우수한 기계적 성질로 인해 차세대 자동차 강판재로 주목 받고 있는 고망간 쌍정유기소성 (transformation induced plasticity, TWIP)강은 다른 고강도 자동차강인 dual phase (DP) 강이나 transformation induced plasticity (TRIP)강과 비교할 때 월등히 긴 총 연신율을 가짐에도 불구하고 훨씬 짧은 불균일 연신율을 갖는다는 특징이 있다. 이처럼 낮은 불균일 연신율을 갖는 ...
우수한 기계적 성질로 인해 차세대 자동차 강판재로 주목 받고 있는 고망간 쌍정유기소성 (transformation induced plasticity, TWIP)강은 다른 고강도 자동차강인 dual phase (DP) 강이나 transformation induced plasticity (TRIP)강과 비교할 때 월등히 긴 총 연신율을 가짐에도 불구하고 훨씬 짧은 불균일 연신율을 갖는다는 특징이 있다. 이처럼 낮은 불균일 연신율을 갖는 TWIP강은 DP980 이나 TRIP980에서 네킹이 관찰되는 것과 달리 네킹이 거의 나타나지 않는 특징을 갖는다. 게다가 매우 흥미롭게도 이 세 강종 모두 이러한 네킹 거동의 차이에도 불구하고 시편의 파단면 중앙에서 딤플 (dimple)이라는 연성파괴의 특징이 관찰된다. TWIP강의 이러한 특이한 파단 거동을 TWIP강의 파단 기구 ((1) 공동 병합 (voidcoalescence)현상이나 (2) 국부 변형 띠 (localized deformation band) 등)를 통해 분석하여 해결하고자 하는 노력이 지속되어왔으나 아직까지 두 가지 파단 기구를 종합하여 정확히 분석한 바가 없다. 이에 본 연구는 Fe-18Mn-0.6C TWIP강을 기본으로 Al 함량을 변화시켜가며, 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 초고속 카메라, X-선 단층촬영장비등 여러 가지 방법을 사용하여 TWIP강의 파단시점에서의 시편 변화양상에 대해 관찰하고 파단 기구를 설명하고자 하였다. 이러한 연구를 통해 불균일 연신율이 짧은 Al이 첨가되지 않은 TWIP강에서 경우에는 파단 부분과 균일 부분 사이의 단면 수축율이 매우 적은 현상과 불균일 변형에 의해 생성되는 표면의 일정하지 않은 모양의 균열들을 다수 관찰할 수 있었다. 이러한 표면 균열들이 TWIP강의 파단에 주요 기구 중 하나였을 것임을 예측할 수 있었다. 추가적으로 저배율 현미경과 초고속 카메라를 활용하여 파단 순간의 모양을 촬영한 경우, Al 미첨가강은 표면에서 생긴 균열이 시편 중앙을 향해 전파하여 파단이 일어나는 반면, Al 첨가강은 순간적으로 시편 중앙에 생긴 공동 병합이 시편 표면 방향으로 전파하여 파단이 나는 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, 3D X-선 단층촬영장비를 활용하여 네킹 및 파단의 영향을 벗어난 균일 변형된 영역에서 Al미첨가강과 Al첨가강의 내부를 관찰하였을 때, Al미첨가강보다 Al첨가강의 내부에서 더 높은 밀도(개·mm-3)의 공동이 관찰하였다. 이는 Al 첨가강의 총 연신율이 더 높기 때문에 변형이 가해짐에 따라 생성된 공동의 차이인 것으로 보인다. 하지만, 동일하게 균일 변형된 지점을 관찰하였을 때 변형이 더 가해졌음에도 불구하고, 가장 큰 10개의 공동의 부피는 Al첨가강에서 더 적은 결과가 관찰되었다. 이러한 공동의 예상치 못한 성장은 Al미첨가강에서 생성된 표면 균열이 공동과의 상호작용을 통해 시편 중앙 부의 공동의 성장이 가속시켰기 때문에 관찰되는 것임을 분석할 수 있었다. 이러한 결과들을 종합하여 본 연구에서는 Al 미첨가 TWIP강의 경우, 불균일 변형과 음의 변형률 속도 민감도 때문에 국부 변형 띠가 우선 생성되면서 표면 균열이 생성되고, 그렇게 생성된 국부 변형띠와 표면 균열이 공동의 성장을 야기시킴으로써 파단이 발생하는 것임을 확인하였다. 또한, 이와 반대로 Al 첨가 TWIP강에서는 국부 변형 띠가 나타나지 않기 때문에 표면 균열 또한 존재하지 않았고, Al 첨가 TWIP강은 네킹에 의한 공동 병합 거동을 통해 파단이 발생한다는 사실을 밝혔다.
