本紹介記事は、[E3S Web of Conferences]によって発行された論文["Experimental Material Characterization and Formability studies on Aluminium Alloy (AA 8011)"]の研究内容を紹介するものです。
1. Overview:
- Title: Experimental Material Characterization and Formability studies on Aluminium Alloy (AA 8011)
- Author: Kuraku Ratna Babu, sattenapelli prashanth, Kethe Ganesh, Gone kiran kumar
- Publication Year: 2024
- Publishing Journal/Academic Society: E3S Web of Conferences 552, 01066 (2024)
- Keywords: Sheet metal shaping, plastic fragility, Forming Limit Diagram (FLD), Aluminum Alloy (AA8011), formability, Nakajima test, stretch forming, fractography, scanning electron microscope, LS-dyna software, extreme temperatures.
2. Abstracts / Introduction
板金成形加工は、多種多様な製品の生産に不可欠です。しかし、この業界では依然として塑性脆性（plastic fragility）の問題があり、それが頻繁に不良品の発生につながっています。生産中のこの問題を解決するには、成形限界線図（Forming Limit Diagram, FLD）を含む多くの要因を考慮することが重要です。本研究では、アルミニウム合金（AA8011）の成形性を、室温、100℃、150℃において、0.01 mm/sのひずみ速度で調査しました。中島試験（Nakajima test）を用いてストレッチ成形を実施し、研究結果を得ました。その結果、材料の制限応力は温度の上昇とともに増加することが明らかになりました。走査型電子顕微鏡を用いたフラクトグラフィー（fractography）調査と、LS-dynaソフトウェアを用いたシミュレーションによって分析を行いました。本研究は、極限温度におけるAA 8011シートの成形性に関する洞察に満ちた情報を提供することで、より生産的で成功する板金成形技術の開発に貢献することを目指しています。
アルミニウム合金は、軽量、優れた熱伝導性、並外れた成形性などの独特な特性により、航空宇宙産業や自動車産業をはじめとする様々な分野で有用です。特に航空機産業では、アルミニウム8XXX合金が広く使用されています。ジュラルミン（Duralumin, Al-Cu-Mg合金）は、航空機の設計に最初に利用された合金でした。析出硬化は、8XXXアルミニウム合金を強化する主要な方法です。銅は、8XXX系アルミニウム合金の主要な合金成分であり、微量のマンガンとマグネシウムが添加されることで、優れた被削性、高い強度、優れた成形性が得られます。
3. Research Background:
Background of the Research Topic:
板金成形加工は、製造業において基礎となるものです。板金成形における塑性脆性（plastic fragility）は、依然として工業的な問題であり、しばしば欠陥を引き起こします。この問題を軽減するためには、成形限界線図（FLD）などの要因を理解することが不可欠です。アルミニウム合金は、「軽量、優れた熱伝導性、並外れた成形性」といった利点があり、「航空宇宙産業や自動車産業における高性能、携帯部品」に適しています。耐食性、携帯性、断熱性も、その有用性をさらに高めています。アルミニウム8XXX系合金は、航空機産業で広く使用されています。初期のAl-Cu-Mg合金であるジュラルミンは、航空機設計に最初に採用されました。析出硬化は、8XXXアルミニウム合金を強化する主要な方法です。これらの合金における銅、マンガン、マグネシウムの組み合わせは、「優れた被削性、高い強度、優れた成形性」を提供します。
Status of Existing Research:
先行研究では、アルミニウム合金の特性が探求されてきました。マグネシウムと銅の間の析出硬化の関係は、「優れた耐食性」で知られるアルミニウム合金の堅牢性に寄与しています。これらは、「航空宇宙の定義と追加部品」を含め、耐食性が要求される用途に適しています。2XXX系合金は、高い成形性により、複雑な形状と厳しい公差が要求される用途に使用され、熱処理によって機械的特性を向上させることができ、「油圧部品や航空機のテーマ[3-4]」などの用途に最適です。Al-4.5%Cu合金であるAA8011は、強度対重量比と被削性に優れているため、航空宇宙産業や自動車産業で使用されており、「モーターや翼の部品」のような高温環境下でも優れた性能を発揮します。研究では、疲労やクリープ[5-6]下でのアルミニウム合金の挙動に対する合金元素の影響が調査されています。Naik, R.B., Ratna, [7]は、極限熱条件下でのAA8011に対する最適な固溶化処理温度を513℃と特定しました。Valli Gogula, Kuldeep K, [8]は、室温から300℃までのAA8011金属に対して高温引張試験を実施し、成形中の微細組織発達が低温での降伏強度と引張強度を向上させる原因であることを発見しました。Dharavath, MT Naik, [9]は、引張および圧縮荷重を受けるAA2014-T6鋼合金を研究しました。