5052 アルミニウム合金の塑性変形におけるリューダース帯伝播特性
日大生産工（院） ○司茂 勝稔 日大生産工 小幡 義彦 森 康彦
1.緒言
Al-Mg 系合金の塑性変形域では，鋸歯状の荷 重挙動が見られ，これをセレーションと呼んで いる．このセレーションが発生すると，金属表 面にひずみ模様が発生し製品の外観を損なう 恐れがあるため，その発生を抑制する必要があ る．セレーションとは，軟鋼の降伏現象と同様 にリューダース帯の伝播が連続的に発生する 現象と考えられており，セレーションの発生機 構や影響因子に関する金属的研究は数多くな されているが，発現数の測定や個々の応力降下 のマクロ観察，伝播速度などについては十分に 解明されているとは限らない．本研究は，固溶 原子と転位との相互作用によるセレーション の発現要因から起こるリューダース帯伝播と いう微細な現象を平板試験片と丸棒試験片を 用いて測定し，リューダース帯の発生特性や速 度等を，AE 信号とひずみ計測及び応力挙動か ら考察し，セレーションの発現特性を評価し た.
2.実験方法
試験片は平板と丸棒の 2 種類の形状を用い て作成した．平板は，厚さ 1 ㎜，3 ㎜の 2 種類 を作成し，丸棒は平行部長さ 60 ㎜，120 ㎜，
160 ㎜の 3 種類を作成し，これらの様子を図 1 に示す．なお，試験片は加工後に 350℃で 1 時 間の焼き鈍しを施した．ひずみゲージは共和電 業社製 KFEM 箔超大ひずみゲージを使用し，接 着 剤 は 共 和 電 業 社 製 「 STRAIN GAGE SEMENT EP-18 及び CC-36」を使用した．試験片の端部 には日本 PAC 社製「R15」の AE センサーを 1
個取付け，カプラントは信越工業社製「信越シ リコーン HIVIC-G」を使用した．引張試験はイ ンストロン万能試験機を用い，計測データは AD 変換器に連続して記録した．負荷速度は平 板が 5mm/min，丸棒は平行部長さ 60 mm が 3.4mm/min，120 mm が 5.0mm/min，160 mm が 6.0mm/min で行った．また，供試材である 5052 アルミニウム合金の化学成分を表 1 に示す．
3.実験結果及び考察
3.1 リューダース帯の発生特性
図 2，図 3 はそれぞれ平板と丸棒の応力とひ ずみと AE の時間的変化を示したものであり，
応力は鋸歯状の荷重挙動が見られ，これがセレ ーションであると確認できる．ひずみに関して は上昇と停滞を繰り返しておりリューダース 帯が伝播していることがわかる．そして応力の 増加に伴い個々のひずみの上昇度が大きくな り，発生数が減少していることが確認できる．
Luders Band Propagation Behavior during Plastic Deformation in 5052 Aluminum Magnesium Alloy
Katsutoshi SHIMO , Yoshihiko OBATA , Yasuhiko MORI
図 4，図 5 に丸棒試験片の応力，ひずみ，AE の拡大図を示す．図中のａ～ｈのひずみ上昇は，
それぞれが同一のリューダース帯伝播による ものと考えられる．図 4 ではリューダース帯が 上端から下端の方向に，図 5 では下端から上端 の方向に伝播していることがわかる．これより，
リューダース帯は試験片の端部から発生し，軸 方向に伝播していると考えられる．また，上 端・下端のどちらから発生するかは，不規則で あった．そして，ひずみゲージの 5 枚中 2 枚は 円周方向に 180°ずらした裏面に貼り付けて いたにもかかわらず，それぞれのひずみが等間 隔に伝播していることから丸棒のリューダー ス帯は平行部に対して垂直なリング状に発生 していると考えられる．
3.2 平板と丸棒のＡＥ
図 2 に示すように平板が応力 150Ｍ㎩程度ま で AE が活発に発生しているのに対して，図 3 の丸棒は 200Ｍ㎩程度まで数秒おきに AE ピー クを示している．このことから，リューダース 帯が伝播し終える応力は平板よりも丸棒の方 が高い結果となった．また，全体のＡＥ実効値 の最大値が平板は 0.6mV 程度なのに対して，丸 棒は 2.5 mV 程度と大きく異なった．これらは，
試験片の断面積のみに比例するのではなく，変 形体積や断面形状など様々な要因によって AE 実効値が異なったと考えられる．
