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捩り変形材における表面内部応力の加熱による変化についてのX線的研究

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(1)

摂り変形材に

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ける表面内部応力の加熱による

変化についての

X

線的研究

上 田 太 郎 * 岩 永 弘 之

X-ray Investigation on the Change of Surface internal stress depend on the Heating in Twisting work materia

l

.

by

Taro

UEDA

Hiroyuki

IWANAGA

The change of microscopic surface internal stress depend on the passage of time and high vacuum annealing in Twisting work materials were studied by the X-ray.

The following results were obtained from the experiment.

(1) 1mmediately load0妊, the round bar specimen which was subjected a twisting deformation have a compressive internal stress together with a Longitudina1 direction or a Tangential direction in the surface of specimen.

(2) The recovery of surface internal stress finished about 48 times, get to a stable condition together with a 0.2あ carbonsteel (520C), or a high tensile aluminum alloy (175) and a electrolytic copper (CuB-1).

(3) 1n the neighbourhood of the recrysta11ization temperature of each materials, the surface internal stress and the value of half breadth were exibited the heaty decrease. The surface internal stress point out a remarkable decrease, according to the twisting deformation b巴comelarger.

(4) 1n a 0.2% carbon steel (520C), (211) di任ractionline tend to separetesK Q

and K Q 2 at

between 3500C and 450oC. 1n a high tensile aluminum alloy (175), (333) diffraction line separetes Kα

and Kα2 at 2500C, it seems that the recrysta11ization occuring at these

temperature.

1

. 緒 言 り回復角は大であると報告している. 103 金属が外力を受けて変形する時その外力の作用が金属 の各部分において一様でないため外力の作用を除いた後 においても金属の内部には変形度の相違より生じる内部 応力が寄在し,その釣合いのもとに平衡状態を保ってい る.一般に金属は大なる変形を受けた後,外力を取り除 いても変形回復は直ちに完了するのではなく回復は徐々 に進行して長時間経過した後,安定な状態 l乙達するもの である. また低温加工された後,常温において内部応力が安定 した状態の金属を加熱すると原子の熱的運動のため内部 応力は減少し,かつひずみを受けた部分は温度上昇につ れて,発熱現象,再結品等を起こして内部応力は減少す (1) この種の研究について,上田博士は種々の物質よりな る直径8mm.長さ200mmの丸棒を振って永久変形させた 後,時間の経過につれて擦り角が回復するの吾調べてお られる. これによると擦れた方向と反対方向に棒が援れもどる 角度は次第に大となり,一定値に近づく,またいずれの 材料においても初めに与えた擦り変形角が大きいほど援 *大阪大学,工学部名誉教授 (2) (1) る.上田博士の実験的研究によれば,擦り永久変形を与 えた棒を種々の温度の真空中で加熱すると摸れが悶復し たり,進んだりすると報告し,この現象について,永久 変形を受けた棒の横断面について考えると比較的内側に は探れを回復させようとするせん断応力が作用し、比較 的外側には擦れを進めようとするせん断応力が作用して いると説明している. そこで本研究の目的として,擦り変形を施した試験片 の縦軸方向と接線方向との微視的な表面内部応力の時間 経過によって起る変化常温において表面内部応内が安定 な状態 iζ達した後の高真空焼鈍温度上昇による表面内部 応力の変化を X線により測定した.

(2)

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2

.

供試材および実験方法 実験lこ供した材料は0.2%C炭素鋼(S20C).高力ア ルミニウム合金(17S)と電気銅(CuB-1)で化学組成 および 0.2~話 C 炭素鋼の 7700C. 30分の焼鈍,また高力 アルミニウム合金,電気銅の5000C. 30分の焼鈍におけ る機械的性質をそれぞれ, Table 1, Table 2 1こ示す. Table. l(a)圃 Chemicalcomposition of material.

