2018 年度大学院 先進構造材料特論 講義 鉄鋼材料学 第 9 回 (7/5)Advanced High Strength Steels (AHSS) 京都大学大学院工学研究科 材料工学専攻 辻 伸泰
構造材料に求められる相反する要求 ( 自動車の場合 ) 燃費向上 CO2 排出量削減 車体軽量化 相反する 衝突安全性向上 素材を分厚く 材料の高強度化 = 相反する要求をともに満足する材料学からの解答 2
Change of Average Weight of Automobile Made in Japan Average Weight of Automobile / kg Year Automobile Inspection and Registration Information Association, Japan 3
強度を上げるだけだとそんなに難しくない ( マルテンサイトにすれば良い ) 炭素鋼のマルテンサイトの硬さと炭素量の関係 ~3GPa ~2GPa ~1GPa マルテンサイトは鋼でもっとも硬い組織 4
スポット溶接 ( 組立プロセス ) による制限! ( 特に日本の ) 自動車の車体はスポット溶接により組立てられる! スポット溶接の溶融部体積は小さく 溶融部 HAZ ともに冷却速度が大きくなりやすい! 炭素量が増え 鋼の焼入性が増大すると マルテンサイトが生じやすくなり 溶接部の割れ 脆性破壊の危険性が高くなる! したがって 自動車用薄鋼板の炭素量は 0.15wt%C 以下と一般にされている 5
炭素鋼マルテンサイトの硬さと炭素量の関係 焼入れままマルテンサイトを使ったとしても 1.4GPa が得られる強度の限界 HV420 ~ 1.4GPa マルテンサイト鋼は加工性に問題がある 0.15C 6
強度と延性 : 一般的には相反する性質 ポリマー 延性 ( ねばさ ) 極低炭素鋼 Al 合金 高張力鋼 Ti 合金 マルテンサイト鋼 高強度セラミックス 強度 ( 強さ ) 7
σ 引張変形における均一伸びは塑性不安定により決定される ネッキング進行の条件 ( 塑性不安定条件 ) ネッキング 加工硬化 (σ + dσ)(a + da) σa ネッキング部を変形させるのに必要な力 非ネッキング部を変形させるのに必要な力 dσ dε σ (Consìdére s criterion) 8
Advanced High Strength Steels (AHSS) 70 60 Elongation (%) 50 40 30 20 Mild CMn IF HS IF BH IS conventional steels ( フェライト基地組織 ) HSLA 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Tensile Strength (MPa) http://www.autosteel.org/ 9
析出強化型ハイテン (HSLA: High Strength Low-Alloy) Steels (Ti,Mo)C 析出物相界面析出 近年では 比較的粗大なフェライト結晶組織中に 数 nm サイズの析出物を高密度に分散させることで強度に優れた鉄鋼材料の開発も進められている 富田邦和ら, まてりあ第 42 巻第 1 号 (2003) 10
析出強化は降伏強度を大きく向上させるが 加工硬化は増大せず 延性が落ちる 393K x 900ks 時効 393K x 86.4ks 時効 393K x 3.6ks 時効 溶体化 急冷材 Al-Zn-Mg-Cu 合金単結晶の場合三浦 御牧 森脇 小野 : 日本金属学会誌, 74 (2010), 114-118. 11
降伏比 (Yield Ratio) 400 上降伏応力 (σ yu ) 公称応力 / MPa 300 200 下降伏応力 (σ yl ) S10C 鋼 ( フェライト パーライト組織 ) 引張強さ (σ B ) 100 均一伸び (e u ) 0 0 10 20 30 40 50 60 公称ひずみ (%) 弾性ひずみ 全伸び (e t ) YR = σ y σ B 1 降伏比が高いということは 一般に均一伸びが小さく また弾性ひずみ ( スプリングバック ) も大きくなるということを意味するので プレス加工用材料の降伏比は低いほうが好ましい 12
Advanced High Strength Steels (AHSS) 70 60 Elongation (%) 50 40 30 20 Mild CMn IF HS IF IS BH TRIP DP, CP 1st generation AHSS 10 HSLA MART 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Tensile Strength (MPa) http://www.autosteel.org/ 13
第 1 世代 AHSS MART (Martensite) 組織 : ほぼマルテンサイト組織特性 : 強度に特化 980MPa 級以上 DP 鋼, CP 鋼 (Dual Phase, Complex phase; 二相 複相 ) 組織 : DP 鋼 =フェライト+マルテンサイト CP 鋼 =フェライト+マルテンサイト+ベイナイト軟質相と硬質相による複合組織組織とすることで 強度と延性を両立させた材料 590MPa, 780MPa 級の強度で10~25% の伸びを示す TRIP 鋼 (Transformation Induced Plasticity; 変態誘起塑性 ) 組織 : フェライト+マルテンサイト ( ベイナイト ) + 残留オーステナイト DPをベースに 10% 程度の残留オーステナイトを導入し TRIP 現象により伸びを改善したもの 590MPa, 780MPa 級の強度で20~30% の伸びを示す 14
DP 鋼と TRIP 鋼 DP 鋼 TRIP 鋼 10μm 黒色 : フェライト白色 : マルテンサイト 軟質なフェライトと硬質なマルテンサイトの混合組織 (DP 鋼 ) 硬質相と軟質相を混合させることで 強度と延性を両立 灰色 : フェライト or マルテンサイト白色 : 残留オーステナイト 残留オーステナイトの TRIP 現象により延性を改善 小林ら 鉄と鋼 Vol. 98 (2012), pp. 610-617 15
変形誘起マルテンサイト変態と TRIP 現象 金属材料組織学, 朝倉書店 くびれ部やクラック先端などの応力集中部が変形誘起マルテンサイト変態を生じると そこが硬化してくびれ ( ネッキング ) やクラックの進展が止められ 均一伸びや破壊靭性が向上する (TRIP (Transformation Induced Plasticity) 現象 ) 16
