타이타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 기계적 특성으로 과거 40~50년 전부터 현재에 이르기까지 매우 다양한 분야에 적용되는 재료로 특히 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 등, 주로 무게에 비해 높은 강도와 요구되거나 고온에서의 높은 강도 및 내식성이 요구되는 부품에 자주 사용되고 있다. 일반적인 철강재료에 비해 가격이 아주 비싼 편(30~120 US$/kg)이고, 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야만 주로 수요가 집중되어 있지만 점차 항공, 스포츠, 의료, 해양산업 등으로 그 수요처가 늘어나고 있다. Ti-6Al-4V 합금은 대표적인 타이타늄 합금 중 하나로서, 상온에서 비중(=4.42)에 비해 상당한 고강도를 가지고 있고, 낮은 파단 연신율(El=0.12)과 ...
타이타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 기계적 특성으로 과거 40~50년 전부터 현재에 이르기까지 매우 다양한 분야에 적용되는 재료로 특히 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 등, 주로 무게에 비해 높은 강도와 요구되거나 고온에서의 높은 강도 및 내식성이 요구되는 부품에 자주 사용되고 있다. 일반적인 철강재료에 비해 가격이 아주 비싼 편(30~120 US$/kg)이고, 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야만 주로 수요가 집중되어 있지만 점차 항공, 스포츠, 의료, 해양산업 등으로 그 수요처가 늘어나고 있다. Ti-6Al-4V 합금은 대표적인 타이타늄 합금 중 하나로서, 상온에서 비중(=4.42)에 비해 상당한 고강도를 가지고 있고, 낮은 파단 연신율(El=0.12)과 탄성계수(E=120GPa)를 가지고 있어서 실제 상업적으로 응용되는 타이타늄 합금 중 60% 이상을 차지한다. Ti-6Al-4V 합금은 타이타늄 합금의 일반적인 분류 중 형 합금이며, 형 타이타늄 합금의 특징과 형 타이타늄 합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용되며, 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용 가치가 매우 높은 합금계이다. 또한, 상은 상보다 고온에서 강도는 높지만 상온에서의 강도는 낮다. 상온에서 Prirels-Nabarro medel을 근거로 볼 때 c/a 비가 1.63 보다 작으면 prism slip이 basal slip보다 우세하게 작용하기 때문에 상은 일반적인 다른 hcp 구조에 비해 변형이 쉽게 일어나고 높은 연성을 가진다. 반면 상의 경우에는 bcc 구조로서 지배적인 슬립계가 존재하지 않으므로 경도와 강도가 높고, 연성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 상온에서는 주요변형상이 상이되며, 온도가 증가함에 따라 상의 변형저항이 급격이 감소하게 되므로 고온에서는 상이 주요 변형상이 된다. 그러나 대부분의 타이타늄 합금 특히, Ti-6Al-4V 합금의 경우 기계가공이 쉽지 않은 편이여서 부품 제조 시 고온단조 및 초소성 성형 등 고온가공법들이 적용되고 있다. 최근에 타이타늄 합금 판재의 고온 변형특성과 성형한계에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으나, 대부분의 연구가 성형온도가 0.5 이상인 700℃ ~ 900℃에서 변형률 속도를 ~ 정도로 매우 작게 하여 결정릴 슬립을 도모하여 큰 변형을 얻는 초소성 가공에 관한 것들이다. 향후 대량생산에 적합한 프레스 가공기술이 타이타늄 합금판재에도 적용이 확대될 것으로 예상되는 가운데 결정립 슬립이 시작되는 온도로 알려진 700℃ 근방의 고온에서 프레스 가공성의 확보 및 응용연구가 타이타늄 판재의 가공에서 에너지 절약차원에서 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이에 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금판재의 프레스 가공기술 확립을 위한 기초연구로 400℃ ~ 700℃온도 구간에서 Ti-6Al-4V 합금판재의 변형률 속도별 유동곡선을 확인하였다. 확인결과 600℃ 이상의 구간에서 재료의 연화 현상이 두드러지게 나타났으며 본 연구에서는 이러한 현상을 표현하기 위한 구성 방정식을 제안하였다. 제안된 구성 방정식은 실험결과를 잘 나타내고 있음을 확인하였다. 그리고 Ti-6Al-4V 합금판재의 소성변형 거동을 확인하기 위해 600℃에서 2축 인장 시험기를 이용하여 항복곡면을 도출하였다. 본 실험에서 확보한 항복곡면은 이방성과 인장압축 비대칭성을 동시에 가지는 것으로 확인되었으며 기존에 알려진 von Mises, Hill, Barlat 등의 항복조건식으로는 예측이 불가하여 재료의 이방성과 인장압축 비대칭성을 표현하기위한 새로운 항복조건식을 도출하였다. 500℃ ~ 700℃ 온도구간에서 돔 장출 실험을 실시하여 Ti-6Al-4V 합금판재의 성형한계도를 작성하였으며, 유한요소 해석을 이용한 사각컵 성형에 파단예측 자료로 활용하였다. 또한, 낮은 탄성계수로 인해 스프링백이 큰 Ti-6Al-4V 합금판재에 대해 등방 및 등방-이동 복합 경화 모델을 이용하여 스프링백 현상을 조사하였으며 실험결과와 비교하였다.