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2

2

ao 55.1;"& 試験片はi宮従25mrnの機械構造用炭素釧 (S20C), u自 径18m皿の高力アルミ二ウム合金(17S).および電気銅 (CuB 1)の俸材から Fig.1 (a)曙 Fig.1 (b)に示す形 状寸法lこ機峨加工し,その後ひずみ除去のため真空炉中 において0.2ゐC炭素鋼は7700Cで30分, 高力アルミニ ウム

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金と電気銅は5000Cで301了の焼鈍を施した その 後アムスラ一式摂り試験機 lこより .

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n:jcm. 0.3πj cm.0.4n: j cm.O.5n: j cmの授り変形を与え,試験片の 縦軸方向と接続方向の表面内部応力が振り荷重除去後, 時間の経過により変化寸る状況ならびに,常温において 表面内部応力が安定した後,これの加熱による変化を調 べるために島津製普及型 X線応力測定装置を用いて測定 した。 持l乙加熱による金属の挙動を知るために0.2C炭素鋼 は1000Cから9000Cまで,高力アルミニウム合金は100

1) S 20C 2) 17S, CuB-1 -s、 。 。 Fig.1. Dimension of Specimens. Cから5000Cまで,また電気銅は8000Cまで高真空炉中 で加熱した後 X線で測定した.さらに再結晶について調 べるため. 0.2~診 C 炭素鋼は 3500C ~5000 C. 高力アル ミニウム合金は2000C~ 3500Cの再結晶温度範囲を 50つC間隔で真空焼鈍し測定した. また電気銅は1500C ~ 2500Cの再結晶温度範聞を250C間隔で高真空焼鈍し 測定した. 特性X線として0.2%C炭素鋼はCr-Ka線を採用し, (211)面について,高力アルミニウム合金は Cu-Kα 線 を採用して (333)w:iについて.電気銅はCo-Ka線を採

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し.(400)面について測定した目 X線r;t力測定条下

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は Table 3に示し, さらに Fig.2にX線射jj'[iUと

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試験片 納ぞ示す. X線による応}J))測定;二はカワ /'J-1.去を明い, ブJウ Jタ-1:去の定義式よりX線入射角を00.150. 300. 45' と変え. 0.2;ぢC炭素鋼と高力アルミニウム合金は縦軸 方向,電気銅の政線方向の同折線をコ二オメータ lとよ り自動的にステソブキヤンさせ .2Bψ対sin2 VJ線図に回 折強度最大角をつロソ卜し, 勾配を決め応力を算出し た 同折強度最大角の決定には半価幅法および%幅j去を 用いた. ( b) LongitudinaJ direction.. Fig. 2. Specimen axis and incident X-ray beam direction.

(3)

探り変形7けにおける表面内部応力の加熱による変化についてのX線的研究

Table圃 3. Ex:perimental Condition of X-ray stress.

両ム孟己示函

s Parallel beam type X-ray stress analyzer

Materials 11 S20C 17S

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実験結果および考察 実 験lこ供する前, 0.2勿C炭素鋼は7700C, 30分, 1高 力アルミニウム合金は5000C,30分. および電気銅は 500030分のひずみ除去加熱を施した.これをゴニオメ ーターにより 0.2勿C炭素鋼の (211)面[,高力アルミニ ウム合金の (333)面,および電気銅の (400)j面の回折 線を連続走資させ.回折強度最大角を半価幅法および% 幅1去によって決定し, 28ψ対sin'1Jr線凶に描いて見ると 勾配が零であったため表面内部応力は零と見なすことが E u

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0.1 0.2 でき,試験片の機械加工によるひずみはj芯全lこ除去3れ たと判断した かかる試験片に種々の振り変形を施したときの振りモ ーメ/ト対採り角曲線,および,せん断応力対振り角線 はFig.3 (a), (b), (clである. 仁記の振り変形を与えた 直後.その表面内部応力を測定するためにX線応力

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法により回折強度最大角を半irITì 師法および%1脳 ì~C で ij-:'J:: し, 28ψ 対 sin2ψ線図に措き.これより求めた表面 I!~ 部 応力と摂り角との関係を示すと Fig.4である. 0.3 0.4 0.5 1晶ι Twisti昭 angle(πIcm)

(4)

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3500 上 回 太 郎 岩 永 弘 之 3000 唱A Mg 明 仁 川 旬 。 占 叩 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Twistin_g angle("'/cm)1、

Fig. 3 (b).Shearing stress-Twising angle Diagram.

