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技術 材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 常見祐介広瀬智史上西朗弘
出願日 2013年10月31日 (6年7ヶ月経過) 出願番号 2013-227206
公開日 2015年5月7日 (5年1ヶ月経過) 公開番号 2015-087311
状態 特許登録済
技術分野 機械的応力負荷による材料の強さの調査
主要キーワード 歪勾配 破断変位 静水圧応力 シミュレーション図 鉄道車 相当応力 破断発生 中央断面
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年5月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (14)

課題

自動車車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行う。

解決手段

薄鋼板に対応した試験片を用いて、試験片における脆性破壊の評価項目破断変位吸収エネルギー脆性破面率等)を取得し、試験片の破断相当時における応力歪状態応力三軸度等)を取得し、応力歪状態と評価項目との関係を取得する。

概要

背景

近時では、自動車分野等における車体の軽量化のニーズが高まっており、これに応えるべく、薄鋼板におけるハイテン(High Tensile Strength Steel)化が進行している。

概要

自動車車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行う。薄鋼板に対応した試験片を用いて、試験片における脆性破壊の評価項目破断変位吸収エネルギー脆性破面率等)を取得し、試験片の破断相当時における応力歪状態応力三軸度等)を取得し、応力歪状態と評価項目との関係を取得する。

目的

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことを可能とする信頼性の高い材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体を提供する

効果

実績

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請求項1

薄鋼板を対象とした脆性破壊材料特性取得方法であって、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片における脆性破壊の評価項目を取得するステップと、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得するステップと、前記応力歪状態と前記評価項目との関係を取得するステップとを含むことを特徴とする材料特性取得方法。

請求項2

前記試験片は、短冊状の両端に所定の曲率切欠部が形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の材料特性取得方法。

請求項3

前記試験片は複数用意されており、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とする請求項2に記載の材料特性取得方法。

請求項4

前記評価項目は、破断変位吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の材料特性取得方法。

請求項5

前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の材料特性取得方法。

請求項6

前記薄鋼板は、引張強さが590N/mm2以上の冷延材であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の材料特性取得方法。

請求項7

薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得装置であって、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する応力歪状態算出部と、前記応力歪状態と、前記試験片を用いて取得された前記試験片における脆性破壊の評価項目との関係を所得する材料特性算出部とを含むことを特徴とする材料特性取得装置。

請求項8

前記試験片は、短冊状の両端に所定の曲率の切欠部が形成されたものであることを特徴とする請求項7に記載の材料特性取得装置。

請求項9

前記試験片は複数用意されており、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とする請求項8に記載の材料特性取得装置。

請求項10

前記評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の材料特性取得装置。

請求項11

前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の材料特性取得装置。

請求項12

前記薄鋼板は、引張強さが590N/mm2以上の冷延材であることを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の材料特性取得装置。

請求項13

薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性を取得するプログラムであって、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する手順と、前記応力歪状態と、前記試験片を用いて取得された前記試験片における脆性破壊の評価項目との関係を所得する手順とをコンピュータに実行させるためのプログラム。

請求項14

前記試験片は、短冊状の両端に所定の曲率の切欠部が形成されたものであることを特徴とする請求項13に記載のプログラム。

請求項15

前記試験片は複数用意されており、夫々の前記試験片における前記切欠部間の距離が同一とされていることを特徴とする請求項14に記載のプログラム。

請求項16

前記評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率であることを特徴とする請求項13〜15のいずれか1項に記載のプログラム。

請求項17

前記応力歪状態は、応力三軸度であることを特徴とする請求項13〜16のいずれか1項に記載のプログラム。

請求項18

前記薄鋼板は、引張強さが590N/mm2以上の冷延材であることを特徴とする請求項13〜17のいずれか1項に記載のプログラム。

請求項19

請求項13〜18のいずれか1項に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体

技術分野

0001

本発明は、薄鋼板を対象とした材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体に関する。

背景技術

0002

近時では、自動車分野等における車体の軽量化のニーズが高まっており、これに応えるべく、薄鋼板におけるハイテン(High Tensile Strength Steel)化が進行している。

