13AZ31Mg 合金板の機械的性質に及ぼすアスペクト比の影響
中 哲夫＊・ 村上 英正＊・細谷 拓＊＊

Effect of Aspect Ratio on Mechanical Propertyfor AZ31 Magnesium Alloy Sheet
Tetsuo Naka*, Hidemasa Murakami*,Taku Hosoya**
Abstract
Numerical simulations have been taken to the press forming of the sheet material. The material
property is used for the simulation. The material property uses the mechanical property obtained by thetensile test based on JIS specimens. However, in actual factories, the press forming was performed invarious figures. It is unusual that performed in the aspect ratio of JIS specimens. It is possible that theeffect of mechanical properties the results of the simulation. Therefore, mechanical properties wereinvestigated. In this research, it aimed to know the effect of aspect ratio on mechanical properties formagnesium alloy (AZ31) sheet. Uniaxial tension tests were performed using type JIS-13B specimens(60×12.5 mm in the parallel portion) at various forming speeds (3, 30 and 300 mm・min-1) in an
Instron-type testing machine (250 kN in capacity). The testing temperatures were 150, 200 and 250 oC.
The tensile direction were rolling direction, 45 degrees and tranceverce. We used various kinds of testpieces. The flow stress decreased with the temperature rise, therefore the effect of warm forming of theAZ31 magnesium alloy sheet was shown. The fracture elongation increases with aspect ratio rise andtemperatures rise and with decreasing forming speed. The effect of the aspect ratio was not occurred in
the uniform elongation. Therefore, increasing the fracture elongation was effected by the local elongation.
And the effect of aspect ratio was not remarkably occurred in other mechanical properties.
Key word: Mg alloy sheet, Aspect ratio, Simulation, Mechanical property, Uniaxial tensile test

1．緒 言

よってシミュレーションで用いられる JIS 規格のアスペクト比で成形が行われることは稀である。以上
近年，板材プレス成形においてシミュレーション のことから，シミュレーションに JIS 規格のアスペが多く用いられている[1]。これは成形する材料によ クト比を一律に用いていることは精度に問題があるって材料特性値が異なる事や，板材の成形性を評価 といえる。
することが挙げられる。シミュレーションに使用さ近年では地球環境問題に対する配慮およびエネル
れている材料特性値の殆どは JIS 規格に基づいた試 ギー消費削減などの要求に対応するために自動車を験片で単軸引張試験を行う事によって得られる機械 中心に各種輸送機分野において軽量化が強く求めら的性質を主に使用している。しかし実際のプレス成 れつつある。この対応策として軽量材料の中で特に形では様々なニーズに対応するため，板材のアスペ マグネシウム合金が注目されている[2][3]。マグネシクト比(縦横比)が異なる種々の形状で行われている。ウム合金は密度が 1.74g/cm3 とアルミニウム合金の*商船学科**専攻科 生産システム工学専攻

