成形：塑性変形プロセスによる鋼の成形
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定義と基本概念
成形は、材料を追加または除去することなく、機械的力の適用を通じて望ましい形状に塑性変形させる製造プロセスです。これは、鋼の幾何学を変更しながら、その質量と連続性を維持する金属加工技術の基本的なカテゴリを表しています。鋼鉄産業において、成形プロセスは、スラブ、ビレット、またはシートなどの原材料の鋼製品を、特定の幾何学と強化された機械的特性を持つ有用なコンポーネントに変換するために不可欠です。
冶金学の広い分野の中で、成形は一次製鋼と仕上げ操作の間に重要な位置を占めています。これは、原材料の鋼の生産と最終製品の製造のギャップを埋め、微細構造を同時に精製しながら複雑な形状を作成することを可能にします。成形プロセスは、鋼の固有の塑性、すなわち破断せずに永久に変形する能力を利用して、他の方法では不可能または経済的でないコンポーネントを作成します。
物理的性質と理論的基盤
物理的メカニズム
微細構造レベルでは、成形は鋼の結晶格子内での転位の移動と増殖を含みます。応力が材料の降伏強度を超えると、これらの線状結晶欠陥は格子内を移動し、原子面が互いにすべり過ぎることを可能にします。この転位の移動は、原子結合を破ることなく永久的な変形を生じさせます。
このプロセスは通常、弾性変形領域と塑性変形領域の両方を含みます。初期の荷重は、原子結合が伸びるが破れないため、可逆的な弾性変形を引き起こします。降伏点を超えると、転位が増殖し移動することで塑性変形が発生し、永久的な形状変化を生じます。この移動は、粒界、析出物、他の転位からの抵抗に直面し、作業硬化現象に寄与します。
理論モデル
塑性理論は、金属成形を理解するための主要な理論的枠組みを形成します。この理論は、材料が適用された荷重の下で塑性変形する方法を説明し、成形操作中の材料の流れを予測します。初期の発展は、トレスカの最大せん断応力基準（1864年）とフォン・ミーゼスの歪みエネルギー基準（1913年）から始まり、延性材料の降伏基準を確立しました。
現代の成形理論は、いくつかのアプローチを取り入れています。20世紀中頃に開発されたスリップライン場理論は、平面ひずみ変形問題に対する解析的解を提供します。有限要素解析（FEA）は、複雑な変形プロセスの数値シミュレーションを可能にすることで、成形予測を革命的に変えました。上限および下限技術は、成形荷重と材料の流れパターンに対する解析的近似を提供します。
材料科学の基盤
成形挙動は、鋼の結晶構造に直接関連しており、体心立方（BCC）および面心立方（FCC）構造は異なる変形特性を示します。BCC鋼（フェライト系グレードなど）は、一般的にFCC鋼（オーステナイト系ステンレス鋼など）よりも高い降伏強度を示しますが、延性は低く、成形性に影響を与えます。
粒界は、転位の移動を妨げることによって成形挙動に大きな影響を与えます。細粒鋼は、一般的に粗粒鋼よりも高い強度と優れた成形性を示します。成形中、粒は材料の流れの方向に伸び、最終製品に異方性特性を生じさせます。
微細構造の組成、すなわち存在する相、その形態、分布は、成形挙動を根本的に決定します。二相（DP）や変形誘発塑性（TRIP）鋼のような多相鋼は、特定の微細構造の特徴を利用して成形性を向上させながら強度を維持します。析出物、包含物、第二相粒子は、転位の移動に対する障害物として作用し、成形性や最終特性に影響を与えます。
数学的表現と計算方法
基本定義式
金属成形における基本的な関係は、流動応力方程式です：
$$\sigma = K\varepsilon^n$$
ここで：
- $\sigma$ は流動応力（MPa）を表します。
- $K$ は強度係数（MPa）です。
- $\varepsilon$ は真ひずみ（無次元）です。
- $n$ はひずみ硬化指数（無次元）です。
関連計算式
成形限界図（FLD）は、主要ひずみ（$\varepsilon_1$）と副ひずみ（$\varepsilon_2$）の関係を利用します：
$$\varepsilon_1 = f(\varepsilon_2)$$
板金成形における成形力を計算するための式：
$$F = \sigma_f \cdot A \cdot K_f$$
ここで：
- $F$ は成形力（N）です。
- $\sigma_f$ は流動応力（MPa）です。
- $A$ は投影面積（mm²）です。
- $K_f$ は成形操作に基づく幾何学的係数です。
電力要件を計算するための式：
$$P = F \cdot v$$
ここで：
- $P$ は電力（W）です。
- $F$ は力（N）です。
- $v$ は速度（m/s）です。
適用条件と制限
これらの式は、等温条件および均質な材料特性を仮定しています。動的回復や再結晶が発生する高温では、精度が低下します。流動応力方程式は主に単相材料に適用され、多相鋼に対しては精度が低下します。
ひずみ速度感度は基本的な流動応力方程式には考慮されておらず、高速成形操作における適用性が制限されます。ほとんどのモデルは等方的な材料挙動を仮定しており、これは有意な異方性を持つ圧延シート製品を正確に表現しない可能性があります。実際の成形操作に大きな影響を与える摩擦や潤滑効果は、基本的な計算ではしばしば簡略化または無視されます。
測定と特性評価方法
標準試験仕様
- ASTM E8/E8M: 金属材料の引張試験の標準試験方法、成形に関連する基本的な引張特性をカバーしています。
- ISO 12004-2: 金