타이타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 기계적 특성으로 과거 40~50년 전부터 현재에 이르기까지 매우 다양한 분야에 적용되는 재료로 특히 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 등, 주로 무게에 비해 높은 강도와 요구되거나 고온에서의 높은 강도 및 내식성이 요구되는 부품에 자주 사용되고 있다. 일반적인 철강재료에 비해 가격이 아주 비싼 편(30~120 US$/kg)이고, 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야만 주로 수요가 집중되어 있지만 점차 항공, 스포츠, 의료, 해양산업 등으로 그 수요처가 늘어나고 있다. Ti-6Al-4V 합금은 대표적인 타이타늄 합금 중 하나로서, 상온에서 비중(=4.42)에 비해 상당한 고강도를 가지고 있고, 낮은 파단 연신율(El=0.12)과 탄성계수(E=120GPa)를 가지고 있어서 실제 상업적으로 응용되는 타이타늄 합금 중 60% 이상을 차지한다. Ti-6Al-4V 합금은 타이타늄 합금의 일반적인 분류 중 형 합금이며, 형 타이타늄 합금의 특징과 형 타이타늄 합금의 중간적 성질을 가지기 때문에 다양한 용도로 사용되며, 열처리 및 냉각 방법에 따라 철계 합금과 같이 다양한 미세조직과 기계적 성질을 얻을 수 있기 때문에 그 효용 가치가 매우 높은 합금계이다. 또한, 상은 상보다 고온에서 강도는 높지만 상온에서의 강도는 낮다. 상온에서 Prirels-Nabarro medel을 근거로 볼 때 c/a 비가 1.63 보다 작으면 prism slip이 basal slip보다 우세하게 작용하기 때문에 상은 일반적인 다른 hcp 구조에 비해 변형이 쉽게 일어나고 높은 연성을 가진다. 반면 상의 경우에는 bcc 구조로서 지배적인 슬립계가 존재하지 않으므로 경도와 강도가 높고, 연성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 상온에서는 주요변형상이 상이되며, 온도가 증가함에 따라 상의 변형저항이 급격이 감소하게 되므로 고온에서는 상이 주요 변형상이 된다. 그러나 대부분의 타이타늄 합금 특히, Ti-6Al-4V 합금의 경우 기계가공이 쉽지 않은 편이여서 부품 제조 시 고온단조 및 초소성 성형 등 고온가공법들이 적용되고 있다. 최근에 타이타늄 합금 판재의 고온 변형특성과 성형한계에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으나, 대부분의 연구가 성형온도가 0.5 이상인 700℃ ~ 900℃에서 변형률 속도를 ~ 정도로 매우 작게 하여 결정릴 슬립을 도모하여 큰 변형을 얻는 초소성 가공에 관한 것들이다. 향후 대량생산에 적합한 프레스 가공기술이 타이타늄 합금판재에도 적용이 확대될 것으로 예상되는 가운데 결정립 슬립이 시작되는 온도로 알려진 700℃ 근방의 고온에서 프레스 가공성의 확보 및 응용연구가 타이타늄 판재의 가공에서 에너지 절약차원에서 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이에 본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금판재의 프레스 가공기술 확립을 위한 기초연구로 400℃ ~ 700℃온도 구간에서 Ti-6Al-4V 합금판재의 변형률 속도별 유동곡선을 확인하였다. 확인결과 600℃ 이상의 구간에서 재료의 연화 현상이 두드러지게 나타났으며 본 연구에서는 이러한 현상을 표현하기 위한 구성 방정식을 제안하였다. 제안된 구성 방정식은 실험결과를 잘 나타내고 있음을 확인하였다. 그리고 Ti-6Al-4V 합금판재의 소성변형 거동을 확인하기 위해 600℃에서 2축 인장 시험기를 이용하여 항복곡면을 도출하였다. 본 실험에서 확보한 항복곡면은 이방성과 인장압축 비대칭성을 동시에 가지는 것으로 확인되었으며 기존에 알려진 von Mises, Hill, Barlat 등의 항복조건식으로는 예측이 불가하여 재료의 이방성과 인장압축 비대칭성을 표현하기위한 새로운 항복조건식을 도출하였다. 500℃ ~ 700℃ 온도구간에서 돔 장출 실험을 실시하여 Ti-6Al-4V 합금판재의 성형한계도를 작성하였으며, 유한요소 해석을 이용한 사각컵 성형에 파단예측 자료로 활용하였다. 또한, 낮은 탄성계수로 인해 스프링백이 큰 Ti-6Al-4V 합금판재에 대해 등방 및 등방-이동 복합 경화 모델을 이용하여 스프링백 현상을 조사하였으며 실험결과와 비교하였다.
Titanium alloy sheets have excellent specific strength and corrosion resistance as well as good performance at high temperature. Recently, titanium alloys are widely employed not only aerospace parts but also bio prothesis and motorcycle. However, due to the low formability and large springback at r...