平成 22 年 9 月 30 日受理

弓削商船高等専門学校 紀要 第 33 号（平成 23 年）

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約 2/3，鉄の 2/9 と実用金属材料の中では最も軽い。 4 倍と変化させ，平行部のアスペクト比(幅／平行部また比強度，放熱性，切削性及びリサイクル性など 長さ)を 6.25/60，12.5/60，25/60，37.5/60 及び優れた特性を有している[4]。具体的には自動車業界 50/60mm とした。以下アスペクト比を 0.5，1，2，3においてホイールやシートフレーム，そのほかにも 及び 4 倍と記す。また試験片はワイヤーカット放電
携帯電話及びノートパソコンなどの電子機器の筐体 加工機にて作製した後，試験前に 400℃にて 30 秒間に多く用いられ需要が増加しつつある。の熱処理を行った。
本研究では AZ31 マグネシウム合金板を用い，試験片のアスペクト比を種々に変化させた単軸引張試験 2.3 試験条件を行った。試験片形状を変化させて行う引張試験は， 引張試験はインストロン型万能試験機に恒温槽を林ら[5]や沢田[6]が行っているが，本実験では板材の 装着して行った。試験条件はアスペクト比が 5 条件，引張試験で用いられる JIS‑13B 引張試験片(平行部 引張方向は RD，45°及び TD の 3 条件，試験温度は長さ：60mm，幅：12.5mm)よりアスペクト比を変化さ 150，200 及び 250℃の 3 条件，ひずみ速度は 8×10‑4，1せた。ただしアスペクト比はひずみ速度を一定にす 10‑3 及び 10‑2s‑（引張り速度3，30 及び 300 mm・min‑1）るため，平行部長さを一定とし，幅のみを変化させ の 3 条件の計 135 条件で各条件において 2 本ずつ引た。これまでの研究において[7][8]JIS‑
13B 形状による 張試験を行った。
単軸引張試験により変形抵抗及び延性の温度及び速度の依存性は判明している。よって種々の圧延方向(Rolling direction:以下 RD，45°，Transverce
Table.1 AZ31Mg の化学組成表
direction:以下 TD と記す)，試験温度(150，200，Al Zn Mn
Fe
Si Cu Ni
Ca Mg
‑1250℃)及び試験速度(3，30，300mm・min )で実験を
2.90 1.00 0.41 0.0023 0.01 <0.01 <0.001 - Bal.
行い，温度及び速度依存性を確認しつつ，得られた実験結果をもとに AZ31 マグネシウムの機械的性質(変形抵抗，0.2%耐力，引張強さ，延性，加工硬化指数 n 値，ひずみ速度感受性指数 m 値，絞り)に及ぼすアスペクト比の影響について比較，検討した。
2．材料および試験方法
2.1 試験材料
本実験で使用した供試材は，展伸用 Mg‑Al‑Zn 系合金で成形性及び溶接性に優れ，Al を 3％，Zn を 1％含有する AZ31B（ASTM，JIS:MP1）を試験材料として使用した。この材料は板厚 0.8mm，平均結晶粒径 15μm にしたもので，この供試材の化学組成表をTable1 に示す。Fig.1 には本研究で用いたマグネシウム合金板の{0001}極点図を示す。極点図は集積点が分離したダブルピークと呼ばれる集合組織を示しており，変形しやすい材料であることが分かる。
2.2 試験片形状
試験片は，Fig.2 に示すように圧延材料から RD，45°及び TD の 3 方向から切出して使用した。試験片形状は，Fig.3 に示すように JIS‑13B 単軸引張試
験片を基準とし，アスペクト比を変化させた試験片を 5 種類作成した。なお Fig.4 に示すようにアスペクト比はひずみ速度を一定にするため，平行部長さを一定とし幅のみを変化させアスペクト比を変化させた。具体的には JIS‑
13B の幅から 0.5，2，3 及びFig.1 マグネシウム合金の極点図

Rolling direction

Transverse

45°

Fig.2 試験片の切出し方向

Nominal stress σ/MPa

AZ31Mg 合金板の機械的性質に及ぼすアスペクト比の影響（中・村上・細谷）

Fig.3 JIS‑13B 試験片3003mm・min‑130mm・min‑1200

b=25.0b=37.5b=50.0JIS-13B

Fig.4 アスペクト比を変化させた試験片

Tensile strength
0.2% proof stress

300mm・min‑10.5

1.02.03.0
Aspect ratio

4.0

Fig.5 0.2%耐力及び引張強さとアスペクト比における試験速度の影響（引張方向 TD，試験温度 200℃）

Nominal stress σ/MPab=12.5+1000b=6.25153.実験結果と考察

300+RD20045°
TD

Tensile strength
0.2% proof stress

10000.5

1.02.03.0
Aspect ratio

4.0

Ture stress σ/MPa

3.1 変形抵抗
試験結果の一例として Fig.5 に引張方向を TD，試 Fig.6 0.2％耐力及び引張強さとアスペクト比に
験温度 200℃における各速度の 0.2％耐力及び引張おける圧延方向の影響強さを示す。実験結果より 0.2％耐力及び引張強さ（試験温度 200℃，試験速度 30mm・min‑1）
は，どの温度及び速度においてもアスペクト比の影響をほとんど示さず，引張方向が RD 及び 45°においても同様な結果が示された。速度及び温度におけ150る影響については，どの引張方向においても 0.2％耐力及び引張強さは，速度上昇に伴い増加し，温度上昇に伴い低下することが示された。
引張方向の影響について Fig.6 に試験温度 200℃，100
試験速度 30mm・min‑1 における各引張方向の 0.2％耐Aspect ratio
0.5
力及び引張強さを示す。試験片の方向による差はど12の条件においても顕著に示されなかった。
34
また真応力―真ひずみにおける変形抵抗について
5000.02 0.04 0.06 0.080.10.12も考察した。
Fig.7 に引張方向を TD，試験温度 200℃，Ture strain ε
試験速度 30mm・min‑1 における真応力―真ひずみ曲線を示す。本実験における真応力―真ひずみに及ぼす
Fig.7 真応力―真ひずみ曲線におけるアスペクト比の影響においては，若干のズレはある アスペクト比の影響(引張方向 TD、試験温度 200℃，ものの，どの条件も影響をほとんど示さなかったが，試験速度 30mm・min‑1)
速度及び温度依存性はどの条件においても確認できた。

