織岡貞次郎
上野義郎
On the Shear Test of Mild Steels at High
Temperatures
TeijiroORIOKA YoshioUENO
Synopsis
Test pieces（thickness O．23∼1．15mm）of O 2％carbon steel and O4％carbon steel were p皿ched at various temperatures with the tools（punch and die）of high speed steel and tungsten carbide PR 3，diameters of which are 2．02mm and 285mm respectively． （1）The maximum shearing load is proportional to the thickness of test pieces in the range of O 23∼1・15mm at each temperature for both materials， i．e． the shearing resistance is independent on the thickness of test pieces in this range・ （2）The shearing resistance of O 2％carbon steel is 41kg／mm2 at rooin temperature・According to the rise of the temperature of test pieces， the shearing resistance bccomes first larger and reaches the maximum value 49kg／mm2 in the neighbourhood of 300°C， but then it grows smaller rapidly． （3）The shearing resistance of O・修carbon steel is 58kg／mm2 at room temperature・When the temperature of test pieces rises gradually， the shearing resistance becomes first smaller slowly and reaches the minimum value 50kg／mm2 in the neighbourhood of 240°C， and then it grows larger a little and reaches the maximum value 52kg／mm？at 390°C， but above this temperature it becomes smaller rapidly・ 1 緒 言 軟鋼（炭素量02％および0．4％）の高温における勇断試 験を行つた。 勇断方法は、ポンチとダイスによる打抜きで、工具は 高速度鋼第4種とタソガロイPR3を用いた。打抜き直 径およびクリヤランスは、前者が2 02mmtp、0024mm （片側）、後老が2 85mmiP、 O・030mm（片側）であつた。 勇断試験片は完全焼鈍された上記の材料を厚さ023m mから1’15mmにエメリーペーパで仕上げて用いた。2 実験方法および装置
2・1実験装置
実験装置としては小型アムスラー式竪型引張試験機を 用いた。Fig．1に於て 1 2 3 ハンドル 荷重用重錘（935kg） 荷重用重錘（2225kg） 4 打抜き装置 5 記録ドラム 6 電気炉 7 熱電対 8 スライダツク 9 電圧計 10 ベァリソグ 打抜き装置はFig・2に示されるように上下に引張るとポ ンチとダイスとが互いに近付くように設計された。 1 ポソチ 2 ダイス 3 熱電対装入孔 打抜き装置のダイス上に試験片を置きハンドルを手動で 廻すと試験片はダイスとポソチの間に挾まれる。更にハ ンドルを廻し続けると試験片に荷重がかXり同時に荷重 用重錘が左方に持ち上り最後に試験片が打抜かれる。温 度を上げて試験するときには打抜き装置を電気炉の中に 入れスライダツクで適当な温度に上げ（ポンチ側中心よFig．1 Experimental apparatus
②