Ji He, Z. Cedric Xia [12]は、ASS 316のストレッチ成形とFLDを室温から400℃まで調査し、ひずみ変動と動的ひずみしわが成形性に及ぼす影響を指摘しました。S. Qin, H.M. Shang,[13]は、AA6061の冷間成形限界を研究し、-196℃での引張-引張領域で限界が大幅に高いことを発見しました。Sandeep Pandre,Ayush, [14]は、柔軟性評価のためにSwift Cup試験やFukui Cup Drawings Testなどの試験を比較しました。Xugang Wang, [15]は、より薄い銅ストリップ用の中島試験（Nakazima test）を開発し、マルシニアック試験（Marciniak tests）と同等の結果を得ました。R. Karthik Rao et.al, [16]は、AA8011において、温度上昇に伴いチューブの半径方向膨張が増加することを観察しました。Lade Jayahari et.al, [17]は、400℃でのTi-6Al-4V成形にDYNAFORMとLS-DYNAを使用し、Barlat 1989基準の妥当性を検証しました。Lumelskyj et.al, [18]は、円形サンプルのFLDに対して有限要素解析を使用しました。Nejia Ayachi, [19]は、中島試験シミュレーションアプリケーション（Nakazima Test Simulation Application）を使用してAA8011のFLDを作成し、実験的に検証しました。L.Venugopal et.al, [20]は、再利用可能な2014-T6金属ストリップを分析し、二次相原子と均一な結晶粒径を発見しました。
Necessity of the Research:
板金成形技術を理解し、改善することは、製造された製品の塑性脆性（plastic fragility）と欠陥を減らすために非常に重要です。特に、「極限温度におけるAA 8011シートの成形性に関する洞察に満ちた情報」を得ることは、「より生産的で成功する板金成形技術を開発する」ために必要です。
4. Research Purpose and Research Questions:
Research Purpose:
主な研究目的は、高温におけるアルミニウム合金（AA8011）の成形特性を調査することです。これには、室温、100℃、150℃において、0.01 mm/sのひずみ速度で、ストレッチ成形条件下での材料の挙動を研究することが含まれます。最終的な目標は、「極限温度におけるAA 8011シートの成形性に関する洞察に満ちた情報を提供することで、より生産的で成功する板金成形技術の開発を支援すること」です。
Key Research:
- AA8011材料の実験的特性評価。
- 中島試験（Nakajima test）を用いたAA8011の成形性解析。
- 様々な温度におけるAA8011の成形限界線図（FLD）の開発。
- LS-dynaソフトウェアを用いたストレッチ成形プロセスのシミュレーション。
- 走査型電子顕微鏡を用いたフラクトグラフィー（fractographic analysis）による材料破壊モードの解析。
- 様々な温度における限界ドーム高さ（Limiting Dome Height, LDH）の解析。
- 数値モデルの検証のための実験結果とシミュレーション結果の比較。
5. Research Methodology
Research Design:
本研究では、実験的アプローチと数値シミュレーションアプローチを組み合わせた混合方法論を採用しました。実験的には、様々な温度で中島試験（Nakajima test）を実施しました。数値的には、有限要素法（Finite Element, FE）シミュレーションをLS-Dynaソフトウェアを用いて行い、ストレッチ成形プロセスをモデル化しました。
Data Collection Method:
- 中島試験（Nakajima Test, Hemispherical Dome test）： 板厚1.0 mmのAA8011シートに対して、中島試験を用いてストレッチ成形実験を実施しました。試験は、室温、100℃、150℃において、0.01 mm/sのひずみ速度で実施しました。異なる試験片形状（R62.5、R50、R75）を使用しました。
- フラクトグラフィー（Fractography）： 破壊した試験片を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）を用いて観察し、破断面を分析し、材料の破壊メカニズムを解明しました。
Analysis Method:
- 成形限界線図（Forming Limit Diagram, FLD）解析： FLDは、様々な温度におけるAA8011の成形限界を評価するために、実験的および数値的に作成されました。主ひずみと副ひずみを解析してFLDを構築しました。
- 有限要素法（Finite Element, FE）シミュレーション： LS-Dynaソフトウェアを用いて中島試験（Nakajima test）をシミュレーションしました。材料特性とプロセスパラメータをモデルに入力しました。シミュレーション結果には、応力分布、ひずみ分布、変位が含まれます。
- 限界ドーム高さ（Limiting Dome Height, LDH）測定： LDHを測定して、様々な温度におけるAA8011の成形性を定量化しました。
- 実験結果とシミュレーション結果の比較： シミュレーション結果を実験データ、特にFLDとLDHの値と比較して検証しました。
Research Subjects and Scope:
本研究では、板厚1.0 mmのアルミニウム合金AA8011シートに焦点を当てました。本研究では、中島試験（Nakajima test）を用いたストレッチ成形条件下でのこの材料の成形性を調査しました。研究範囲は以下の通りです。
