2021 Fiscal Year Research-status Report
Optimal design of 2D cell type structure of magnesium alloys considering mechanical characteristics induced by deformation twins
| Project/Area Number |
21K03781
|
|---|
| Research Institution | Okayama University of Science |
|---|
Principal Investigator |
清水 一郎 岡山理科大学, 工学部, 教授 (10263625)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹元 嘉利 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (60216942)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 機械材料 / マグネシウム合金 / 塑性変形 / 変形双晶 / ２Ｄセル状構造体 / 静水圧依存性 / ひずみ勾配 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はマグネシウム合金において，集合組織と負荷様式および負荷方向に依存する変形双晶がもたらす特異な力学的挙動を定量的に理解し，その知見に基づいて所望される機能を最大限に発現する２Ｄセル状構造体設計手法の確立を目指している．
2021年度は，板厚の異なる２種類のAZ31マグネシウム合金を入手し，変形様式が力学的挙動に及ぼす影響を調べた．具体的にはまず，集合組織が異なる２種類のAZ31マグネシウム合金素材に対して実施した比例ひずみ経路二軸圧縮試験の結果に基づき，圧縮塑性変形と成形限界の静水圧応力依存性を検討した．その成果として，強い集合組織を有する素材では，変形双晶の活動によって静水圧応力に対する塑性仕事増分が低下して増分増加域が現れること，圧縮成形限界時の最大せん断応力は静水圧応力とほぼ線形関係を示すが，静水圧応力の増加は変形双晶の活動を抑制する方向に働くことを明らかにした．これらは，静水圧応力が作用する多軸応力状態下にて変形双晶が力学的性質に及ぼす影響を考慮するために重要な知見である．
続いて，２Ｄセル状構造体への適用を前提としたAZ31マグネシウム合金薄板材において，面内ひずみ勾配が力学的挙動に及ぼす影響を調べるため，新たに構造体ユニットセルを模した櫛形試験片による引張り曲げ試験法を考案した．複数形状のモデルに対して有限要素法解析を実施し，ひずみ勾配を制御可能な試験片形状を決定した後，レーザー加工機によってAZ31マグネシウム合金薄板材から試験片形状を切り出し，引張り曲げ試験により対称線上のひずみ勾配を評価した．その結果，対称線上において，座屈を生じることなく圧縮領域を含む直線的なひずみ勾配を得ることが可能となった．現在，圧延によって集合組織を制御した素材に対して引張り曲げ試験を実施し，変形双晶がもたらす力学的特異性に及ぼすひずみ勾配の影響について結果を蓄積している．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度の主要な研究計画は「①マグネシウム合金板材の入手と塑性加工および熱処理の組合せによる組織調整」「②各種力学的試験による塑性変形挙動と変形双晶活動の調査」「③レーザー加工機による２Ｄセル構造の試作」の３点である．
①について，板厚の異なる２種類のAZ31マグネシウム合金板材を入手し，圧延加工と熱処理の組み合わせによって，制御された集合組織を有しつつ延性を確保できる組織状態の探索を行った．結果として，最適条件の決定には更なるデータ蓄積が必要であるものの，集合組織と延性を両立する加工条件と熱処理条件を得ることに成功している．
②に関しては，二軸圧縮試験結果より静水圧応力が変形双晶の活動に関連して圧縮塑性変形と成形限界に及ぼす影響を明らかにした．加えて，構造体ユニットセルを模擬した櫛形試験片による引張り曲げ試験法を新たに考案し，圧縮領域を含む面内ひずみ勾配を得ることができた．これらは，今後の２Ｄセル状構造体設計手法の確立に繋がる重要な成果である．
③については，入手したレーザー加工機を用いて，約0.5 mm厚のマグネシウム合金板材から２Ｄセル形状を切り出すための加工条件を確立した．また，その条件に基づいて実際にセル構造体の試作を行うことができた．
以上の通り，本研究は今のところ，ほぼ計画通りに遂行できていると考える．
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究は順調に進行しており，研究遂行にあたって大きな問題は発生していない．2021年度の研究成果を踏まえ，2022年度以降は本研究の目標を達成するために次の通り研究を進める計画である．
（１）マグネシウム合金が塑性変形時に示す特異な力学的挙動を考慮したセル状構造体の形状設計方針の明確化を試みる．具体的にはまず，マグネシウム合金板材の面内引張り試験および曲げ試験を通じて，ひずみ勾配を含む変形様式の差異が力学特性に及ぼす影響を明らかにする．この点については2021年度にある程度の知見を得ているが，更なるデータ蓄積を進めて精度の高い包括的表現を試みる．続いてマグネシウム合金板材から，設計パラメータを複数通りに変えた２Ｄセル構造体ユニットモデルをレーザー加工によって作製し，面内変形を与えた際の構造体としての力学特性および変形過程を調べる．レーザー加工条件は2021年度に確立済みである．その際，集合組織と負荷方向に基づく変形双晶の活動域を顕微鏡解析によって同定する．得られた結果を応用して，高剛性と応力集中回避による優れた変形能を両立するセル状構造体の設計を目指す．一方，力学的試験と並行してシミュレーション解析の検討も進める．
（２）本研究の最終目標であるマグネシウム合金製２Ｄセル状構造体の最適設計手法を確立するために，（１）で得られた力学的試験結果と解析によるシミュレーション結果を比較し，解析に基づく設計手法が，試験によって定量評価された変形分布とその履歴を予測可能であることを確かめる．以上の知見に基づき，所望される力学的特性を発現可能なマグネシウム合金製２Ｄセル状構造体を実際に製作し，その力学的評価の結果から設計手法の有効性を検証する．
|
| Causes of Carryover |
本研究の遂行に不可欠なレーザー加工機は進歩が著しく製品改良プロセスが早いことから，当初の見積り額よりも安価に購入することが可能となった．また，本研究の成果について２度の学会発表を行ったが，いずれもオンライン開催に変更されたため計上していた出張旅費が不要であった．2022年度以降，研究の進行に伴ってマグネシウム合金材などの消耗品が継続的に必要となることに加え，学会にて成果公表を行う予定であり，次年度の使用額はそれらに充てる計画である．
|
Research Products
(2 results)