Advanced High Strength Steels (AHSS) Elongation (%) 70 60 50 40 30 20 Mild CMn IF HS IF IS BH TRIP DP, CP γ steels 2nd generation AHSS high-mn TWIP γ stainless 10 HSLA MART 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Tensile Strength (MPa) http://www.autosteel.org/ 17
Ni Mn: オーステナイト (γ) 安定化元素 FCC FCC 複雑な cubic BCC L1 2 BCC BCC-like cubic Fe-Ni Fe-Mn 18
High-Mn TWIP (Twinning Induced Plasticity) Steels Fe-22Mn-0.6C Very nice mechanical properties BUT Issues of high-mn TWIP steels " High alloy, high cost " Difficulty in fabrication " Low yield strength Y.Tian, Y.Bai, M.Chen, D.Terada, A.Shibata and N.Tsuji: Metall. Mater. Trans. A, Vol.45, Issue 12 (2014), pp.5300-5304. 19
Advanced High Strength Steels (AHSS) 70 60 γ steels Elongation (%) 50 40 30 20 Mild CMn IF HS IF IS BH TARGET 3rd generation AHSS TRIP DP, CP low cost (low alloy) good property balance improved weldability 中 Mn 鋼 (Medium-Mn Steels) の可能性 10 HSLA MART 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Tensile Strength (MPa) http://www.autosteel.org/ 20
Fundamental Properties of 2 5Mn-low C (-Si) Steels Temperature,T /K 1000-750 - A 3 γ α+γ A 1 α+θ Phase Diagrams Calculated by Thermo-Calc 1026K(753 ) α+γ+θ 804K(531 ) Temperature,T /K γ A 1007K(634 ) 3 1000 - α+γ α+γ+θ 750 - α+θ 0 Fe-4Mn 0.001 0.002 0.003 Mass fraction C 0.004 0 Fe-5Mn 0.001 0.002 0.003 Mass fraction C 0.004 Fe-4Mn-xC Fe-5Mn-xC Binary Fe-0.1C:A 3 = 860 C A 1 = 727 C Lowered Transformation Temperatures ( 伊東ら 2016) 21
TTT Diagram of 4Mn-0.1C Steel (experiments) Very Slow Transformation to Ferrite Ferrite Transformation in 0.4Mn-0.06C steel [9] Ferrite Bainite 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 A.Ito, A.Shibata, N.Tsuji, CAMP-ISIJ, 2015 22
# Microstructure Observation:SEM EBSD (Kernel Average Misorientation(KAM)) # Tensile Tests:R.T., 8.3x10-4 s -1 Ae3 753 Ae1 531 MS Effect of Austenite Deformation on Ferrite Transformation in 4Mn-0.1C Steel # Hot Compression by TMCP Simulator (Thermecmastor-Z) 800 300s 750 700 600 60s 60% compression, strain rates :1x10-3 1x10-1 10 s -1 W.Q. Temperature, T / 800 700 600 500 400 300 200 ( 伊東ら 2016) 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Time, t /s A e3 :753 A e1 :531 C.A 23
Characteristic Dual Phase (DP) Structure of α + Martensite in 4Mn-0.1C 950, 180s 700, 60s + 60% compression (10-3s-1) held for 96,360s (26.8h) CD TD : 2 15 0 2 > 15 伊東ら 2016 fα:32.5%, dα=2.4μm 24 24
compressed by 60% at 600 and 10 s -1 tensile specimen geometry Mechanical Properties of 4Mn-0.1C Thermomechanically Processed Tensile test at RT; strain rate: 8.3x10-4 s -1 compressed fα:1.4% compressed + 916s held fα:16.8% CD CD thickness: 0.5mm gauge width: 1mm gauge length: 2mm (Full martensite) fα:0% compressed + 9160s held fα:25.0% ( 伊東ら 2016) Very Nice Mechanical Properties (TS 1500MPa, TE 19%). Higher Strength than Martensite Even Though Including Ferrite. 25