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Fig. 3 (c).Shearing stress,Twisting angle Diagram

3-1.

弾性余効における表面内部応力の変化 種々の摂り変形を施し.この振りモーメントを除去し た後の試験片表面の縦軸方向および接線方向の微視的表 面内部応力の時閣の経過につれて変化する状況を測定し た結果は各材料ごとにまとめて図示すると Fig.5 (a), (b), (口)である. ζの測定結果から 0.2~話 C 炭素鋼においては大きな振 り変形を施したものほど速かに安定な状態に達してお り,振り変形によって生じた表面内部応力も時間の経過 とともに回復しすべての振り角において

4

8

時間程度で完 了している。また高力アルミニウム合金 lζ関しでも同様 な結果が示され,

4

8

時間で完了し,表面内部応力の低い 安定な状態に達している. ここで0.29多C炭素鋼と高力 アルミニウム合金は縦軸方向における表面内部応力を測 定した.さらに接線方向において測定した電気銅につい ても同様な結果が得られ,やはり

4

8

時間程度で回復し, 安定な状態に達している.しかし試験片の接線方向に照 射した

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線の幅が

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と広いために厳密に接線方向の 表面内部応力を測定しているかどうかは疑問であり,さ らにもっと細いX線照射による測定で明らかにすること ができると思われる. X線による試験片の縦軸方向および接線方向における

(5)

107 振り変形材における表面内部応力の加熱による変化についての X線的研究

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Fig. 5 (a). Change of surface internal stress depend on the passeage of time in various twisting deformation. 以上の結果から変形を受けた材料は48時間程度で安定 な状態に達している.それゆえに48時間以後に加熱処理 奇加えて,金属の機械的挙動を調べたり,他の実験を進 めていくべきである.

3-2.

表面内部応力の加熱による変化 振り変形を受けて除荷後,常温において表面内部応力 微視的な表面内部応力測定から,振り変形において荷重 除去後には試験片表面に圧縮内部部力が存在することが 判明した. このことは採り荷重負荷の時には滑りにより試験片は 伸び,引張り応力が存在する。そして除荷するとともに もどろうとする圧縮応力が春在すると説明することがで きる.

(6)

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Change of surface internal stress depend on the passeage of time in various twisting deformation.

800 Fig. 5 (b). 100 0.2π/cm 0.1'" Icm 0.4π/crn 0.3πIcm 0.5πIcm 80 m @ー @一

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Fig. 5 (c). Change of surface internal str巴ssdep巴ndon the passeage of time in various twisting deformation.

この測定結果によると縦軸方向に関して測定した0.2勿 C炭素鋼は焼鈍iffiUtt3000までは加熱によって生じる内部 応力か重畳されて表面内部応力は上国加しているが ,3000 Cから 4500C のすごギわら 0.2-iC炭素鍋の再結晶温度範 が安定

J

Z

状態に達したものの高真空焼鈍による表面内部 応力の除去状況を試験片の縦軸方nj1と接線方向について ,ßUiとした市A 耳てを I~ 寺子f ると Fig.61白1,(11), 何人 (dl, (い) Cある

(7)

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突り変形付における表面内部応力の加熱による変化についての X線的研究 Annealing temperature

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Change of surface internal stress depend on the high vacuum annealing in a 0,296 carbon steel or a high tensile aluminum alloy

(17S) and旦n electrolytic copper (CuB~ 1),

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Twisting angle: 0.2n'/cm

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Change of surface internal stress depend on the high vacuum annealing in a 0.2必 carbonsteel or a high tensile aluminum alloy

(17S) and an electrolytic copper (CuB~1).