Fig・2 Punching set り10mmのところまで装 入したアルメルークロメ ル熱電対と電圧計により 温度を測定する）1分間 その温度に保持した後打 抜く。 ポンチの行程は34倍に 拡大され勇断荷重と共に 記録ドラム上に自動記録 され、勇断荷重一ポンチ 行程線図を得る 2．2 試験片および工具 試験片の材質は次の通 りである。 （a）02％炭素鋼 日本鋼管製 C Si Mn P O．21 005 0．37 0033 ミクロヴイツカース硬度 （b）04％炭素鋼 SAE1040 C Si Mn P O．40 0．26 094 0033 熱処理：850°Cに3時間保ち炉冷 焼鈍材 S Cr OOI4 0．14Hv＝165
S O．034 86 ミクロヴイツカース硬度 H v＝ 195 試験片は旋盤で削り出したあとエメリーペーパ（03） で仕上げた。表面粗さはTO式顕微干渉計により測定し たところHmaxが約O 5Pt。又、各試験片の各点の厚みの ムラは最大001mmになるよう気を付けた。 工具の寸法および表面仕上げ方法は次の通り。 （a）高速度鋼第4種（普通の焼入焼戻を施した）㌶欝㍑：：〉平均2・19mm
クリヤランス 片側 0024mm エメリーペーパ（03）で仕上げ光沢ある面、Hmax カミ糸勺03μo （b）タンガロイPR3‡駕竪1惣）平均2・848mm
鋳鉄皿を用いカーボランダム＃800により水をラッ プ液として仕上げた。暗灰色の面。3 実験装置の検定
3．1 荷重の検定 打抜き装置を外して4種の重錘（18kg、44kg、59kg、82 kg）をかけ記録ドラム上縦軸の読みを調べたところ2種 の荷重用重錘（2225kg並びに2225＋935＝31・60kg）の 何れの場合にも読みはかけた重錘に比例した。 3・2 ポンチの行程の検定 試験片の厚さが1・15mm以下であるから、ポンチの行 程は滑車と記録ドラムの2ケ所で34倍に拡大した。滑車 には外径22mmのボールベアリングを用い、変形を伝え る線には直径0．3mmの銅線を使用した。記録ドラムには 二重巻きに巻きつけ滑ることを防いだ。 上下のベアリング間の長さが測れるようにダイヤルゲ ージを取付け、Olmm間隔に記録ドラム上に記録したと ころ、新しい銅線は荷重により伸びるが、予め5回以上 負荷すると銅線のその後の伸びは無視できることがわか つた。グラフから求めた拡大率34倍と次の計算式から求 めた拡大率が一致することから、記録装置が確実に動い ていることを確めた。拡大率一榊の倍率・巻轟量議鷲酪
57 ＝4×＿ ＝34 63十〇3 3・3 ポソチの行程に対する基準線の検定 打抜き装置をつけて打抜かずに記録ドラムの上に線を 描かせてみると一種の曲線が引かれる。これは打抜き装 置の伸びや、荷重をかける部分の摺動するガイドの曲り から来る変形であるが、この曲線がいつも安定していれ ばこの曲線を基準にしてポソチの行程を知ることができる。そこでこの線をポンチの行程に対する基準線にとる ことにする。 ハンドル1回転に要する時間を20秒から25秒まで変 えて基準線の変化を見たところ縦軸の読みで10mm以上 （荷重で言えば30kg以上）は良く安定している。尚10m m以下は1回転40秒のおそい荷重速度にすると基準線が 安定した。 そこで勇断試験にあたつては、荷重のか二る初期およ び打抜く近くは1回転40秒の速度（荷重速度で言えば約 1kg／sec）で、途中は1回転20秒の速度（荷重速度約2 kg／sec）で実験を行つた。
4 予備実験
4．1 最大勇断荷重のバラツキs
き2
oMaκi掃“m−5Aeaγ∫n9 ・vLoad（k3）匂 e→㍍ “ ミ ニ N 三’ 昌昌 や L。adi・s Sp・ed 3，6ke／sec ’…・・．・b L8 7．2 0，9 7，2L8
0．9 3．6 品w・τ』R・…d Ede・（・8ご・） 5h・a・i・3 R・・i・t・町e（kS ／・ ・a） Fig．3 Maximum shearing load and shearing reSlstance 高速度鋼のポンチおよびダイスを用い、02％炭素鋼厚 さ095mmの4枚の試験片に対し打抜き実験を行い最大 勇断荷重のバラツキを調べた。その目的は特に工具磨粍 の影響を見出すことである。 （Fig・3） （1）打抜き番号1から19までは3枚の試験片（●印、○ 印および×印）をアトラソダムの順序に打抜いた。その 際の荷重速度はハソドル1回転20秒即ちL8 kg／secに一 定にした。 （2）打抜き番号20から27までは4枚目の試験片（△印） を荷重速度を変えて打抜いた。 ’（3）打抜き番号28から36までは（1）と同様に打抜いた。こ こで工具を調べるとポソチのふちが0．Olmmから002mm 程度丸くなり、一部はO・05mm程度かけたようになって いた。又、ダイスの縁には0・01mm程度のダレがあつた。 