先行技術

0003

特開2011−169745号公報

発明が解決しようとする課題

0004

一般的に、鉄(Fe)に代表される体心立方格子構造の金属(bcc金属)では、延性破壊脆性破壊の2種類の破壊が生じることが知られている。
通常の軟鋼板では、延性破壊で破断が生じる。これに対してハイテンでは、その高い変形抵抗に起因して、延性破壊だけではなく脆性破壊で破断が生じる可能性が高まる。

0005

脆性破壊は、亀裂進展時の吸収エネルギーが延性破壊の場合と比べて少ない等の特徴がある。そのため、薄鋼板における脆性破壊し易さについて定量的に評価する必要がある。
しかしながら従来では、薄鋼板の脆性破壊について定量的に評価する技術が未だ確立していないという現況にある。

0006

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、自動車車体鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことを可能とする信頼性の高い材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の材料特性取得方法は、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得方法であって、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片における脆性破壊の評価項目を取得するステップと、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得するステップと、前記応力歪状態と前記評価項目との関係を取得するステップとを含む。

0008

本発明の材料特性取得装置は、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する応力歪状態算出部と、前記応力歪状態と前記試験片を用いて取得された前記試験片における脆性破壊の評価項目との関係を所得する材料特性算出部とを含む。

0009

本発明のプログラムは、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性を取得するプログラムであって、前記薄鋼板に対応した試験片を用いて、前記試験片の破断相当時における応力歪状態を取得する手順と、前記応力歪状態と前記試験片を用いて取得された前記試験片における脆性破壊の評価項目との関係を所得する手順とをコンピュータに実行させるためのものである。

発明の効果

0010

本発明によれば、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことが可能となる。

図面の簡単な説明

0011

第1の実施形態による材料特性取得方法をステップ順に示すフロー図である。
第1の実施形態において用いる試験片を示す概略平面図である。
第1の実施形態の比較例で用いる試験片を示す概略平面図である。
試験片における引張試験シミュレーションを実行した様子を示す概略平面図である。
各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出した結果を示す特性図である。
第1の実施形態による材料特性取得装置を示すブロック図である。
各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出した結果を示す特性図である。
第1の実施形態について、衝撃3点曲げ試験を示す模式図である。
衝撃3点曲げ試験の結果に基づいて得られたFS曲線を示す特性図である。
FS曲線から決定された供試材破断点を示すシミュレーション図である。
得られた落垂変位応力三軸度との関係を示す特性図である。
第1の実施形態による結果に実験及びシミュレーションの結果を当てはめた様子を示す特性図である。
パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。

実施例

0012

以下、薄鋼板を対象とした脆性破壊の材料特性取得方法及び装置、並びにプログラム及び記録媒体の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

0013

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態による材料特性取得方法をステップ順に示すフロー図である。
図2は、第1の実施形態において用いる試験片を示す概略平面図である。図3は、第1の実施形態の比較例で用いる試験片を示す概略平面図である。

0014

本実施形態では、先ず、図2に例示するような複数の試験片を用いて引張試験を行う(ステップS1)。
図2(a)〜(c)にはUノッチの試験片11〜13を、(d)にはVノッチの試験片14を示す。試験片11〜14は、それぞれ短冊状とされており、引張強さが590N/mm2以上(且つ、作製技術上の制約を考慮して例えば3000N/mm2以下)の冷延材で形成された薄鋼板である。試験片11〜14は、長手方向の両辺(両端)に所定の曲率切欠部が形成されており、夫々の切欠部間の距離が同一とされている。
なお、前記冷延材で形成された薄鋼板の代わりに、ホットスタンプ後ホットスタンプ鋼板にも適用可能である。

