Geometry and mechanical properties are the most important required parameters in formed products. Geometry optimization relates to the forming technology while the mechanical properties are governed by the microstructure. One of the most important topics in recent decades is the simultaneous generation of geometry and microstructures in industrial hot forming. The aim of the present thesis is to develop a procedure for quantification of microstructure evolution under hot forming of tool steels and acquisition of the microstructural evolution kinetics for two representative tool steel with higher applications. In the first chapter, tool steels, their classifications, and their manufacturing methods are briefly described. Then motivation of this study from industrial and scientific point of view is discussed.

In the second chapter the previous researches for analysis of microstructure evolution during hot forming and the method of implementation of the empirical equations for definition of microstructural changes in optimization of products are briefly reviewed. Most of the models for evaluation of the microstructural changes necessitate laborious experiments and analyses. Since performing such kind of procedures for different type of steels with various chemical compositions is almost impossible, during recent years many efforts have been done to reduce the number of necessary experiments for definition of microstructural evolution kinetics. But precise acquisition of the complete material genome still requires lots of experiments and analyses. In the field of tool steels, the quantity of the researches for definition of microstructural evolution in hot forming is truly low. The researches of this category are mainly focused on the evaluation of the resistance to hot deformation and even the microstructural changes are investigated from this point of view. In few researches, the microstructure optimization is also considered but the results are only applicable for a special case study and cannot be used as a general method.

A standard package for acquiring the material genome is presented in the third chapter. This package could be applicable to other types of steels to acquire the bases of microstructure optimization in hot forming products. In this package, the material genome for microstructural kinetics, except grain size evolution, could be acquired by analyzing the flow curves obtained by inverse analysis. Hence, it requires fewer metallographic tests. A new method for separation of effects of static recovery and static recrystallization is also presented while previous researches were not able to perform accurate estimation of these parameters without observation of frozen microstructure. Beside this, new approaches for estimation of grain size from partially recrystallized microstructure, revelation of PAGB in SKS31, global curve fitting for acquisition of work hardening coefficient are proposed.

Based on the newly developed method, the kinetics of microstructural evolution in the hot forming of SKD61 and SKS31 tool steels are investigated and presented in chapter 4 and 5, respectively. A series of single and double compression tests, inverse analysis to obtain flow curves, micrography of compressed specimens and the regression analysis of coefficients in material data are used to evaluate the material genome. Obtained equations are capable to reflect the transient changes in forming conditions, such as strain rate and temperature, and can be used in simulation and optimization of multi-pass hot forming processes. The validity of the method is checked by coupled finite element and microstructural simulation of plain strain compression test. The predicted microstructures agree with the micrographs obtained from a quenching experiment.

Finally, in the last chapter the effects of high alloy contents of tool steels in microstructure evolution during hot working is described and some key features of SKD61 and SKS31 tool steels are compared from this point of view. Industrial and scientific significance of this thesis is discussed and some offers for future works are presented.

工具鋼の内部組織最適制御は、工具鋼の機械的特性を向上させるために重要な要件となっており、古くより各種の合金開発が行われてきた。また内部組織の制御には、熱間加工中に塑性変形によって引き起こされる再結晶等の金属組織変化の活用が重要とされており、古くからTry and errorによる加工条件最適化への取り組みがなされてきた。しかしながら、工具鋼はCr, V, W等が添加されている高合金鋼に属しその内部組織変化は複雑で、内部組織変化をつかさどる再結晶速度、回復速度、粒成長速度、の定量的な表示式は皆無といってよい状況にあった。

本研究は、熱間加工組織制御のための組織予測モデルへの組み込みを前提として、内部組織変化をつかさどる再結晶速度、回復速度、粒成長速度、の定量的な表示を、温度と加工速度の関数として得ようと試みたものである。またそのために必要な測定手法を体系化し、新たな理論解析に基づくデータ処理を追加する等することで、一段および多段熱間圧縮試験の結果を基にして内部組織変化のkineticsの定量的は表示を得るための手法を体系的に明示した。

論文は6章で構成されている。第1章は序論、第2章は金属材料学や塑性加工学に跨って行われてきた関連する研究の総括である。第3章では、内部組織変化をつかさどる再結晶速度、回復速度、粒成長速度、の定量的な表示式(kinetics)を得るための手法を整理し提案している。この手法を利用して、第4章では熱間ダイス鋼SKD61(0.39C-0.97Si-0.38Mn-5.05Cr-1.21Mo-0.82V-Fe)の内部組織変化の定量的な表示式を得る過程と結果を示している。第5章では冷間ダイス鋼SKS31(1.01C-0.24Si-0.97Mn-0.94Cr-1.04W-Fe)について、定量的な表示式を得る過程と結果を示した。第4章および第5章にて論じた定量的な表示式は,高合金鋼に特有のVC,WCの存在をTEM観察等により確認することで、塑性変形に伴う析出物による転位移動のピン止め作用によって影響されていることを明らかにしている。第6章は総括と展望で、工具鋼の材料組織変化についての定量的な表示式を得ることの工業的な意義、変形加工による組織制御研究に及ぼす本研究の影響について論じている。

本論文では、熱間ダイス鋼SKD61と冷間ダイス鋼SKS31のわずか2種ではあるが,異なる組成の高合金鋼を対象としつつ、材料組織予測モデルに利用できる材料組織変化についての定量的な表示式を得ており,工業的に意義あるものと評価できる。さらに、流動応力曲線をもとに内部組織変化についての定量的な表示式を得る方法を、新たな手法を導入しつつ体系的に整理したことは、工学的に見て新たな知見である。以上を要するに本論文は、数理モデルを援用した工具鋼製造への道を拓きつつ、工具鋼に関わる新たな工学的知見をももたらしたものとして、高く評価できる。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。