成形性

成形性とは、金属加工品が損傷を受けることなく塑性変形する能力のことです。ただし、金属材料の塑性変形能力には一定の限界があり、その限界を超えると材料が裂けたり、破損したりすることがあります。

材料の成形性に影響を受けるプロセスには、圧延、押し出し、鍛造、ロール成形、スタンピング、ハイドロフォーミングなどがあります。

材料の成形性と延性を示す一般的なパラメータは、単軸引張試験で測定される破壊ひずみです (破壊靭性も参照)。この試験で特定されるひずみは、基準長さに対する伸びによって定義されます。たとえば、EN 10002 に準拠した平らな試験片の標準化された単軸試験では、長さ 80 mm (3.1 インチ) が使用されます。均一な伸びまでは変形が均一であることに注意することが重要です。ひずみはその後、破壊が発生するまで局所化します。破壊ひずみは、基準長さ内で変形の分布が不均一であるため、工学的ひずみではありません。それでも、破壊ひずみは材料の成形性の大まかな指標です。破壊ひずみの一般的な値は、超高強度材料では 7%、中強度鋼では 50% 以上です。

主な破損モードの 1 つは、材料の引き裂きによって引き起こされます。これは、シート成形アプリケーションで一般的です。^{[1] [2] [3]} 特定の成形段階でネックが現れることがあります。これは、局所的な塑性変形の兆候です。初期の安定変形段階では、その後のネック位置とその周囲で多かれ少なかれ均一な変形が発生しますが、準安定および不安定変形段階では、ほぼすべての変形がネックゾーンに集中します。これにより、引き裂きとして現れる材料破損が発生します。 成形限界曲線は、スタンピングプロセスの任意の段階でシート材料が受ける可能性のある、極端ではあるが起こり得る変形を示します。これらの限界は、変形モードと表面ひずみの比率によって異なります。主要な表面ひずみは、平面ひずみ変形が発生したときに最小値になり、対応するマイナーな表面ひずみがゼロになることを意味します。 成形限界は特定の材料特性です。一般的な平面ひずみ値は、高強度グレードでは 10%、中強度材料および成形性が非常に優れた材料では 50% 以上です。 成形限界図は、成形性をグラフや数学的に表現するためによく使用されます。多くの研究者は、破壊の性質、つまり成形限界図は、単一の実験キャンペーン内でも大きな変動が観察される可能性があるため、本質的に非決定論的であることを認識しています。^[4]

シート成形の典型的な形態は深絞りであり、これはシートの内側領域をパンチツールで押すことによってシートを引き抜くことによって行われ、ブランクホルダーで保持された側面の材料は中心に向かって引抜かれる。 優れた深絞り性を持つ材料は異方的に挙動することが観察されている（異方性を参照）。表面の塑性変形は、厚さよりもはるかに顕著である。ランクフォード係数（r）は、一軸引張試験での幅の変形と厚さの変形の比率を示す特定の材料特性である。 非常に優れた深絞り性を持つ材料は、r値が2以下である。 成形限界曲線（成形限界図）に関する成形性のプラス面は、図の左端に集中している材料の変形経路に見られ、そこでは成形限界が非常に大きくなる。

引き裂きを伴わずに発生する可能性がある別の破損モードは、塑性変形（延性）後の延性破壊です。これは、曲げまたはせん断変形（面内または厚さ方向）の結果として発生する可能性があります。破損メカニズムは、微視的レベルでのボイドの核生成と拡大による可能性があります。ボイド間の材料の変形が限界を超えると、マイクロクラックとそれに続くマクロクラックが発生する可能性があります。近年、延性破壊の理解とモデル化に広範な研究が集中しています。そのアプローチは、異なるひずみ比または応力三軸度を示すさまざまな小規模テストを使用して延性成形限界を特定することです。 ^{[5] [6]}このタイプの成形限界の効果的な尺度は、ロール成形用途の最小半径です（成形性が良好な材料の場合は板厚の半分、成形性の低い材料の場合は板厚の3倍）。

材料の成形性に関する知識は、あらゆる工業成形プロセスのレイアウトと設計にとって非常に重要です。有限要素法を使用したシミュレーションと、成形限界曲線 (成形限界図)などの成形性基準の使用は、特定のツール設計プロセスを強化し、場合によっては不可欠になります ( 「板金成形シミュレーション」および「板金成形解析」も参照)。

国際深絞り研究グループ ( IDDRG、1957 年から) の主な目的の 1 つは、シート材料の成形性に関する知識と経験の調査、交換、および普及です。