2015 Fiscal Year Research-status Report
多軸応力依存性を考慮した鋼のTRIP挙動のモデル化と熱間プレス成形解析への適用
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15K05714
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
大下 賢一 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60334471)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長岐 滋 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30135959)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 相変態 / 変態塑性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多軸（引張/圧縮・ねじり二軸）応力下において，高温状態から急速冷却した時に生じる固体間の相変態（ベイナイト変態，マルテンサイト変態など）に及ぼす応力の影響を明らかにするために，以下の検討を行った．
まず，S45CおよびSCM440について変態膨張や変態誘起塑性変形の測定精度を向上させるために冷却機構等を変更した．これによりSCM440材のマルテンサイト変態挙動を生じさせるのに十分な冷却速度が可能となった．また，これまでは錘の負荷を手動で行っていたが，新規購入した単軸ロボットを用いることにより自動負荷することが一部可能となり，実験結果の再現性が大幅に向上した．これまでにこの装置を用いて引張・圧縮／ねじり／曲げ応力下における基本的な変態塑性挙動を測定し，さらにこの挙動に対して，(1) 高温保持温度・時間およびそれに伴う結晶粒径寸法が与える影響，(2) オーステナイト保持中に与える予塑性ひずみが与える影響，についても実験的検討を行った．
次に，得られた結果を基に上記材料の変態塑性挙動が静水圧応力に依存するとして新たに構成式を提案した．この構成式の妥当性の検証として有限要素解析ソフトAbaqusにコーディングし，有限要素法による熱・弾塑性解析を実施した．得られた実験結果と解析結果を比較・検討することにより構成式の高度化を目指している．
多軸応力下での変態塑性挙動に関する研究は，鋼の変態塑性挙動を考慮した熱・弾塑性構成式の高精度化およびホットプレスに関するシミュレーションを実施するうえで非常に重要となるが，これまでに系統的な実験的検討を行った結果は極めて少なく，これらの結果は本研究を遂行する上で意義深い．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
交付申請書に記載した「研究実施計画」に基づき，冷却システムおよび負荷システムを中心に装置の改良を行った．これにより，マルテンサイト変態を生じさせるのに十分な冷却速度で精度良く変態塑性ひずみを計測できるようになった．この装置を用いて引張応力とせん断応力を負荷した状態で急速冷却実験を行い，マルテンサイト，ベイナイトおよびパーライト変態開始と終了の温度，変態塑性ひずみを求め，相変態の応力依存性や変態塑性係数に関する基本的な情報を得た．この結果を基に応力－温度空間における変態曲面，変態曲面に対するひずみの法線則の妥当性について検討した結果，S45C鋼のパーライト変態およびSCM440鋼のベイナイト変態については変態塑性ひずみが静水圧応力依存型の構成式で表現されることを示した．
さらに高温保持温度および保持時間を変化させることによりオーステナイト粒径が変態塑性挙動に及ぼす影響について検討した．また，三点曲げ試験装置を用いてオーステナイト領域で予塑性ひずみを与えた試験片の変態塑性挙動を計測し，塑性ひずみが変態塑性挙動に与える影響についても検討した．ただし，予塑性ひずみを曲げ荷重によって与えたため，試験片内部で予塑性ひずみの大きさに分布が生じており，構成関係を求めるには至らなかった．そこで，加熱・冷却状態で引張・曲げ応力を板材に負荷できるホットプレス過程を模擬した試験装置を試作し，引張・曲げ応力下での急速冷却実験中に生じる変態塑性挙動を計測した．ただし，現装置では負荷することが可能な最大引張応力は降伏点以下となっており，ホットプレス過程を模擬するためには装置の更なる改良が必要となる．これは次年度以降の課題である．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きS45CおよびSCM440に対して様々な冷却速度において加熱・冷却実験を行い，変態曲面のデータ，各種材料パラメータのデータを蓄積し，提案した弾塑性・変態較正モデルが他の変態挙動に対しても適用することが可能か検討する．さらに加熱・冷却状態で引張・曲げ応力を板材に負荷できるホットプレス過程を模擬した試験装置の改良を目指す．現時点では降伏応力を超える引張荷重を負荷することができない．これは主として試験片チャック部のピン・ボルトなどの強度不足による．そこで，今後はこれらの高強度化とともに試験片断面積を小さくすることも検討する．また，現時点では曲げ変形を測定するシステムは備わっているが引張変形については計測することができない．そこで新たに軸方向に対しても変位計測システムを構築することにより，加熱・冷却過程における曲げ／引張変形の計測を試みる．これによりホットプレス過程のみならず，熱間圧延過程を模擬することも可能となり，より実現象に近い状態下での変態塑性挙動を把握することが出来る．
一方，提案した構成式を汎用有限要素解析ソフトAbaqusにコーディングする．現時点でコーディングはほぼ終了しているが，試験条件によっては解析エラーが発生しているためデバッグ作業が不完全な状態にある．単軸試験結果より得られた各種材料パラメータを基に得たシミュレーション結果と実験結果と比較・検討することで構成式の高精度化とともに，ホットプレス過程の変形シミュレーションの確立を目指す．
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| Causes of Carryover |
H27年度未使用額として334,166円が生じた．これは交付申請書に記載した「解析用ソフトウエア」を同研究室の他の研究予算で購入したものを使用できたため余剰金が生じたことが大きい．ただし，解析用ソフトウエアは単年度のライセンス更新契約となっているため，H28年度は同解析用ソフトウエアの年間ライセンス料金として850千円，必要となる．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度は同解析用ソフトウエアの年間ライセンス料金として850千円，必要となる．また，今後の研究の推進方策にも示したように，新たに引張変位を計測するためのシステム一式および試験片に対してより高負荷が可能な試験機へ改良するための部品を購入予定である．さらにH27年度と同様，試験片を20本程度購入する．
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