- 材料：アルミニウム合金AA8011。
- 温度：室温、100℃、150℃。
- ひずみ速度：0.01 mm/s。
- 試験片形状：R62.5、R50、R75（中島試験片の曲率半径）。
- 解析技術：中島試験（Nakajima test）、FLD解析、FEシミュレーション（LS-Dyna）、フラクトグラフィー（SEM）、LDH測定。
6. Main Research Results:
Key Research Results:
- 制限応力に対する温度の影響： 材料の制限応力は、温度が上昇するにつれて増加しました。
- 成形限界線図（FLD）： FLDは、室温、100℃、150℃におけるAA8011について、実験的およびLS-Dynaシミュレーションによって作成されました（図5および図10）。150℃における実験的FLDとシミュレーションFLD間の最小誤差が確認されました。
- 限界ドーム高さ（LDH）： LDHは温度とともに増加することが観察され、高温で成形性が向上することを示唆しています（図8）。150℃でのAA8011の絞り加工は、より実現可能であることがわかりました。
- シミュレーション結果： LS-Dynaシミュレーションは、ストレッチ成形プロセス中の応力（図11）、塑性ひずみ（図12）、変位（図13）分布に関する詳細な洞察を提供しました。R62.5形状が最大の有効応力を示しました。
- 微細組織解析： 微細組織評価の結果、すべての試験片で脆性破壊が認められました。
- 破壊モード： ドーム状カップ試験では、破壊とバインディング現象が観察されました（図6）。
Analysis of presented data:
- FLD解析（図5＆10）： FLDプロット（図5および図10）は、様々な温度におけるAA8011の成形限界を示しています。図5は、300℃、150℃、RT（室温）の実験的FLDを示しており、ネッキング開始時の主ひずみが副ひずみによってどのように変化するかを示しています。図10は、実験的FLDとFEAで生成されたFLDを比較しており、妥当な一致を示しています。表4は、異なる試験片寸法（R75、R62.5、R50）に対する主ひずみと副ひずみの実験結果とシミュレーション結果を定量化し、実験結果とシミュレーション結果の一貫性を示しています。
- LDHの変動（図8）： 図8は、様々な温度（0.1/sひずみ速度、300℃、150℃、RT）におけるサンプル幅に対する限界ドーム高さ（LDH）の変動を示しています。グラフは、LDHが一般的に温度とともに増加することを示しており、高温で成形性が向上することを示唆しています。
- 応力、ひずみ、変位シミュレーション（図11、12、13）： 図11、12、13は、異なる試験片形状（R75、R50、R62.5）に対する有効応力、有効塑性ひずみ、および結果変位のシミュレーション結果を示しています。図11は、R62.5形状が最大の有効応力を受けることを示しています。図12は、有効塑性ひずみの分布を示しており、R62.5およびR75の場合は中心付近、R50の場合はドームの縁付近で最も高い値を示しています。図13は、結果変位を示しており、R63.5サンプルがより大きなブロー再配置を示しています。
- 荷重対変位グラフ（図7）： 図7は、様々な温度（RT、150℃、300℃）における様々な試験片半径（R75、R50、R62.5）に対する荷重対変位グラフを示しています。このグラフは、様々な条件下での変形および破壊に必要な力を示しており、ストレッチ成形に対する材料の応答を示しています。
Figure Name List:
- Fig. 1. FLD
- Fig. 2. a) Experimental setup; b) Schematic Diagram
- Fig. 3. specimens for Nakazima test a) R62.5; b) R50; c) R75
- Fig.4. a) 3D model for stretch forming; b) Finite element model
- Fig. 5. FLD for different temperatures 300,150 and RT
- Fig.6. Necking, Failure, and Safe Regions of The Dome-Shaped Specimen
- Fig. 7. Load vs Displacement graph
- Fig. 8. variation of LDH
- Fig. 9. comparison between the experimental sample and simulation result
- Fig. 10. FLD generated by experiment and FEA
- Fig. 11. Simulations result of a) R75; b) R50; c) R62.5
- Fig. 12. Simulations result of a) R75; b) R50; c) R62.5
- Fig. 13. Simulations result of resultant displacement a) R75; b) R50; c) R62.5
7. Conclusion:
Summary of Key Findings:
本研究では、実験的な中島試験（Nakajima test）とFEシミュレーションを用いて、様々な温度におけるAA8011アルミニウム合金の成形性を調査しました。主な調査結果は以下の通りです。
- 温度の上昇は、AA8011の制限応力を増加させます。
- AA8011の成形限界線図（FLD）は、室温、100℃、150℃の温度に対して首尾よく開発され、特に150℃において実験的FLDとシミュレーションFLDとの間で良好な一致が見られました。