우수한 기계적 성질로 인해 차세대 자동차 강판재로 주목 받고 있는 고망간 쌍정유기소성 (transformation induced plasticity, TWIP)강은 다른 고강도 자동차강인 dual phase (DP) 강이나 transformation induced plasticity (TRIP)강과 비교할 때 월등히 긴 총 연신율을 가짐에도 불구하고 훨씬 짧은 불균일 연신율을 갖는다는 특징이 있다. 이처럼 낮은 불균일 연신율을 갖는 TWIP강은 DP980 이나 TRIP980에서 네킹이 관찰되는 것과 달리 네킹이 거의 나타나지 않는 특징을 갖는다. 게다가 매우 흥미롭게도 이 세 강종 모두 이러한 네킹 거동의 차이에도 불구하고 시편의 파단면 중앙에서 딤플 (dimple)이라는 연성파괴의 특징이 관찰된다. TWIP강의 이러한 특이한 파단 거동을 TWIP강의 파단 기구 ((1) 공동 병합 (void coalescence)현상이나 (2) 국부 변형 띠 (localized deformation band) 등)를 통해 분석하여 해결하고자 하는 노력이 지속되어왔으나 아직까지 두 가지 파단 기구를 종합하여 정확히 분석한 바가 없다. 이에 본 연구는 Fe-18Mn-0.6C TWIP강을 기본으로 Al 함량을 변화시켜가며, 광학 현미경, 주사 전자 현미경, 초고속 카메라, X-선 단층촬영장비등 여러 가지 방법을 사용하여 TWIP강의 파단시점에서의 시편 변화양상에 대해 관찰하고 파단 기구를 설명하고자 하였다. 이러한 연구를 통해 불균일 연신율이 짧은 Al이 첨가되지 않은 TWIP강에서 경우에는 파단 부분과 균일 부분 사이의 단면 수축율이 매우 적은 현상과 불균일 변형에 의해 생성되는 표면의 일정하지 않은 모양의 균열들을 다수 관찰할 수 있었다. 이러한 표면 균열들이 TWIP강의 파단에 주요 기구 중 하나였을 것임을 예측할 수 있었다. 추가적으로 저배율 현미경과 초고속 카메라를 활용하여 파단 순간의 모양을 촬영한 경우, Al 미첨가강은 표면에서 생긴 균열이 시편 중앙을 향해 전파하여 파단이 일어나는 반면, Al 첨가강은 순간적으로 시편 중앙에 생긴 공동 병합이 시편 표면 방향으로 전파하여 파단이 나는 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, 3D X-선 단층촬영장비를 활용하여 네킹 및 파단의 영향을 벗어난 균일 변형된 영역에서 Al미첨가강과 Al첨가강의 내부를 관찰하였을 때, Al미첨가강보다 Al첨가강의 내부에서 더 높은 밀도(개·mm-3)의 공동이 관찰하였다. 이는 Al 첨가강의 총 연신율이 더 높기 때문에 변형이 가해짐에 따라 생성된 공동의 차이인 것으로 보인다. 하지만, 동일하게 균일 변형된 지점을 관찰하였을 때 변형이 더 가해졌음에도 불구하고, 가장 큰 10개의 공동의 부피는 Al첨가강에서 더 적은 결과가 관찰되었다. 이러한 공동의 예상치 못한 성장은 Al미첨가강에서 생성된 표면 균열이 공동과의 상호작용을 통해 시편 중앙 부의 공동의 성장이 가속시켰기 때문에 관찰되는 것임을 분석할 수 있었다. 이러한 결과들을 종합하여 본 연구에서는 Al 미첨가 TWIP강의 경우, 불균일 변형과 음의 변형률 속도 민감도 때문에 국부 변형 띠가 우선 생성되면서 표면 균열이 생성되고, 그렇게 생성된 국부 변형띠와 표면 균열이 공동의 성장을 야기시킴으로써 파단이 발생하는 것임을 확인하였다. 또한, 이와 반대로 Al 첨가 TWIP강에서는 국부 변형 띠가 나타나지 않기 때문에 표면 균열 또한 존재하지 않았고, Al 첨가 TWIP강은 네킹에 의한 공동 병합 거동을 통해 파단이 발생한다는 사실을 밝혔다.
High manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steels have attracted much attention as potential materials for the automotive body due to their remarkable combination of high tensile stress (>800 MPa) and large uniform ductility (>60%). Although TWIP steels exhibit higher total elongation (etotal...
High manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steels have attracted much attention as potential materials for the automotive body due to their remarkable combination of high tensile stress (>800 MPa) and large uniform ductility (>60%). Although TWIP steels exhibit higher total elongation (etotal) compared to other advanced high strength steels (AHSS) such as dual phase (DP) or transformation induced plasticity (TRIP) steels, TWIP steels have much lower post uniform elongation (epu). In the TWIP steels with low epu, the necking phenomenon is hardly observed while DP and TRIP steels with high epu are frequently accompanied with the necking phenomenon. Moreover, it is interesting that these three steels have the dimple fractured surfaces, which are the representative features of ductile fracture. Therefore, because of these contradictory and unusual behaviors of TWIP steels, several researchers attempted to clearly analyze the fracture mechanism of TWIP steels with (a) void coalescence and (b) localized deformation band. However, there is no research which explains the fracture mechanism in TWIP steels in combination of two aspects yet; Therefore, in the present study, in order to reveal the fracture mechanism in TWIP steels, various experiments such as in-situ tensile test for observation of fracture, and X-ray micro-computed tomography were conducted with different Al concentration. First, the low reduction on area in necked region and irregular cracks in edge part in 0Al TWIP steel were reported due to inhomogeneous deformation. From these observations, the edge cracks might be the crucial for fracture with rarely necking in TWIP steels. In addition, in-situ observation of fracture was conducted using low magnification camera and high speed camera. In case of 0Al, the fracture occurred by cracking from outside to center, while 1.5 wt.% Al added TWIP steels fractured by necking and cracking from center to outside though void coalescence. Additionally, 1 wt.% Al added TWIP steel exhibited the fracture behavior with necking and crack from outer to center simultaneously. This inclination was also detected by the means of 3D X-ray micro-computed tomography. In the region which is uniformly deformed during tensile test, the density of voids in Al added TIWP is higher than Al-free TWIP steel. That is quite reasonable because Al added steel more strained and have Al effects. However, in case of average diameter of 20 largest voids, Al-free TIWP steel is much larger than Al added TWIP steel. This unexpected growth of voids occurred by the acceleration interaction due to interaction between voids and edge cracks. From these results, this study revealed that Al-free TWIP steel fractured through edge crack due to propagation of the PLC band. While Al added TWIP steel fractured through cracking due to void coalescence and necking.
High manganese twinning-induced plasticity (TWIP) steels have attracted much attention as potential materials for the automotive body due to their remarkable combination of high tensile stress (>800 MPa) and large uniform ductility (>60%). Although TWIP steels exhibit higher total elongation (etotal) compared to other advanced high strength steels (AHSS) such as dual phase (DP) or transformation induced plasticity (TRIP) steels, TWIP steels have much lower post uniform elongation (epu). In the TWIP steels with low epu, the necking phenomenon is hardly observed while DP and TRIP steels with high epu are frequently accompanied with the necking phenomenon. Moreover, it is interesting that these three steels have the dimple fractured surfaces, which are the representative features of ductile fracture. Therefore, because of these contradictory and unusual behaviors of TWIP steels, several researchers attempted to clearly analyze the fracture mechanism of TWIP steels with (a) void coalescence and (b) localized deformation band. However, there is no research which explains the fracture mechanism in TWIP steels in combination of two aspects yet; Therefore, in the present study, in order to reveal the fracture mechanism in TWIP steels, various experiments such as in-situ tensile test for observation of fracture, and X-ray micro-computed tomography were conducted with different Al concentration. First, the low reduction on area in necked region and irregular cracks in edge part in 0Al TWIP steel were reported due to inhomogeneous deformation. From these observations, the edge cracks might be the crucial for fracture with rarely necking in TWIP steels. In addition, in-situ observation of fracture was conducted using low magnification camera and high speed camera. In case of 0Al, the fracture occurred by cracking from outside to center, while 1.5 wt.% Al added TWIP steels fractured by necking and cracking from center to outside though void coalescence. Additionally, 1 wt.% Al added TWIP steel exhibited the fracture behavior with necking and crack from outer to center simultaneously. This inclination was also detected by the means of 3D X-ray micro-computed tomography. In the region which is uniformly deformed during tensile test, the density of voids in Al added TIWP is higher than Al-free TWIP steel. That is quite reasonable because Al added steel more strained and have Al effects. However, in case of average diameter of 20 largest voids, Al-free TIWP steel is much larger than Al added TWIP steel. This unexpected growth of voids occurred by the acceleration interaction due to interaction between voids and edge cracks. From these results, this study revealed that Al-free TWIP steel fractured through edge crack due to propagation of the PLC band. While Al added TWIP steel fractured through cracking due to void coalescence and necking.
주제어
#쌍정유기소성강 인장 파단 기구 3D X 선 단층촬영 공동병합 기구 국부 변형 twinning induced plasticity steel fracture mechanism in tensile test 3D X-ray tomography void mechanism Portevin–Le Chatelier band
학위논문 정보
저자
유하영
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
신소재공학과
지도교수
이영국
발행연도
2017
총페이지
xi, 83장
키워드
쌍정유기소성강 인장 파단 기구 3D X 선 단층촬영 공동병합 기구 국부 변형 twinning induced plasticity steel fracture mechanism in tensile test 3D X-ray tomography void mechanism Portevin–Le Chatelier band
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