0015

試験片11は、長手方向の各辺にUノッチとして曲率半径が30mmである一対の切欠部11a,11bが形成されており、切欠部11a,11b間の距離が12.5mmとされたものである。
試験片12は、長手方向の各辺にUノッチとして曲率半径が5mmである一対の切欠部12a,12bが形成されており、切欠部12a,12b間の距離が12.5mmとされたものである。
試験片13は、長手方向の各辺にUノッチとして曲率半径が0.5mmである一対の切欠部13a,13bが形成されており、切欠部13a,13b間の距離が12.5mmとされたものである。
試験片14は、長手方向の各辺に一対の第1切欠部14a1,14b1が形成され、第1切欠部14a1,14b1の中央部位にVノッチとして曲率半径が0.25mmである一対の第2切欠部14a2,14b2が形成されており、第2切欠部14a2,14b2間の距離が12.5mmとされたものである。

0016

なお、本実施形態の比較例として、図2の各図の試験片と切欠部間の距離を変えた試験片を用意し、本実施形態と同様に引張試験を行う。図3(a),(b)にUノッチの試験片21,22を示す。
試験片21は、比較例1に係るものであり、長手方向の各辺にUノッチとして曲率半径が5mmである一対の切欠部21a,21bが形成されており、切欠部21a,21b間の距離が15mmとされたものである。
試験片22は、比較例2に係るものであり、長手方向の各辺にUノッチとして曲率半径が5mmである一対の切欠部22a,22bが形成されており、切欠部22a,22b間の距離が10mmとされたものである。

0017

ステップS1では、各試験片について、イントロン引張試験機を用いて引張試験を行う。例えば、試験片11〜14,21〜22の各々について、引張試験の各条件を以下のように設定する。クロスヘッド速度は、JISで規定された範囲内の速度、例えば3mm/分とする。雰囲気温度は、−120℃程度〜200℃程度、好ましくは対象とする薄鋼板の使用環境における温度である−60℃程度〜80℃程度、例えば室温(25℃)とする。

0018

続いて、各試験片における脆性破壊の評価項目を測定する(ステップS2)。
本実施形態における脆性破壊の評価項目は、破断変位、吸収エネルギー、脆性破面率である。破断変位は、試験片における破断発生箇所の変位量(mm)である。吸収エネルギーは、材料の靭性粘り強さ)を示す特性値であって、試験片に破断が発生した時に試験片が吸収するエネルギー(Nm)である。脆性破面率は、試験片の破断発生による破断面のうち、脆性破面の持つ面積の割合を%表示した値である。

0019

ステップS2では、各試験片について、ステップS1で行った引張試験の結果に基づいて、破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率をそれぞれ測定する。
破断変位、吸収エネルギー、及び脆性破面率の具体的な測定結果の一例を以下の表1に示す。表1では、試験片11〜14,21〜22として引張強さが980MPa級板厚が1.6mmのもの(A材と言う)について測定した結果を例示する。

0020

0021

続いて、各試験片について、破断相当時における応力歪状態を算出する(ステップS3)。
本実施形態における応力歪状態は、応力三軸度である。応力三軸度の代わりに、或いは応力三軸度と共に、応力歪状態として応力勾配歪勾配を用いても良い。
応力三軸度は、三軸平均応力静水圧応力)を相当応力で除したパラメータであって、即ち以下のように定義される。

0022

0023

静水圧応力、Misesの相当応力は、それぞれ主応力σ1,σ2,σ3を用いて以下のように表すことができる。

0024

0025

これより、応力三軸度は以下のように表すことができる。

0026

0027

ステップS3では、FEM解析を用いて、各試験片における引張試験のシミュレーションを実行し、例えば図4に示すように、試験片に破断変位が発生した時点における試験片の図中破線で示す中央断面の応力三軸度分布を算出する。中央断面内で最大となる応力三軸度を、その試験片における代表の応力三軸度として導出する。
応力三軸度の具体的な算出結果の一例を以下の表2に示す。