Titanium alloy sheets have excellent specific strength and corrosion resistance as well as good performance at high temperature. Recently, titanium alloys are widely employed not only aerospace parts but also bio prothesis and motorcycle. However, due to the low formability and large springback at room temperature, titanium alloy sheets are usually formed by slow forming technique in hot temperature environment. Also, the material structure of titanium alloy is HCP (Hexagonal Close Pack). The deformation behavior of HCP structure material is unclear. In the sheet metal forming area, FE simulation technique to optimize forming process is widely used. To achieve high accuracy FE simulation results, identification of material properties and deformation characteristic such as yield criterion and constitutive equation are very important. In this study, to achieve constitutive equation of Ti-6Al-4V alloy sheet uniaxial tensile tests of Ti-6Al-4V alloy sheet with thickness of 1.0mm were performed at elevated temperature of 400°C ~ 600°C. The experimental results were compared with constitutive model such as Swift, Voce. New constitutive model was proposed to describe mechanical behavior of Ti-6Al-4V considering with strain rate and temperature effect. To characterize the behavior of plastic deformation of Ti-6Al-4V alloy sheet, biaxial tensile tests with cruciform specimen were performed until the specimen was breakdown at 600℃ using biaxial tensile test equipment which was developed in this study. The experimental results for yield locus are compared with several theoretical predictions such as von Mises, Hill, Logan-Hosford, and Balat model. Also, the experimental results for yield locus are compared with new yield function which was proposed in this study. The new yield function can describe not only the anisotropic of material but also asymmetry behavior between tension and compression. To define the failure during press forming in the FE simulation, the Forming Limit Curves (FLCs) should be obtained. Specially, because Ti-6Al-4V alloy sheets were formed at elevated temperature the FLCs should be obtained at elevated temperature. In industrial practice, an FLC is determined with out-of-plane (Herker method) or in-plane stretching tests (Marciniak method). In this study, the effect of temperature on the forming limit diagram was investigated for Ti-6Al-4V titanium alloy sheet through the Hecker’s punch stretching test at elevated temperature (500 ~ 700℃). Experimental results obtained in this study can provide a database for development of press forming process at elevated temperature of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet. Virtual experiment of square cup forming was performed using two kinds of hardening model one is isotropic and another is kinematic hardening to investigate springback behavior. The simulation results were compared with real experimental results.
Titanium alloy sheets have excellent specific strength and corrosion resistance as well as good performance at high temperature. Recently, titanium alloys are widely employed not only aerospace parts but also bio prothesis and motorcycle. However, due to the low formability and large springback at room temperature, titanium alloy sheets are usually formed by slow forming technique in hot temperature environment. Also, the material structure of titanium alloy is HCP (Hexagonal Close Pack). The deformation behavior of HCP structure material is unclear. In the sheet metal forming area, FE simulation technique to optimize forming process is widely used. To achieve high accuracy FE simulation results, identification of material properties and deformation characteristic such as yield criterion and constitutive equation are very important. In this study, to achieve constitutive equation of Ti-6Al-4V alloy sheet uniaxial tensile tests of Ti-6Al-4V alloy sheet with thickness of 1.0mm were performed at elevated temperature of 400°C ~ 600°C. The experimental results were compared with constitutive model such as Swift, Voce. New constitutive model was proposed to describe mechanical behavior of Ti-6Al-4V considering with strain rate and temperature effect. To characterize the behavior of plastic deformation of Ti-6Al-4V alloy sheet, biaxial tensile tests with cruciform specimen were performed until the specimen was breakdown at 600℃ using biaxial tensile test equipment which was developed in this study. The experimental results for yield locus are compared with several theoretical predictions such as von Mises, Hill, Logan-Hosford, and Balat model. Also, the experimental results for yield locus are compared with new yield function which was proposed in this study. The new yield function can describe not only the anisotropic of material but also asymmetry behavior between tension and compression. To define the failure during press forming in the FE simulation, the Forming Limit Curves (FLCs) should be obtained. Specially, because Ti-6Al-4V alloy sheets were formed at elevated temperature the FLCs should be obtained at elevated temperature. In industrial practice, an FLC is determined with out-of-plane (Herker method) or in-plane stretching tests (Marciniak method). In this study, the effect of temperature on the forming limit diagram was investigated for Ti-6Al-4V titanium alloy sheet through the Hecker’s punch stretching test at elevated temperature (500 ~ 700℃). Experimental results obtained in this study can provide a database for development of press forming process at elevated temperature of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet. Virtual experiment of square cup forming was performed using two kinds of hardening model one is isotropic and another is kinematic hardening to investigate springback behavior. The simulation results were compared with real experimental results.
주제어
#Ti-6Al-4V Deformation characteristics Press forming formability Elevated temperature springback yield locus biaxial
학위논문 정보
저자
박진기
학위수여기관
경북대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학과
발행연도
2011
총페이지
xii, 186 p.
키워드
Ti-6Al-4V Deformation characteristics Press forming formability Elevated temperature springback yield locus biaxial
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