2 軸応力下におけるアルミニウム合金板材の機械的性質と結晶粒成長
上海交通大学材料科学部
副教授 孫 業賛
（平成 16 年度国際交流助成 AF2004029）
2 軸応力下,キーワード：アルミニウム合金薄板,

1. 研 究 の 目 的 と 背 景結晶粒成長した．以後，この荷重比を用いる．

アルミニウム合金板材は重要な産業用資材として航空

ミクロ組織測定の試験片採取はそれぞれの点で引張試機と自動車向けに広範囲に活用されている．単軸引張応

験を途中止めし，試験片中心部から 3 方向（表面，圧延力下における合金の負荷と結晶粒成長の関係はすでに研方向断面，圧延方向と垂直の断面）各々 4 × 4mm 程度

究がなされ，その結果が材料科学の文献に報告 1-3) されを摘出した．ている．しかし、多軸応力下のおける負荷と結晶粒成長

3. 実 験 結 果 と 解 析の関係についは研究報告が多くない．従って，多軸応力3.1

荷重 - 時間曲線下における微細構造と機械的性質に関し，単軸引張応力2 軸引張試験では十字型試験片の RD 軸を装着した側下とどのような相異があるのかについては余り知られての負荷を TD 軸より大きくとり荷重比を設定した．荷重いない．アルミニウム合金板材製十字型試験片を用いて比2 軸応力下における結晶粒の変形と結晶粒界破壊のプロ

0.88を図-2，α 0 ＝0.71を図-3にそれぞれ示す．

α 0 ＝ Py/Px において，α 0 ＝ 1.0 を図-1，α 0 ＝セスについて，基本的な材料科学の疑問を考察する．
140

2. 実 験 方 法
2.1

Rolling direction

供試材と試験片，試験機

120

供試材には公称板厚 1mm のアルミニウム合金板材（ DD ）となるように板材から採取した．この試験片を2 軸引張試験に対応する単軸試験片とし，引張試験機は40

インストロンタイプ（約 10 tonf ）を用いた．

202 軸引張試験片は片面腐食型で，板材の圧延方向（ RD ）と板材の圧延方向と垂直方向（ TD ）とを直交0させた 140 × 140mm の十字型試験片 4) を採用した． 2アルミニウム板材 （ A1050-O）
荷重-時間 曲線
α0＝1.00（荷重比）
β0＝1.00（公称ひずみ比）

20 40 60 80 100 120 140 160 180
Time (sec.)

軸引張試験機は機械式ひずみ制御試験機 4) （ 1 軸に対し

図-1 荷重比 α 0=1.0 の時間 -荷重 曲線．
曲線上の B2, C2 は引張り過程の中間である第 2点．D2 は試験片の破断点である．

約 1 tonf ）を用いた．
2.2

Transverse direction

8060

D2C2100
Load P(kgf)

A1050-Oを用いた．単軸引張試験片形状は JIS 5 号とし，試験片は長手方向と圧延方向とが 45 度方向

B2実験数
単軸引張試験と 2 軸引張試験の実験内容を表-1に示す． 2 軸引張試験は十字型試験片の RD 軸を装着した側140と TD 軸を装着した側の引張速度を変化させてつくった

120Ro lling dir ecti on

ひずみ比を基準としておこなった．各々の引張速度は相実験数

Load P(kgf)

表-1

荷 重 比
α0 =Py/Px0

途中止め
B1 , C1D140

11

B2 , C2D2200.670.88

B3 , C3

D30.330.71

B4 , C4Aは素材，各荷重比共通D4当ひずみで一致するように設定した．荷重比は r =1 ，公称ひずみε 0 ≅ 真ひずみεとして , ひずみ比から算出

B380

ひずみ比
β0-0.5

破断点

C3100600D3Transverse direction

アルミニウム板材 A1050-O
荷重-時間 曲線
α0 ＝0.88（荷重比）
β0 ＝0.67（公称ひずみ比）

20 4060 80 10 0 120 140 160 180
Tim e (sec.)

