冷間圧延クラッドの層間強度評価法開発
宮城工業高等専門学校 材料工学科助手

熊谷 進（平成 17 年度奨励研究 AF-2004022）
キーワード：強度試験法、引張特性、金属材料
1. 研究の目的と背景状に深いスリットを付与した試験片に上下からくさ

金属系複合材料であるクラッド材は工業材料としびを打ち込むことで試験片に引張破壊を生じさせる。ての地位も確立しており、用途は多種多様である。

供試材には 3 種類の金属を用いた。マグネシウム

しかしながら、異種金属の圧延圧着では界面(層間)合金（AZ31）、アルミニウム合金（A7075）および電に熱膨張率の違いによる大きな残留応力が生じてお磁軟鉄である。図 2 に試験片形状を示す。破壊形態

り、低い力学的負荷でもはく離き裂発生の可能性がに及ぼす試験片形状の影響を検討するために試験片ある。また、クラッド材のような金属系積層材料を

幅 2w=10、15、20 mm の 3 種類とした。先ず、各金属対象とした層間特性評価法が確立されていないため、の板材から帯鋸盤およびフライス盤を用いて、10 mm信頼性のある層間強度のデータが得られず、このこ×10 mm の正方形断面棒を形削・採取し、表面を平滑とが開発・実用化推進の阻害要因となる場合も予想に仕上げた後、ワイヤ放電加工機を用いて試験片形され、評価法確立が急務の検討課題である。

状に加工した。

積層材料の層間特性に関して、ガラス繊維強化プ作製した試験片を治具に取り付け、2 MN 圧縮試験

ラスチックおよび炭素繊維強化プラスチックを対象機を用いてウェッジ押し込み引張試験を行った。クとした特性評価法に関する整備が進んでおり、層間ロスヘッド速度は 0.5 mm/min としロードセルと試験せん断強度を求める方法

1,2)

やモード I・モード IIエネルギー解放率を求める方法

3)が既に標準化されている。このようなプラスチックを対象とした評価

片中央に貼り付けたゲージ長 0.2 mm のひずみゲージ（KYOWA,KFRS-02-120-C1-13L1N3R）から、荷重およびひずみを計測した。

法を金属基の積層材料に適用しようとしても目的と実験を行った試験片の破面は、光学顕微鏡を用いする破壊形態を得ることが困難であったり、試験片て観察した後に、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いてとして要求される寸法を採取することが困難であっ破面観察を行った。

たりする。
本研究は、異種金属積層材料における層間強度の荷重ような試験・評価が困難な力学特性を評価する方法を開発することを目的としている。即ち、異種材料接合材料の層間強度評価に適用可能な引張試験法を考案し、マグネシウム合金、アルミニウム合金、極低炭素鋼を対象として試験法に関する評価を行ったもので、引張挙動に及ぼす試験片形状の影響を実験に有限要素法を用いた理論的検討を加えることで明らかにしたものである。

2. ウェッジ押し込み引張試験
異種金属間の層間特性評価に関して、破壊力学的手法を用いることは応力の特異性の問題により困難

くさび型治具試験片である。そこで層間に単純引張破壊を生じさせることで、層間強度を評価する方法を考案した。図１に試験治具の模式図を示す。立方体あるいは直方体形

図 1 ウェッジ押し込み型引張試験

86Load [kN]

２９０°１２２42１０AZ31０．５01２ｗ［単位：ｍｍ］

図 2 試験片形状

2 3 4Strain (%)

56

図 4 AZ31 の荷重－ひずみ曲線

Load[kN]

105707501

図 3 有限要素メッシュ図(2w=10)

2 3 4Strain(%)

56

図 5 A7075 の荷重－ひずみ曲線
表 1 解析に用いた弾性定数3. 有限要素解析

15Load [kN]

ヤング率
ポアソン比(GPa)AZ3144.60.35
A7075
71.40.33
電磁軟鉄2110.29
治具
2300.33105Fe

試験片内の応力分布を検討するため有限要素解析を行った。図 3 に 2w=10 mm の場合の解析に用いたメッシュ図を示す。問題の対称性から 1/4 の領域をモ01デル化している。y 方向を負荷方向、x 方向を試験片幅方向と一致させている。解析は線形弾性体を仮定

2 3 4Strain (%)

56

図 6 電磁軟鉄の荷重－ひずみ曲線

し、平面ひずみ、6 節点 3 角形要素とし、治具と試料の接触面に接触要素を用いて解析を行った。表 1 は4. 結果および考察解析に用いた各材料および治具の弾性定数である。

4・1 荷重－ひずみ関係

評定部の応力に及ぼす試験片幅 2w の影響を解析する

図 4～6 はそれぞれ AZ31、A7075、電磁軟鉄の荷重ため 2w=10、15、20 mm と変化させた。

－ひずみ曲線を示したもので、2w=10 mm の場合である。何れの場合も約 5 %のひずみでひずみゲージが破損するため、試験片破断までのひずみは計測できていない。なお、電磁軟鉄は塑性変形量が大きく、本試験法では破断しなかった。AZ31 は荷重初期からなだらかに非線形を示し、A7075 の場合は降伏点が明瞭に現れ、電磁軟鉄では、上下降伏点が計測されてお(a) 2w=10 mmり、通常の引張試験から得られる応力－ひずみ曲線と傾向がよく一致している。
4・2 強度測定
表 2 は AZ31 の実験結果を示したもので、Pmaxは最大荷重、Ao は評定部原断面積である。なお、通常の引張試験から得られる AZ31 の引張強さは 290(b) 2w=15 mm