弓削商船高等専門学校 紀要 第 33 号（平成 23 年）

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ところで本供試料には明らかなひずみ速度依存性が確認できる。そこで変形抵抗のひずみ速度依存性を定量的に考察するために次式で与えられる構成式にもとづいて検討してみた。

3.2 延性Fig.10 に引張方向を TD，試験温度 200℃における各速度の破断伸びを示す。なお破断伸びは，くびれ発生までの均一伸びとそれ以降の局所伸びの双方を含んだものである。実験結果より破断伸びは，アスペクト比が増加するとともに増加した。ただし均一C n m（1） 伸びは変化せず，主に局所伸びが増加した。このことから破断伸びはアスペクト比の変化によって局所
この式は，Backofen 型の構成式で，σは真応力， 伸びに影響を受けることが分かった。速度及び温度
C は硬さ係数，εおよび は真ひずみおよび真ひず における影響については，どの引張方向においてもみ速度，n は加工硬化指数（n 値），m はひずみ速度 破断伸びは速度上昇に伴い低下し，温度上昇に伴い感受性指数（m 値）と呼ばれている。m 値は変形抵 増加した。しかし均一伸びは試験温度が高温ほど速抗のひずみ速度依存性を定量的に考慮するための指 度上昇に伴い増加し，試験速度が低速ほど温度上昇数として知られている。この式をもとに Fig.8 に引 に伴い低下した。
張方向 RD のグラフを，Fig.9 に引張方向 TD の m 値
また引張方向の影響について Fig.11 に試験温度のグラフを示す。m 値は若干のズレはあるもののほ 200℃，試験速度 30mm・min‑1 における各引張方向のとんどアスペクト比の影響を示さなかった。また m 破断伸びを示す。引張方向における影響は，どの試値は 200℃までは増加するが，それ以上は増加せず 験条件においても若干ではあるが TD の破断伸びがほぼ一定の値を示した。
最も高く，RD のものが最も低かったことが，示された。

0.21
Aspect ratio

0.1

Elongation ε0.15
m-value

0.80.512340.050Fig.8

150200Temperature T/ oC

m 値と試験温度におけるアスペクト比の影響（引張方向 RD）

0.80.1
Aspect ratio
0.512340.05

150200Temperature T/ oC

250m 値と試験温度におけるアスペクト比の影響（引張方向 TD）

Elongation εm-value

0.2
0.5

1.0

2.0
3.0
Aspect ratio

4.0

10.15

Fig.9

0.4Fig.10 破断伸びとアスペクト比における試験速度の影響（引張方向 TD，試験温度 200℃）

0.20

local
uniform

300mm・min‑1

0.602503mm・min ‑130mm・min ‑1

local
uniform

RD 45°TD

0.60.40.2
00.5

1.02.0Aspect ratio

3.0

4.0

Fig.11 破断伸びとアスペクト比における圧延方向の影響（試験温度 200℃，試験速度 30mm・min‑1）

AZ31Mg 合金板の機械的性質に及ぼすアスペクト比の影響（中・村上・細谷）

0.15

0.1

0.150.1

0.05045°TD
0.5 1.0

2.03.0Aspect ratio

4.0

Fig.14 n 値とアスペクト比における圧延方向の影響（試験温度 150℃，試験温度 30mm・min‑1）

次に絞りに及ぼすアスペクト比の影響について示す。Fig.15 に引張方向を TD，試験温度 200℃における各速度における各速度の絞りを示す。実験結果より絞りは，若干ではあるがアスペクト比が増加するとともに低下した。温度及び速度における影響について，どの引張方向においても温度上昇に伴い増加したが，速度の変化においては顕著に影響が現れなかった。
また引張方向の影響について Fig.16 に試験温度200℃，試験速度 300mm・min‑1 における各引張方向の絞りを示す。引張方向における影響は，誤差はあるがどの試験条件においても RD の絞りが最も高く，TDのものが最も低かった。