この状態は大越式表面粗さ検査機とオリソパスTO式顕 微干渉計を用い確められた。 （4）打抜き番号37から43まではポンチのふちを0．05mm だけ丸くし荷重速度は（1）と同じく1・8kg／secにして4枚 の試験片を打抜いた。 Fig． 3より次のことが言える。 （a）最大勇断荷重および勇断抵抗は荷重速度が09kg／sec から7・2kg／secまで変つても変化するとは言えない。 （b）ポソチのふちが磨粍して0・05mm程度丸くなつても 最大勇断荷重および勇断抵抗は変化するとは言えない。 （c）勇断抵抗のバラツキは測定精度によるもの試験片個 々の材質差寸法差によるもの等を綜合して、その標準偏 差が0・6kg／mm2即ち平均値の1・5％程度である。 次に単位勇断荷重（勇断荷重を切口総断面積で割つた 値）とポンチの行程との関係を調べてみる。ポンチの行 程としては基準線から測つたポンチの行程と試験片厚さ との比（％）をとつた。 前記実験に対する単位勇断荷重一ポンチ行程（％） 線図をFig・4に示す。 Fig・4より、荷重速度の変化および ポンチのふちの丸みは単位勇断荷重一一ポンチ行程線図 に大きな影響を与えないと考えられる。 次Vこ厚さがもう少し薄い060土0003mmの試験片（0・2 ％炭素鋼）について、ポンチのふちに丸みのないものと 巾0．05mmだけ丸みをつけたものとで打抜き実験した。 その結果をFig・51およびFig・6に示す。 Fig・5とFig・6とを比較すると、丸みをつけたポンチ で打抜いた方が勇断抵抗がいくらか高くなるようだが大 して問題にならないと思われる。ポンチの行程は測定精 度も極めて悪いが、ポンチに丸みのあるときもないとき も大差がない。M・mb…fP“・』tnハT・・t
1 2 3 10 ∫’ 12 20 2’ 22 23 30 3’L・品⑳5P・ed（k㈲
3、6 ’．8 Z2 0．？ 4θ 40 ”iPqn‘h 5てr。ke Fig．4 Shearing load−punch stroke diagramぎ5。
ピ
＜40
ゼ
己
；30
．x．，tS
苫20
』
罰・
上
tC・，”）00
R、nch with
Ed3e
t 37 38 3？ 32 Fし帆c』 wごth Ro“帆d Ed 3 e （o．os m凧R） o 40 4a 40 40 4a 4θ 0 40 （％15』aTP需
こSO
吋 書50 0 50 0
吉40
占
30
50（！’）P“nch Str。ke（％）
Fig．5 Shearing load−punch stroke diagram for punch with sharp edge 治＝
苫20
口
宰 ／O
審 一．s00
P“ncL w‘ith R。und
Edse（…Smdnt R）
∫
50 0
！
f
50 0 TO
Punch Str。ke（％）
Fig． 6 Shearing load−punch stroke diagram for punch with r卯nd edge 4・2 試験片厚さと勇断抵抗の関係 02％炭素鋼を試験片の厚さ夫z， O 58mm、O 60mm、O．70 mm、075mm、0．80mm、 O 90min ，095mmおよび1．00 mmに仕上げ、この8ケの試験片に対し打抜き実験を行 つたときの試験片の厚さと最大勇断荷重との関係を示し たのがFig・ 7である。 Fig・7に於て最大勇断荷重は試験 88 片の厚さに比例している。したがつてFig． 7の実験範囲 内では即ち厚さが058mmから1・00mmまでの試験片に対 しては勇断抵抗は一定であると言える。又、試験片の厚 さが異るときの単位勇断荷重一ポンチ行程線図の二三 の例をFig・8に示すが、単位勇断荷重一ポンチ行程線 図が試験片の厚さにより大きくは変化しないことがわかる。 ： こ ㌍゜ 』 せ た 』 烏◎’oo §
E
≦ 1！ ！ ！ ！ ノ1 ！！ ！ ’ ノ ！’ を用い02％炭素鋼の試験片を室温（10°C）で打抜いた ときの試験片厚さと最大勇断荷重の関係がFigllに示さ れる。 00 o．5 βo nrckness。f Te st Pi e・ e・（面領） Fig．7 Re！ation between maximum shearing load and thickness of test piece 、 t’・ 50弍
㍉
｛
三3° え20 言a
ひ’0 さ 8 誘 0 n；ckness l．OPt1M ｛t
0 ∫O Pun‘h Th；‘kne∬ 砿8棚飢 50 卿 30 20 ノ0 0l