3.3 リューダース帯の伝播速度
前項で述べた通り，リューダース帯は軸方向 に伝播しているので，ひずみの上昇時間の差と ひずみゲージ貼り付け位置の距離からリュー ダース帯の伝播速度を算出できる．図 6 に板厚 1 ㎜，図 7 に板厚 3 ㎜，図 8 に丸棒 3 種類の試 験片における伝播速度と応力の関係を示す．こ れらのグラフより，応力の上昇に伴い伝播速度 が減速する事が明らかである．これは応力が上 昇するにつれて試験片が加工硬化され転位密 度が増加したために起こる現象である．また，
板厚 1mm と 3mm を比較すると板厚 1mm のほうが 3 mm に比べて伝播速度が速いことが確認でき る．これは，板厚 3 ㎜の方が個々のひずみ上昇
度が大きく，変形抵抗が大きくなるため，伝播 速度が遅くなったと考えられる．また，板厚 1
㎜ではひずみ上昇度が小さいために，発生数が 多くなったと考えられる．図 8 のグラフについ ては，平行部長さが 3 種類の丸棒試験片のデー タを重ねて記しているがプロットにばらつき はなくほぼ曲線上に収束していることから，リ ューダース帯伝播速度は平行部長さに依存し ないといえる．また図 6～図 8 のグラフを比較 すると断面積による伝播速度の関連性はなく，
断面形状に依存すると考えられる．
3.4 ＡＥと応力の関係
AE がどのような応力変化に対応して発生す るかについて調べた．その典型的な例の模式図 を図 9 に示し，分類方法を表 2 に示す．4 パタ ーンに分類した発現分布を図 10 に示す．これ より，応力降下時に AE がピークを示している ものが大半を占めていることがわかる．これは，
内部に蓄積されたエネルギーが解放されて応 力が降下し，それに伴い AE が発生する分類 V が最も多い結果となった．この分類 V～Y の発 生事象を 30 秒ごとに区切ったものを図 11 に示 す．これより，時間の経過につれて応力降下数 は減少し，さらに分類 V が減少していき，分類 W が増加することがわかる．つまり，エネルギ ー解放が活発に行なわれているときは，応力降 下に対応して AE ピークが発生するが，エネル ギー解放の減少に伴って AE ピークは，応力降 下前に振幅の大きい AE が発生し応力降下時に 振幅の小さい AE が発生する挙動に変化すると 考えられる．
3.5 リューダース帯の発生位置
図 12 に丸棒試験片の応力とひずみと AE の時 間的変化の拡大図を示す．図中の A の範囲では，
応力が降下した時に AE がピークを示している ことから，リューダース帯が発生した瞬間だと 言える．また，AE 発生後に 5 枚のひずみゲー ジが下端から上端に向けて上昇していること から，リューダース帯の伝播によってひずみが 上昇したと考えられる．このひずみの上昇から 求めた伝播速度に AE が発生した時とひずみが 上昇した時の時間差 T から，リューダース帯の 発生位置を算出できる．その結果を図 13 に示 す．この図より，平行部 120 ㎜，160 ㎜の両試 験片ともに，リューダース帯発生位置が R 部よ り外側にも数個あり評価誤差はあるが，ほとん どのリューダース帯が R 部付近で発生してい ることがわかる．これは，R 部で応力集中が起 こるために，そこからリューダース帯が発生す るといえる．
4.結言
リューダース帯の発生特性を AE とひずみ計 測から調べた結果，以下のことがわかった．
(1)丸棒のリューダース帯は平行部に対して垂 直なリング状に発生する．
(2) リューダース帯が伝播し終える応力は平 板よりも丸棒の方が高い結果となった．
(3)応力の上昇に伴いリューダース帯の伝播速 度は減速する．また，リューダース帯伝播 速度は平行部長さに依存せず，断面形状に 依存する．
(4)AE は応力降下時にも多く発生するが，エネ ルギー解放の減少に伴って応力降下前に振 幅の大きい AE が発生し降下時には振幅の小 さい AE を発生する挙動が増加する．
(5)ＡＥを用いることによって，リューダース 帯の発生位置を正確かつ，容易に特定でき る．
参考文献
1）40 周年記念事業実行委員会,アルミニウム の 組 織 と 性 質 ， 軽 金 属 学 会 ，（ 1991 ），
pp.256-277.
2）森 康彦他，アコースティック・エミッシ ョン，社団法人日本非破壊検査協会，（1990），
pp.7-61.