- 限界ドーム高さ（LDH）は温度とともに増加し、高温で成形性が向上することを示唆しています。150℃でのAA8011の絞り加工は、より実現可能です。
- LS-Dynaシミュレーションは、ストレッチ成形中の応力、ひずみ、変位分布を効果的に予測し、R62.5形状が最大の応力を経験しました。
- 微細組織解析の結果、すべての試験片で脆性破壊が明らかになりました。
- ドーム状カップ試験では、破壊とバインディング現象が示されました。
Academic Significance of the Study:
本研究は、高温におけるAA8011アルミニウム合金の成形挙動の基礎的な理解に貢献します。開発されたFLDと検証されたシミュレーションモデルは、温間成形条件下でのこの材料の成形限界を予測および分析するための貴重なデータを提供します。
Practical Implications:
研究結果は、AA8011の板金成形プロセスを最適化するための実用的な洞察を提供します。150℃での成形性の向上が実証されたことは、温間成形技術を効果的に用いてAA8011シートから複雑な形状の製造性を向上させることができることを示唆しており、自動車や航空宇宙などの産業において、より効率的で成功する板金成形作業につながる可能性があります。
Limitations of the Study and Areas for Future Research:
論文では、研究の限界や今後の研究分野については明示的に述べられていません。
8. References:
- [1] Nitin Kotkunde, Amit Kumar Gupta, Prudvi Reddy Paresi, Swadesh Kumar Singh, Materials Today: Proceedings Volume 4, Issue 4, 2017.
- [2] Jayahari Lade ,Dharavath Baloji ,M.Sai sharath ,G.Rajul ,Anil Kalluri , A.Anitha Lakshmi , Minakshi Memoria “Finite Element Analysis on Experimental Stretch
- [3] Forming Process of AA2014 Alloy at 423 to 623K Temperatures”, E3S Web of Conferences, 011 (2023) ICMPC 2023
- [4] Jürgen HIRSCH, Transactions of Non ferrous Metals Society of China, Volume 24, Issue 7, (July 2014).
- [5] TolgaDursun, Costas Soutis, Materials & Design (1980-2015) Volume 56, (April 2014),
- [6] R. Baloji Naik, D. Ratna, S.K. Singh.” Synthesis and characterization of novel hyperbranched alkyd and isocyanate trimer based high solid polyurethane coatings” Progress in Organic Coatings Volume 77, Issue 2, February 2014, Pages 369-379
- [7] .S. P. Ringer, T. Sakurap And I. J. Polmear, Acta Materialia, Volume 45, Issue 9, September 1997
- [8] Naik, R.B., Ratna, D., Singh, S.K., Synthesis and characterization of novel hyperbranched alkyd and isocyanate trimer based high solid polyurethane coatings, Progress in Organic Coatings, 2014, 77(2), pp. 369–379
- [9] Tanya Buddi, Susmitha Valli Gogula, Kuldeep K. Saxena, Manufacturing and Evaluation of Mechanical Properties for Rice Husk Particle Board Using IoT, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences: Volume 29, Issue 6, December 2022
- [10] B Dharavath, MT Naik, A Badrish, T Buddi, Experimental and Finite Element Studies of Stretch Forming Process for ASS 316L at Elevated Temperature, Indian Journal 2022 - ischolar.sscldl.in Volume 29, Issue 6, December 2022
- [11] B. Taleb Araghi, G.L. Manco, M. Bambach, G. Hirt” Investigation into a new hybrid forming process: Incremental sheet forming combined with stretch forming” CIRP Annals Volume 58, Issue 1, 2009, Pages 225-228K.