O 50ふ T名；‘kness o． 6m・n ∫O 30 20 c ／0 Stroke（％） 0 0 夕O Fig．8 Shearing load−punch stroke diagram for various thickness of test pieces50・2％炭素鋼の打抜き実験結果
5．1 高速度鋼第4種工具による実験結果 高速度鋼第4種のポンチとダイス（平均径202mm） を用い02％炭素鋼の試験片を室温（10°C）で打抜いた ときの試験片厚さと最大勇断荷重の関係がFig・9に示さ れる。 試験片を140°C、230°C、310°C、390°C、465°Cお よび540°Cに加熱して打抜いた場合も最大勇断荷重は試 験片の厚さに比例する。これらの実験をまとめてグラフ にしたのがFig loである。図面の煩雑を避けるために測 定点は一一一々プロツトしない。 5・2 タンガロイPR3工具による実験結果 タンガロイPR3のポンチとダイス（平均径2・85mm） 400 ͡ ひ ） rs 300 苫 」 〔 ’ミ2・0 湾 三 妄’θθ ’三 Σ 0 （）．2％ Carbon Stee l H・sh Sp・・d Steel T・・1 ／0°C ！／
ノ ／◆ ●．／
ノ／
0 Fig．9 」20 EtO 芝 O．5 1，0 丁‘；cknes∼ of 丁est Piece （mm） Shear test of O 2％carbon steel with high speed steel tool at 100 Cα2％⑭・∫旋・1 3’窒
Hfsh speed 5t・el T・・1 395・ 4げc 5vo’c 必5 kO 1「kec k ness of 1「壱st P｝e‘e （mWt） Fig．10 Shear test of O 2％carbon steel with high speed steel t◎ol at various temperaturess
＞
3
轟。 』 ．／ll° 遥 00 0．2 ％ Ca，bon 5teelPR3 To。l
to’C／
／
／／
／
●／
／
Fig．11 05 ω T｝i；ckne∬ of Te st P∫ece （猟慨、 Shear test of O．2％carbon steel with PR3 tool at 100CタンガロイPR3工具により引続き140°C、230°C、 310°C、415°C、515°C、645°Cで打抜いた。645°Cで 打抜き終つたときにポンチのふちがかけて居た。645°C における実験結果では、その他の実験と異り最大勇断荷 重一試験片厚さ線図は原点を通る直線とならなかつた ので、これはポンチのかけたためと考えデータから省い た。尚、ポンチのふちの形状が最大勇断荷重に及ぼす影 響を見るために、かけたポンチを用い、室温（10°C）で 再び実験した結果はFig 12に示されるごとく、最大勇断 荷重の値がふちのかけないポンチの場合に比し約1割高 い値になつた。 400
二
こ §3⑳ 」 ．iひ る200 這 ξ E ／oo ’＊ ミ 0 0 Fig．12 o．2％Car』。n Steel PR3 To。1 10°C O．5 ． 1，0 TLt‘kne∬ ofゼTesτ Pi’ece （Wtg帆） Effect of the shape of punch edge かけたポンチを再研磨して615°C、695°Cおよび775° Cで打抜いた。各温度における実験結果をまとめてFig． 13に示す。この場合も最大勇断荷重は試験片の厚さに比 「53 」 O．2％Carbon 5teelPR
3’OC 230℃ノ籠
O，∫ λO T柘cknes3 0f −「＞sT Piece （WtWt） Fig．13 Shear test of O 2％carbon steel with PR 3 tool at various temperatures 90 例した。 5・3 温度による勇断抵抗の変化 Fig・9、10、11、13より02％炭素鋼の打抜きに際して は工具として高速度鋼第4種を用いてもタンガロイPR 3を用いても最大勇断荷重が試験片の厚さに比例するこ とがわかる。したがつて勇断抵抗は試験片厚さが023m mから1・Olmmまでの間では試験片厚さに無関係に一定 であることがわかる。 勇断抵抗と温度との関係はFig．14に示される。勇断抵 抗を算出するための切口総断面積の計算にはポソチとダ イスの平均直径を用いた。 二 さ4。 ei． 巴30 5 培 ’乙遣20
㌻t
田10 房． α2％Carbon 5τeel 一σ一くトー PR3 T。ol’＋＋−H｛5h Sp㏄
