルテンサイト相の分布は変形形態と符合し，先に報告したフェライトスコープによ

冨永学，豊岡了，門野博史：日本金属学会誌，72-8(2008), 565-570.

る表面付近の分布と同様であった．
4)

冨永学，豊岡了：日本金属学会誌,71-8(2007),

局在ひずみの移動をともなうような不均一変形の空間分布の観察には，赤外線カメラが有効であることが示された．

－ 302 －