109 聞と思われる所で,すべての振り角において表面河古15応 力は急激に減少しているコまた高力アルミニウム合金 lこ 対しでも同様な結架か得られた.すなわち再結晶温度と 思われる250UC近傍において援り変形角が大になるにし たがって表面内部応力は急激に減少しており,この温度 範凶において再結晶が起っていると考えられる.さらに 接線万向 lこ関して測定した電気銅に対しても同:結品温 度範囲において振り変形角が大にえよるにつれて表面内部

(8)

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Change of surface interna1 stress depend on the high vacuum annealing in a 0.2% carbon steel or a high tensile aluminum alloy (17S) and an electrolytic copper (CuB-1).

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Change of surface internal stress depend on the high vacuum annealing in a 0.29杉carbonsteel or a high tensile aluminum alloy (17S) and an electrolytic copper (CuB-1).

-600 Fig. 6 (d). 大化,その他さらに複雑な状態変化等を起こしているの ではないかと考えられる.ゆえに0.2%C炭素鋼におい ては7000C.高力アノレミニウム合金では4000C.電気銅 においては6000Cで表面内部応力は零になり,援り変形 応力は急激に減少するという類似した結果が得られた. 再結晶温度以上の並立度においては, 表面内部応力は 0.296C炭素鋼, 高力アルミニウム合金, 電気銅ともに 徐々に減少し零に至っており,組織変化および結品粒粒

(9)

1

1

1

振り変形材における表面内部応力の加熱による変化についての X線的研究 900 &QO

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Change of surface internal stress depend on the high vacuum annealing in a 0.2必 carbonsteel or a high tensile aluminum alloy

(l7S) and an electrolytic copper CuB-1). -600 Fig. 6 (e). 50

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0.1π/cm Twisting angle :

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The relation between half-valu巴breadthand annealing temperature

in a 0.2% carbon steel Annealing temperature Fig.7. 振り変形を施した0.2%C炭素鏑試験片の焼鈍温度上昇 につれる半価l隔の変化を測定して見ると Fig.7のごと くなる. 半価幅の減少する割合はし、ずれの振り変形角の場合

L

わずかではあるが,やはり3000Cから4500Cの再結晶温 によって生じた内部応力は除去されたと考えられる.し たがってこの事例から機械加工などから受ける程度のひ ずみは. 0.2%C炭素鍋であれば7000C30 高力ア ルミニウム合金なら5000C30分,電気銅なら6000C 305Jの焼鈍で卜分lこ除去することができる また種々の

(10)

1

1

2

上 回 太 郎 岩 永 弘 之 Twisting angle ⑥=0.4nlcm Annealing temperature : 450' C Material : S 20 C Diffraction plane : (211) Tube Voltage : 25KV Tube Current 5mA Characteristic X-ray : Cr-Ka Fig. 8 (a). DiffractionLine Profile Twisting angle ⑧=0.4πIcm Annealing temperature : 200' C Mater,ial 17 S Diffraction plane (333) Tuhe Voltage 30KV Tuhe Current 20mA Characteristic X-ray Cu-K出 159' 160" 161' 162" 163"1 164' 165' Fig. 9 (a). Di旺ractionLine Profile Twisting angle ③=0.4πIcm Annealing temperature : 300' C Material S 20 C Diffraction plane (2II) Tuhe Voltage 25KV Tube Current 5mA Characteristic X-ray Cr-K町 Fig. 8 (b). Diffraction Line Profile Twisting angle .⑮=0.4njcm Annealing temperature' 250

c

Material 17 S Diffraction plane (333) Tihe Voltage 30KV Tube Current 20mA Characteristic X-ray Cu-K町 159。 161' Fig. 9 (b). Di妊ractionLine Profile

(11)

授り変形材における表面内音51;ι力の加熱による変化についてのX線的研究 113 度範囲において減少する剖合は大であるー さらにゴニオメーターによる回折線述統走五五でFig.8 (乱), (b)に示すように0.29oC炭素鏑 (211)面の凶折線は 3000Cから 4500Cの再結品温度範囲で K回線がKa