ｌｉ 00 ∫00 200 300 乎oo’500 Soo 700 8θoT・mp・raτ・re（ec）
Fig．14 Shearing・resistance of O 2％ carbon steel at various temperatures 高速度鋼工具による勇断抵抗はタンガロイPR3工具 による勇断抵抗より若干大き目に出ているが、その差は 大きくない。 Fig・14から02％炭素鋼の打抜き実験における勇断抵 抗は常温に於て41kg／mm2、温度の上昇と共に大となり 300°C近辺で極大値49kg／mm2をとり、その後勇断抵抗 は急激に低下することがわかる。 この結果は前田元三外並び1こFrench外の熱間抗張試 験の結果1）2）および著者の高温引掻実験結果3）とよく符 合する。 5．4 温度による単位勇断荷重一ポンチ行程 線図の変化 単位勇断荷重一ポンチ行程線図は温度によりFig，15−9 ひ x 50 ） ざ4・ 三 ξ3° 量2・ 善∬・
芸。
o10C
0 0・2％Carb。n S teet ∫O 30 20 ∫0 0 50 ／40°C 50 40 30 ∼0 io 230“c ∫O 十〇 30 20 ！oHish Speed steel T・・1
3’0℃ 50 4ρ 30 20 10 0 5000 SOOO S。 O
Pu nc ’h 5troke 390°C／
0 50 （％） 50 40 30 20 ！o00
465℃
o 50 ∫O 40 30 20 ／o Fig．15 Shearing load−punch stroke diagram of O 2％carbon stecl temperatures 0 540’C ▲ 〇 ∫ρ with high speed steel tool at various（
50NE
弍
）40
霊 よ 三3・9
÷2。 』 ・ぎ，・』
00
140°C02e／e Carbon 5teel
60 ∫O 40 30 2 ／0 Fig．16 0 『1
23 oec 60 50 30 20 ／0 0 310ec so 40 30 20 io OPunch
4’5°C 40 30 20 ／e oPR3
5’5°C c 4t
30 T。。1 20 ∫0 0 ％） 6’5°C 20 to ∫0 00695°C
SO O50 0 ∫0 0 0 50 teo
5・t ro ke （ Shearing load−punch sttoke diagram of O．2％carbon stcel with PR3 tool at various temperatUresおよびFig・ 16のごとく変化する。この実験ではポンチの 行程を測定する精度が悪いけれどv定性的に言つて140° C∼310°Cに於て即ち勇断抵抗が大きくなる温度範囲に 於て、最大勇断荷重に対応するポンチの行程が小さいこ とは間違いない。いわゆる青熱脆性に対応するものと考 えられる。 6 0・4％炭素鋼の打抜き実験結果 6・1 高速度鋼第4種工具による実験結果 04％炭素鋼の試験片（厚さ0・50∼Ll5mm）を高速度鋼 第4種の工具により10°C、140°Cb 230°C、310°C、 390°C、465°Cおよび540°Cに於て打抜いたところ、 ・Fig 17に示すごとく各温度の実験に於て最大勇断荷重は 試験片の厚さに比例した。 ti 1100 Σ ひ4％Ca，b。。 Steel PR3 T， Th；ckness 0．5 。f Tesτ to°b ∫40°C 3golC 25∫⊂ ’，0 （M“） 61sc 645’c 695t 77SC a￠°／，Carb。 HCsh ∫peeρ｛ ∫0℃ t40・C 230°C 3’0°C 390’C 46S’C ∫乎o℃ σ5 t，O T1あ『ckne∬ of Test P，ece （Wt m） Fig．17 Shear test of O．4％ carbon stcel with high speed steel tool at various tempe・ rarures 6・2 タンガロイPR3工具による実験結果 O・4％炭素鋼の試験片（厚さ033∼1・15mm）をタンガ ロイPR3の工具により10°C、140°C、255°C、390°C 515。C、615。C、645。C、695°Cおよび775°Cに於て打 抜いたところ、低温度に於ては最大勇断荷重は試験片の 厚さに比例したが、515°C以上の温度における実験では 最大勇断荷重一試験片厚さ直線が厳密には原点を通ら なかつた。 （Fig・ 18）その原因は工具および実験装置の 若干の損粍にあると考えられる。これらの温度に対する 勇断抵抗の値としては切口総断面積が10mm2になる試 験片厚さに対応する勇断抵抗の値を取つた。この値と各 々の試験片厚さに対して実験値から直接計算した勇断抵 抗の値との差は試験片の厚さが極めて薄くない限りそれ 程大きなものではない。 6・3 温度による勇断抵抗の変化 92 0 5 ／o Afe4 0f Shed了ins 5●‘tイo＾ （ 1肩㊨t2） Fig．18 Shear test of O．4％carbon steel with PR 3 tool at various temperatures O．4％Carb。n Steel ・一・n…一・o・・一・ PR3 To。1 NE 50 ’一”d’ S0
己30
loご 20 呈ノ0 め 一゜?｡一’→←−High speed Steel T。。1 ノ00 200 300 乎oo SOO 600 700 800 Te／rpperature （OC） Fig．19 Shearing resistance of O 4％carbon steel at vanous temperatures 04％炭素鋼の勇断抗抵と温度との関係はFig・191こ示さ れる。高速度鋼工具による勇断抵抗とタンガロイPR3 工具による勇断抵抗とが400°C∼550°Cの温度範囲で若 干相違があるが、温度による勇断抵抗の変化の様子は次 のようにいうことができよう。 0・4％炭素鋼の打抜き実験における勇断抵抗は常温に言
弍）60
3 b ＜ 50 妃己40
t c』R0 言 eJ 20
㌻
‘ζ 勺 ！θ2
の 0 Fig．2010℃
o 0 ＞O Shearing load temperatures 0．4％ Ca了』on 5teel t40°C 230°C 60 50 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 H；9』 310’C 60 丁0 40 30 20 ／0 0Speed Steel T・。1
390°C 465“C
60 TO 40 30 20 10 0 60 TO 40 30 20 10 0540℃
0 ∫0 0 50 0 50 0 SO O SO O 50
PunC』 5τvoke （ ％ ） punch stroke diagram of O．4％carbon steel with high speed steel tool at various二
・ミ60s
50』
3
…♪°120
1／・
Fig．21 0 ’0’CO・4％Ca，6。n
140℃ 60 虜O 40 30 20 ∫0 0 60 SO 40 30 20 10 05tee1
255“C 60 SO 40 30 20 ノ0 390’C 50 40 30 20 ノ0PR3
515°C To。1 615 °C 30 20 ∫0 20 ／0695℃
05・ ・5・ ・S。0。S。°。5。005。°OS。
Punch 5τrok・e （ ％） Shearing load−punch stroke diagram of O．4％carbon steel with PR 3 tool at various temperatures於て58kg／mm2温度の上昇と共に漸次低下し240°C近辺 で極小値50kg／mm2となる。更に温度が上昇すると勇断 抵抗はや・大となり390°C近辺で極大値52kg／mm2をと り、その後勇断抵抗は急激に低下する。 6・4 温度による単位勇断荷重一ポソチ行程 線図の変化 単位勇断荷重一ポンチ行程線図の温度による変化を Fig．20およびFig・21に示す。最大勇断荷重に対応する ポンチの行程は常温から400°C近辺までは大差ないが、 温度が400°Cを越すと急激に大きくなる。O．2％炭素鋼の 場合と同様に勇断抵抗の大きい温度範囲に於て最大勇断 荷重に対応するポンチの行程が小さいと言える。 これらの結果を前記の熱間抗張試験の結果1）2）と比較す ると、この実験に於て390°C近辺で現われる勇断抵抗の 極大値の大きさが常温における勇断抵抗よりも小さいと いう点では一致しないが、02％炭素鋼に比べ炭素量の 多いこの0・4％炭素鋼において極大値の現われる温度が 0・2％炭素鋼に比し高温に移行していること、極大値と言 つても0．2％炭素鋼ほどには著しい値を示さないこと、並 びに極大値の現われる温度における最大勇断荷重に対応 するポソチの行程がそれ程小さくならないこと等は、熱 間抗張試験の結果と定性的に符合するものと言えよう。