0.053mm・min‑100.5 1.030mm・min‑1

2.03.0Aspect ratio

4.0

Fig.12 n 値とアスペクト比における試験速度の影響（引張方向 TD，試験温度 150℃）

0.1530mm・min‑10.1
n-value

RD‑1

100
Reduction of area φ/%n-value

300mm・min‑10.2

n-value

さらに均一伸びひずみについて詳しく検討してみるために，n 値について考察した。n 値は 3.1 節で述
べた式（1）の n を指し，この構成式を用いて n 値を算出する。これによって得られる n 値は板材成形シミュレーションでよく使われる値である。Fig.12 に引張方向を TD，150℃における各速度におけるグラフを，Fig.13 に引張方向を TD、200℃における各速度の n 値を示す。
実験結果より n 値は，どの引張方向においても150℃ではアスペクト比の影響を受け，アスペクト比が増加するとともに n 値は減少した。しかし 200℃以上になるとアスペクト比の変化による影響が減少することが示された。速度及び温度の影響について
は，どの引張方向において速度及び温度が変化しても一律には変化しなかった。
また引張方向の影響について Fig.14 に試験温度150℃，試験速度 30mm・min‑1 における各引張方向のn 値を示す。引張方向の影響は，若干のズレはあるものの，ほとんどの条件において RD が最も高く，45°が最も低かったことが示された。

176040200‑1Fig.15
0.0500.5 1.02.03.0
Aspect ratio

4.0Fig.13 n 値とアスペクト比における試験速度の影響（引張方向 TD，試験温度 250℃）

300mm・min‑1803mm・min300mm・min3mm・min‑1 30mm・min ‑10.51.02.03.0
Aspect ratio

4.0

絞りとアスペクト比における試験速度の影響（引張方向 TD，試験温度 200℃）

弓削商船高等専門学校 紀要 第 33 号（平成 23 年）

Reduction of area φ/%100803) Backofen 型構成式( C n m )における n 値は，温度が低下すると供にアスペクト比の変化による影響が顕著に示された。また引張方向における影響は RD が最も高く，45°が最も低くなった。
m 値は，アスペクト比の変化による影響を顕著に示さなかった。また 200℃以上では増加せず，ほぼ一定の値となることが示された。
4) 絞りは若干ではあるがアスペクト比が増加するとともに低下した。以上の結果より延性を示
す機械的性質はアスペクト比による影響を受けることが示されたため，シミュレーションに用いる場合は延性に注意すべきである。
5) 変形抵抗，破断伸び，n 値においては温度及び速度依存性を確認することが出来た。
6) 引張方向の影響については，n 値 には見られるが，他の機械的性質には顕著に現れなかった。

RD45°
TD60402000.5

1.02.03.0
Aspect ratio

4.0Fig.16 絞りとアスペクト比における圧延方向の影響（試験温度 200℃，試験速度 300mm・min‑1）

4.結 言
本研究では AZ31 マグネシウム合金板を用い，試験片のアスペクト比を種々に変化させた単軸引張試験を行った。試験片形状は，板材の引張試験で用いられる JIS‑
13B 形状よりアスペクト比を変化させ，5種類作成した。ただしアスペクト比はひずみ速度を一定にするため，平行部長さを一定とし，幅のみを変化させた。具体的には平行部のアスペクト比(幅/平行部長さ)を 6.25/60，12.5/60，25/60，37.5/60
及び 50mm/60mm とした。
実験条件として，試験片の圧延方向を RD，45°及び TD とし，温度を 150，200 及び 250℃の温度域にて，ひずみ速度を 10‑4，10‑3 及び 10‑2s‑1 の 3 種類，計27 種類を選択し，引張試験を行った。得られた実験結果をもとに AZ31 マグネシウムの機械的性質(変形抵抗，0.2%耐力，引張強さ，延性，加工硬化指数 n値，ひずみ速度感受性指数 m 値，絞り)に及ぼすアスペクト比の影響について比較，検討しつつ温度及び速度依存性も確認した。以下に本研究で得られた知見を記す。

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参考文献
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579 (2009‑4),29[2]板倉 浩二：塑性と加工 48‑556 (2007‑5),47[3]佐藤 千明：塑性と加工 46‑533 (2005‑6),6[4]鎌土 重晴ほか：塑性と加工 44‑504 (2003‑1),3[5]林 央ほか：塑性と加工 25‑280 (1984‑5),425[6]沢田 孚夫：塑性と加工 14－144 (1973‑1),26[7] 宅 田
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正 秀 ほ か ： 塑 性 と 加 工 49‑566(2008‑3),49

1) 0.2%耐力及び引張強さはアスペクト比の影響を顕著に示さなかった。また真応力―真ひずみにおける変形抵抗もアスペクト比の影響を顕著に示さなかったため，応力を示す機械的性質はアスペクト比の影響を受けないことが示された。
2) 破断伸びにおいては平行部幅が増加するにつれ破断伸びが増加することが示された。ただしこの延性の増加は局所伸びであり，均一伸びは変化しなかった。また速度及び温度変化において均一伸びは温度が高温になるにつれ速度上昇に伴い増加し，速度が低速になるにつれ温度上昇に伴い低下した。