図-2 荷重比 α0 =0.88の時間-荷重 曲線．
曲線上のB3 , C3 は引張り過程の中間である第2点．D3 は試験片の破断点である．

160
140

Ro lli ng dir ection

D4C4120

B4Load P(kgf)100Transverse direction

80
6040
200アルミニウム板材 A1050-O
荷重-時間 曲線
α0 ＝0.71（荷重比）
β0 ＝0.33（公称ひずみ比）

20 40 60 80 100 120 140 160 180
Time (sec.)

図-3 荷重比 α0 =0.71の時間-荷重 曲線．
曲線上のB4 , C4 は引張り過程の中間である第2点．D4 は試験片の破断点である．

図-4アルミニウム合金A1050-O薄板の素材 A

図-5単軸引張試験における途中止め

B1

図-6

単軸引張試験における途中止め

C1

図-1から図-3において， Px と Py 間の荷重差はα 0 の減 少と共に増加している．これは RD 軸の主応力σ 1 とRD 軸に帰属するせん断応力τ ｘ が TD 軸の主応力σ 2とそのせん断応力τ ｙ より大きいことを意味する．せん断応力τ ｘ とτ ｙ とは金属における結晶粒界に従って作用し，面内 2 軸応力下における結晶粒成長の挙動を決定する．
3.2

ミクロ組織

表-1に おけるミクロ組織を図-4から図 -16 に示す．このミクロ組織を作成 するために用いた化学薬品調合表を表 -2に示す．おのおのサンプル作成の最適腐食時間は 4分以内を基準にした．

表 -2

化学薬品調合腐食液の成分 5 )名称
Poulton 液
HNO3K2CrO4

分量

状態

濃縮50 ml
濃縮25 ml
30g /100ml H2O
Poulton 液の割合HF1 ml
48%
濃縮HCl12 ml
濃縮
HNO36 ml
蒸留水
1 ml

D1

α 0 ＝ 1 における途中止め D2

図 -102 軸引張試験

α 0 ＝ 1 における途中止め B2

図 -112 軸引張試験α 0 ＝0.88における途中止め B3

α 0 ＝ 1 における途中止め C2

図 -122 軸引張試験α 0 ＝0.88における途中止め C3

図-7

単軸引張試験における途中止め

図-82 軸引張試験

図-92 軸引張試験

図 -132 軸引張試験α 0 ＝0.88における途中止め D3

図 -163.32 軸引張試験α 0 ＝0.71における途中止め D4
結晶粒成長

素材表面の 1 平方ミリメートルに存在する結晶粒数は線分法により求めた．試験片の伸びと粒径成長の関係を結晶粒数 （粒数/平方ミリ）

図 -17 に示す．

図 -142 軸引張試験α 0 ＝0.71における途中止め B41500
D214001300

A1050-O
単軸試験
等2軸試験

B21200C21100

D11000AB1900

C1800
0510152025303540

試験片チャック間 80mm の伸び (mm)
図-17 等2軸と単軸引張試験における1平方ｍｍあたりの試験片伸びにたいする結晶粒増減推移

ポ イント A はA1050-Oの素材である．単軸試験と等 2 軸試験のグラフを比較すると結晶粒成長の法則が考察できる．いずれの場合も C 点で結晶粒の様子が変わる． B 点から C 点までは結晶粒の大きさが増加し，単位面積あたりの数が減少する． C 点を通過すると１つの結晶粒は試験片の伸びが増加するとともに分裂する．この結果，１つの結晶粒の大きさが減少し単位面積あたりの数が増加する．単位面積あたりの 2 軸引張りにおける結晶粒の数は単軸引張りにおけるそれよりも大きいことは明白である． 2 軸引張り α＝ 1.0 では全ての点で素材 A より上にある．逆に単 軸引張り α 0 ＝ 0 は素材 A より0下のラインにある．又， 2 軸応力 下における結晶粒の伸図 -152 軸引張試験α 0 ＝0.71における途中止め C4びは単軸応力下のそれより短い．
1 平方 mm あたりの伸びに対する結晶粒の関係は図 -18に示す．