MPa （ カ タ ロ グ 値 ） で あ る 。 2w の 減 少 に 伴 い
Pmax/Ao は増大しており、試験片形状の影響を受けている。本試験片では平面ひずみの状態になるため、カタログ値よりも低くなることが予想されるが、2w=10 mm の場合には非常に高い Pmax/Ao が得られた。図 7 は AZ31 の破面観察写真である。破面全(c) 2w=20 mm

体にディンプルが広がっており、引張破壊が生じて図7いる。また、試験片幅による破面の差異は明らかで破面観察 SEM 写真(AZ31)はない。
表 3 は A7075 の結果である。なお、A7075 の引張強さのカタログ値(T6)は 530 MPa である。熱処理によ

表 3 各種試験片形状における A7075 の最大荷重って強度特性も大きく変化するため、カタログ値と値の比較はできないが、AZ31 の結果も考慮すると、

2w(m m )#2w=10 mm の試験片は引張強さを過大評価していると考えられる。図７は A7075 の破面写真である。AZ31と同様に破断面全体に引張破壊が生じている。また、試験片厚さ方向(本紙面横方向)に 2w=10 mm では大きく塑性変形している。
表 2 各種試験片形状における AZ31 の最大荷重#2w(mm)Pmax(kN)

Pmax/Ao(MPa)

Mg10-1
Mg10-2
Mg10-3
Mg10-4
Mg10-5平均1010101010

5.84
6.39
6.30
6.96
6.22

292
319
315
348
311
317

Mg15-1
Mg15-2
Mg15-3平均151515

5.14
5.20
6.06

257
260
303
273

Mg20-1
Mg20-2
Mg20-3平均202020

5.47
4.65
5.24

273
232
262
256

P m ax(kN )P m ax/A o(M Pa)

A l10-1
A l10-2
A l10-3
A l10-4
平均10101010

10.67
11.83
9.79
11.59

533
591
489
580
548

A l15-1
A l15-2
A l15-3
平均151515

8.87
10.57
11.08443529554509

A l20-2
平均2010.18509509(a) 2w=10 mm
図8

破面観察 SEM 写真(A7075)

て、剛性の低い材料の方がより影響を受けやすい。

5. 結言
ウェッジ押込みによる引張試験法を考案し、得られる強度特性に及ぼす材料の種類および試験片形状(b) 2w=15 mmの影響について理論的実験的検討を行った。実験はマグネシウム合金 AZ31、アルミニウム合金 A7075、
電磁軟鉄を対象に行い、試験片中央に小型のひずみゲージを貼付することで、ウェッジによる荷重と試験片中央部のひずみの関係を検討した。ウェッジからの荷重による試験片中央部に発生する引張応力は(c) 2w=20 mm
図8

有限要素解析の結果、供試材および試験片形状の影

破面観察 SEM 写真(A7075)響を受けることが明らかになり、本試験法から引張応力－ひずみ曲線を得るには至らなかった。しかしながら、試験片幅の大きい試験片に関してはウェッ

表 4 有限要素解析結果ジの負荷と試験片中央の引張成分がほぼ等しいため、

AZ31AZ31AZ31

寸法2w(mm)101520y 方向
負荷荷重(kN)
101010A7075A7075A7075

1015201010109.94
10.00
10.00

電磁軟鉄
電磁軟鉄
電磁軟鉄

1015201010109.98
10.00
10.00

供試材

x 方向
引張成分(kN)
9.94
9.97
10.02

ある一定上の試験片幅であれば適切な応力－ひずみ曲線が取得できる可能性を示すことが出来た。
等方性線形弾性体を仮定した有限要素解析では、試験片幅の減少に伴いウェッジの負荷に対する試験片中央の引張成分は減少した。これは実験結果と傾向が一致しているものの、本研究で対象とした供試材に関しては塑性変形および大変形も考慮した詳細な解析も必要であり今後の課題である。
冷間圧延クラッドの層間は本研究で対象とした供試材のような延性はないため、本試験法で破断させることは容易であると考えられる。今後クラッド材

4・3 応力解析からの試験片採取方法や強度の評価に関して詳細に

表 4 に有限要素解析結果を示す。y 方向のウェッジ検討を行っていきたい。

を介した負荷が適切に試験片中央部(評定部)で引張応力となっているか検討するため、試験片中央部の x

謝辞

方応力を評定部原断面積 Ao で除した値を示す。比較本研究の遂行にあたり、天田金属加工機械技術振のため y 方向の負荷は 10 kN と固定した。何れの材興財団の研究助成を受けたことを付記し、感謝の意

料でも試験片幅 2w の減少に伴い引張成分は減少してを表します。

いる。つまり、試験片幅の十分でない試験片の場合、評定部以外の変形も生じ、評定部の引張方向の力が参考文献減少し、結果として見かけ上、試験片幅の減少に伴

1). JIS K 7057-1995: ガラス繊維強化プラスチック

い実験で得られる最大荷重が増大すると予想される。
これは AZ31 および A7075 の実験結果と定性的にではあるが傾向は一致している。
また、本研究で対象とした 3 種類の金属の中でAZ31 が最も顕著に 2w の影響を受けている。したがっの層間せん断試験方法, 日本規格協会
2). JIS K 7078-1991: 炭素繊維強化プラスチックの層間せん断試験方法, 日本規格協会
3). JIS K 7086-1993: 炭素繊維強化プラスチックの層間破壊靱性試験方法, 日本規格協会