0028

0029

続いて、各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出する(ステップS4)。
具体例として、試験片11〜14,21〜22について算出した結果を図5に示す。図5では、応力三軸度と破断変位との相関関係を(a)に、応力三軸度と吸収エネルギーとの相関関係を(b)に、応力三軸度と脆性破面率との相関関係を(c)にそれぞれ例示する。

0030

図5(a)〜(b)の各図に示すように、各試験片の結果ごとにプロットをとることにより、上記の各相関関係として、材料特性曲線が一意に定まる。これにより、複数の形状の試験片における材料特性を統一的に評価することができる。
本実施形態の比較例1として試験片21について、比較例2として試験片22について、それぞれ算出した結果を併せて図5に示す。比較例1,2では、図5(a)〜(c)のいずれにおいても、試験片11〜14,21〜22で規定された材料特性曲線から外れた値を示している。これは、1つの材料特性曲線を正確に得るには、各試験片における一対の切欠部間の距離を同一とする必要があることを示唆している。

0031

図6は、第1の実施形態による材料特性取得装置を示すブロック図である。
本実施形態による材料特性取得装置は、応力歪状態算出部31と、材料特性算出部32と、制御部33とを備えて構成される。

0032

応力歪状態算出部31は、上記した材料特性取得方法のステップS3を実行するものである。即ち応力歪状態算出部31は、例えばFEM解析を用いて、各試験片における引張試験のシミュレーションを実行し、試験片に破断変位が発生した時点における試験片の図中破線で示す中央断面の応力三軸度分布を算出する。中央断面内で最大となる応力三軸度を、その試験片における代表の応力三軸度として導出する。

0033

材料特性算出部32は、上記した材料特性取得方法のステップS4を実行するものである。即ち材料特性算出部32は、各試験片について、応力歪状態と評価項目との関係を算出する。本実施形態では、応力歪状態は応力三軸度であり、評価項目は破断変位、吸収エネルギー、脆性破面率である。

0034

制御部33は、応力歪状態算出部31及び材料特性算出部32を含む当該装置の各構成要素の動作を制御するものである。制御部33は、制御用プログラムを動作させるための中央処理装置(CPU)と、データを格納するための補助記憶装置とを備えている。

0035

本実施形態において、上述の例では、各試験片としてそれぞれA材(引張強さが980MPa級で板厚が1.6mmのもの)を用いた場合を例示した。以下、図2の試験片11〜14について、引張強さ及び板厚を変えたA材以外の各試験片(例えばB材、C材、D材)について、上記のステップS1、ステップS2、応力歪状態算出部31によるステップS3、材料特性算出部32によるステップS4を実行した結果について説明する。
B材、C材、D材は、以下のように規定される。

0036

0037

得られた結果を図7に示す。図7では、応力三軸度と破断変位との相関関係を(a)に、応力三軸度と吸収エネルギーとの相関関係を(b)に、応力三軸度と脆性破面率との相関関係を(c)にそれぞれ例示する。

0038

図7(a)〜(b)の各図に示すように、B材、C材、D材の各々について、各試験片の結果ごとにプロットをとることにより、上記の各相関関係として、材料特性曲線が一意に定まる。このように、引張強さや板厚の異なる種々の薄鋼板についても、それぞれ1つの材料特性曲線を得ることができる。

0039

本実施形態によって得られる材料特性曲線の正確性について、実験及びシミュレーションにより調べた。その結果について以下で説明する。
先ず、衝撃3点曲げ試験を行った。供試材として、図8(a)に示すように、900mm×125.3mmのサイズで図示のハット形状を持つD材(引張強さが1180MPa級で板厚が1.2mmのもの)を用いた。試験条件としては、図8(b)に示すように、供試材との衝突面に曲率半径60mm(R60)の円柱形状を持つ質量400kgの重りを用い、初速4.4m/sで供試材に対して落下させた。