α0=1.0
α0=0.88α0=0.711400
B21300R

D2C2と Peq を図 -19 に示す．図 -19 をみると破断をまね く荷重 RD3とTは αる 間，結晶粒の成長はただ α

B31100，T開始された時，破断荷重 RC3B4D46080100120

は全て Peq の下におに 2 軸状態の伸びを短くさせて い る．その理由は RT40とTかれる．これは図 -17 で示すように，単軸状態伸び以上C4A1050-O8000 と結びついているだけで Peq は 関 係がないことが立証できた．試験片の破断が10009000 とともに変化しているのに対して は Peq ほとんど一定である．引張をうけてい

1200

結晶粒数 （粒数/平方ミリ）

1500

140 160

180とは一方向ではなく全方向に結晶粒を膨張させているためである．

試 験 片 の 伸 び 時 間 (秒)4. 結 言図-18 2軸試験の荷重比における 1 平方ｍｍあたりの結晶粒の変化．

十字型試験片を用いて 2 軸応力下における実験をおこなっ た．実験の結果，単軸応力下では知り得なかった以下の知見が習得 できた．

図 -17 にお いて， B2, C2 と D2 点を通過する線は α01 ．引張応力下における結晶粒の成長は 2 つの場面に分＝ 1.0 の時の実験結果である． B3, C3 と D3 点を通過す類できる．単軸であれ 2 軸であれ単位面積あたりの結晶0 ＝ 0.88の時 の 実験結果である． B4, C4と D4 点を通過する線は α 0 ＝0.71の時の実験結果で粒数は塑性変形の過程で始めは減少する．その後結晶粒ある．この 3 つ の線をそれぞれ比較すると単位面積あた2.

る線は αの自己分裂過程でその数が増加する．
2 軸応力下における単位面積あたりの結晶粒の数は0 値の減少とともに減少しているこ

荷重比 αとが，ほぼ実態として決定されている．この理由は各々している .の結晶粒界における せん断力効果が α

り の結晶粒数は α0 が大きいほど大きく，荷重比に相関性を示

0 値の減少とと3 ． 2 軸引張応力下におけるアルミニウム合金板材は，もに 2 軸から単軸に徐々に変化している．各々の結晶粒2 方向の合力で定義される破断荷重 Peq は一定であり，が 2 軸せん断応力によって分解される程度 はτ ｘ = τ ｙ

荷重比α 0 と相関しない．

（ α0 ＝ 1.0 ）のとき最大になる．

試験片表面の面上 RD における引張荷重を R
T， TD を謝 辞とす る．

Peq = R 2 + T 2で定義する合力を Peq とする．

この論文は法政大学工学部 大澤研究室で2004年夏に着手 し秋に完成した．大澤泰明教授並びに大澤研究室学生
諸君は実験に好意で協力してい ただいた．ミクロ組織の金相写 真作成にあたり井野博満教授から井野研究室の機材を使用させていただいた．私の研究に協力して頂いた

200
180
160
140
120
100
806040

法政大学の皆様に深く感謝の意を表します．
この研究は天田金属加工機械技術振興財団からの助成金の交付をうけて制作いたしました．天田金属加工機械技術振興財団のご好意に深く感謝申し上げます．

参 考 文 献βo ＝0.33

βo ＝0.67

βo ＝1.0

αo ＝0.71

αo ＝0.88αo ＝1.0

Px ｋｇｆ

Py ｋｇｆPeq kgf

1. William F. Smith, Principles of Materials Science andEngineering, 2nd ed, McGraw-Hill,(1990), 243-308.
2. R. W. Herzberg, Deformation and Fracture Mechanics ofEngineering Materials, 3d ed., Wiley, (1989).
3. T.H.Courtney, Mechanical Behavior of Materials,
McGraw-Hill, (1989).

図 -19

荷重 - 時間と 荷重比 α0 ，ひずみ比β 0 に対する関係のグラフ．

曲線の D 点における破断荷重

4. 吉水源宏・桑原利彦・杉林俊雄・磯野宏秋・戸次洋
一郎・大澤泰明：軽金属， 53(2003), 284-289.
5. 材料技術教育会編集，組織検査用試料の作 り方，槇

荷重比 α0 別の荷重 - 時間曲線の D 点における書店， (2000). 197-216.