- [12] Woei-Shyan Lee, Chi-Feng Lin” Plastic deformation and fracture behaviour of Ti-6Al-4V alloy loaded with high strain rate under various temperatures” Plastic deformation and fracture behaviour of Ti-6Al-4V alloy loaded with high strain rate under various temperatures
- [13] Ji He, Z. Cedric Xia, Xinhai Zhu, Danielle Zeng, Shuhui Li, Sheet metal forming limits under stretch-bending with anisotropic hardening, International Journal of Mechanical Sciences Volume 75, October 2013, Pages 244-256
- [14] S. Qin, H.M. Shang, C.J. Tay, J. Mo “Stretching during axisymmetrical forming of sheet metal"Journal of Materials Processing Technology Volume 63, Issues 1–3, January1997,Pages117-122
- [15] Sandeep Pandre, Ayush Morchhale,Nitin Kotkunde &Swadesh Kumar Singh" Influence of processing temperature on formability of thin-rolled DP590 steel sheet"Pages 901-909 | Received 03 Feb 2020, Accepted 09 Mar 2020, Published online: 21 Apr 2020
- [16] Xugang Wang, Xiaobo Fan, Xianshuo Chen, Shijian Yuan, Journal of Materials Processing Technology Volume 306, August 2022
- [17] R. Karthik Rao, Phaneendra Babu Bobba , T. Suresh Kumar , Satyanarayana Kosaraju, Feasibility analysis of different conducting and insulation materials used in laminated busbars. Materials Today: Proceedings, 2019, 26, pp. 3085–3089
- [18] Lade Jayahari, P.V. Sasidhar, P. Prudvi Reddy, B. BaluNaik, A.K. Gupta, Swadesh Kumar Singh, Formability studies of ASS 304 and evaluation of friction for Al in deep drawing setup at elevated temperatures using LS-DYNA, Journal of King Saud University - Engineering Sciences, Volume 26, Issue 1, 2014, Pages 21–31.
- [19] J. Pavan Kumar, R. Uday Kumar, B. Ramakrishna, B. Ramu and K. Baba Saheb 2nd International Conference on Advancements in Aeromechanical Materials for Manufacturing, volume 455, July 2018.
- [20] Nejia Ayachi, Noamen Guermazi, Cong Hanh Pham. Metals 2020, 10(9), 116, August 2020.
- [21] L. Venugopal, M. J. Davidson & Material and manufacturing process, volume 28, issue 3, 2013
- [22] Suresh Kumar Tummala, Phaneendra Babu Bobba & Kosaraju Satyanarayana (2022) SEM & EDAX analysis of super capacitor, Advances in Materials and Processing Technologies, 8:sup4, 2398–2409.
- [23] Lumelskyja, J. Rojeka, L. Lazarescub, D. Banabic, Procedia Manufacturing, Volume 27, 2019
- [24] B. J. Varghese, P. B. Bobba and M. Kavitha, “Effects of coil misalignment in a four coil implantable wireless power transfer system,” 2016 IEEE 7th Power India International Conference (PIICON), Bikaner, India, 2016, pp. 1–6
- [25] Mahalle G, Morchhale A, Kotkunde N, Gupta AK, Singh SK, & Lin Y C, J Manuf Processes, (2020) 482.
- [26] L. Venugopal, M. J. Davidson & N. SelvarajMaterial and manufacturing process, volume 28, issue 3,2013.
9. Copyright:
- This material is "Kuraku Ratna Babu, sattenapelli prashanth, Kethe Ganesh, Gone kiran kumar"の論文：「Experimental Material Characterization and Formability studies on Aluminium Alloy (AA 8011)」に基づいています。
- Paper Source: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202455201066
この資料は、上記の論文を紹介するために作成されたものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.