0040

衝撃3点曲げ試験の結果に基づいて、シミュレーションにより荷重変位曲線(FS曲線)を得た。得られたFS曲線を図9に示す。FS曲線から決定された供試材の破断点(実験破談点)を図10に例示する。
図9及び図10の結果に基づいて得られる落垂変位と応力三軸度との関係を図11に示す。図11より、破断時の応力三軸度は0.5程度と見積もることができる。

0041

上記の見積結果を本実施形態に適用した。ここでは、図7(c)のD材に関する応力三軸度と脆性破面率との相関関係を用いた。図12に示すように、応力三軸度が0.5であるときには、D材の脆性破面率は50%程度となる。このように、本実施形態による結果と実験及びシミュレーションによる観察結果とが一致した。以上より、本実施形態によって得られる材料特性曲線は十分に正確であることが確認された。

0042

以上説明したように、本実施形態によれば、自動車車体や鉄道車体等に使用される薄鋼板について、その脆性破壊に関する材料特性の定量的な評価を容易且つ正確に行うことが可能となる。

0043

(第2の実施形態)
上述した第1の実施形態による材料特性取得装置の各構成要素(図6の応力歪状態算出部31、材料特性算出部32、制御部33等)の機能は、コンピュータのRAMやROM等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、第1の実施形態による解析方法の各ステップ(図1のステップS3〜S4等)は、コンピュータのRAMやROM等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は本実施形態に含まれる。

0044

具体的に、上記のプログラムは、例えばCD−ROMのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。上記のプログラムを記録する記録媒体としては、CD−ROM以外に、フレキシブルディスクハードディスク磁気テープ光磁気ディスク不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、上記のプログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、LAN、インターネットの等のWAN無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線無線回線等である。

0045

また、本実施形態に含まれるプログラムとしては、供給されたプログラムをコンピュータが実行することにより第1の実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているOS(オペレーティングシステム)或いは他のアプリケーションソフト等と共同して第1の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本実施形態に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボード機能拡張ユニットにより行われて第1の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本実施形態に含まれる。

0046

例えば、図13は、パーソナルユーザ端末装置の内部構成を示す模式図である。この図13において、1200はCPU1201を備えたパーソナルコンピュータ(PC)である。PC1200は、ROM1202またはハードディスク(HD)1211に記憶された、又はフレキシブルディスクドライブFD)1212より供給されるデバイス制御ソフトウェアを実行する。このPC1200は、システムバス1204に接続される各デバイス総括的に制御する。

0047

PC1200のCPU1201、ROM1202またはハードディスク(HD)1211に記憶されたプログラムにより、第1の実施形態の図1におけるステップS3〜S4の手順等が実現される。

0048

1203はRAMであり、CPU1201の主メモリワークエリア等として機能する。1205はキーボードコントローラKBC)であり、キーボード(KB)1209や不図示のデバイス等からの指示入力を制御する。

0049

1206はCRTコントローラ(CRTC)であり、CRTディスプレイ(CRT)1210の表示を制御する。1207はディスクコントローラ(DKC)である。DKC1207は、ブートプログラム、複数のアプリケーション編集ファイルユーザファイルネットワーク管理プログラム等を記憶するハードディスク(HD)1211、及びフレキシブルディスク(FD)1212とのアクセスを制御する。ここで、ブートプログラムとは、パソコンハードやソフトの実行(動作)を開始する起動プログラムである。

0050

1208はネットワークインターフェースカード(NIC)であり、LAN1220を介して、ネットワークプリンタ、他のネットワーク機器、或いは他のPCと双方向のデータのやり取りを行う。
なお、パーソナルユーザ端末装置を用いる代わりに、材料特性取得装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。

0051

11〜14,21〜22試験片
11a,11b,12a,12b,13a,13b,21a,21b,22a,22b切欠部
14a1,14b1 第1切欠部
14a2,14b2 第2切欠部
31応力歪状態算出部
32材料特性算出部
33 制御部

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