と Ka,1こ明瞭ではないが分離してくる傾向を示している. 特に高力アルミニウム合金(333) 面の回折線に関しては Fig. 9

(

a

)

, (b)に示すように再結品温度と思われる 2500C において Kα線は明瞭に Ka

とKa

とに分離してく る. (4) この事柄はX線問j斤要論において,カリチイーは再紘一 品が原因していると論じている. このことを参考にして,以ヒの結果をまとめて,0.290 C炭素鋼の3000Cから 4500C,高力アルミニウム合金の 2500C 近傍, 電気銅の2000C 近傍の再結品温度におい て,表面内部応力は急激に減少し,回折線が鋭くなり, 分離してくることから,この温度範囲において再結晶が 起っていると考えられるa

4

.

総 括 この研究は摂り加工材における徴祝的な表面内部応力 の援りモーメント除去後の時間経過による変化,弾性余 効が消失して変形が安定な状態 lこ達した後の高真空焼鈍 による表面内部応力の変化を X線により測定し,考察し たものである. 実験に供した材料は0.296C炭素釧, 高力アルミニウ ム合金および電気銅の3種類を使用した.試験片 iこ機械 加工した後,前処理として0.296c炭素鋼は 7700Cで 30 分,高力アルミニウム合金と電気銅は5000Cで30分のひ ずみ除去を施した.その後アムスラー式探り試験機によ り

O

.

l

r

r

,/cm,0.27t

I

c

m

, 0.4叫cm,0.57t

I

c

m

の探り変形を与 えて測定した. この測定結果をまとめると次の通りである. 1 .操り変形を受けた九棒試験片の除荷直後[ζは試験片 の縦軸方向および接線方向ともに表面には圧縮内部 応力が存在する. 2. 0.2%C炭素鍋の縦軸方向における表面内部応力の 時間経

i

邑による変化の測定結果から表面内部応力は 探り変形角が大なるほど速かに安定な状態に達して し、る. 3,縦軸方向における 0.2俗C 炭素鋼, 両力アルミニウ ム合金の表面内部応力の変化はともに48時間程度で 終了している.また接線方向についても電気銅は48 時間間皮で終了し

f

i

.

定な状態に達する 4, 0.2l占5C 炭素鋼の再結品極度と忠われる 3500Cから 4500Cの範囲において縦軸方向の表面内部応力は急 激に減少すふまた半価隔の変化も同様である.高 力アノレミニウム合金では操り変形角が大きくなるほ ど2500Cにおいて表面内部応力は著しく減少する. また接線方向の表面内部応力は活気銅においても再 結晶温皮範凶で同じ結果が得られた。 5. 0.2%C炭素鋼では 3500C の範囲において. (211) 面の回抗線は明 l底むはないが K日線がKa

とK日2 とに分縦する傾向をもっている.また高力アルミニ ウム合金は2500C において, (333) 面の回折線は I主目線が K日工と Ka

とに明瞭lこ分離してくる。し たがって,これらの温度範聞において再結品が起っ ていると考えられる, この例究は操り変形試片の加熱による再結品の方位 lこ 関しての研究の一連として行ったもので,今後,再結晶 の方位について確かな結論を出すため X線により測定し ていくつもりである.終りに臨み本研究を行うにあたり 御懇篤な御指導を賜った上!日太郎教授に厚く感謝の意を 表する。

5

.

参 考 文 献 (1):上田太郎 「諸種の金属の挟り加工による男断内力 の分布と焼鈍によるその変イじの研究」 (学位論文) 12) 関口春次郎著 「金属の塑性加工と変質

J

p 193 (3):日本材料学会編 iX線応力測定法

J

p 179 (引・カリティー著 i~X 線回折要論 J p 260~p 296

Fig. 5 ( c ) .   Change o f   surface i n t e r n a l  s t r 巴 s sdep 巴 ndon the passeage o f  time  i n  various twisting deformation.  この測定結果によると縦軸方向に関して測定した 0
Fig. 9 ( b ) .   Di 妊 raction L i ne P r o f i l e  

参照

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