[논문]나노 인덴테이션의 하중-변위 곡선을 이용한 용융아연도금 강판 코팅층의 기계적 특성 결정

고영호; 이정민; 김병민

doi:10.5228/kspp.2004.13.8.731

나노 인덴테이션의 하중-변위 곡선을 이용한 용융아연도금 강판 코팅층의 기계적 특성 결정
Determination of the Mechanical Properties of the Coated Layer in the Sheet Metal Using Load-Displacement Curve by Nanoindentation Technique 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.13 no.8, 2004년, pp.731 - 737

고영호 (부산대학교 정밀기계공학과) , 이정민 (부산대학교 정밀기계공학과) , 김병민 (부산대학교 정밀정형 및 금형가공연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical properties such as Young's modulus and hardness of thin film in coated steel are difficult to determine by nano-indentation from the conventional analysis using the load-displacement curve. Therefore, an analysis of the nano-indentation loading-unloading curve was used to determine the Young's modulus, hardness. A new method is recently being developed for elastic-plastic properties of materials from nano-indentation. Elastic modulus of the thin films shows relatively small influence whereas yield strength is found to have significant effect on measured data. The load-displacement curves of material tested with a Berkovich indenter and nano-indentation continuous stiffness method is used to measure the modulus and hardness through thin films, and then these are computed using the analysis procedure. The developed neural networks apply also to obtain reliable mechanical properties.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 표면처리강판과 같은 일종의 이종재료의 코팅층에 대해서 압입 깊이에 따른 탄성계수 및 경도 분포를 구하고 유한요소 해석을 수행하여 표면처리강판 코팅층의 기계적 물성치를 결정하고자 한다.
전자.자동차 분야의 박막특성에 관해 수행된 연구들은 대단히 미소한 변형영역에서 박막의 탄성계수, 경도 등을 측정하여 박막의 특성을 규정하고자 하였다. 그러나 표면처리강판은 대변형 즉, 소성가공을 통하여 자동차 차체나 부품, 가전 제품 등의 제조에 사용되므로 대변형 영역에서 코팅층의 탄-소성 변형거동의 파악이 필수적이다 현재까지 제품의 내구성 및 기계적 성질 평가를 위한 표준이 확립되어 있지 않기 때문에 보고된 기계적 물성치의 변화폭이 상당히 크다.

가설 설정

소재의 바닥은 회전 및 이동의 6자유도를 완전히 고정하였고 팁은 Y 축 이동만 가능하도록 하였다. 2차원과 3차원 모델 모두 코팅층의 초기 잔류응력은 없고 등방성이며 프와송비는 0.3으로 가정하였다.
메쉬크기는대칭축에 가까워질수록 작아지며, 해석단계는 하중(loading)단계와 제하중(unloading)단계로 나누어 진다. 3차원 나노인덴테이션 해석에서는 모서리 부분의 곡률반경도 고려하여 팁 끝부분의 곡률반경을 lOOnm 로 가정하고 점차적으로 0까지 줄여서 모델링하였다. 팁은 600여개의 강체요소(R3D4 element type) 로 구성하였고 소재의 메쉬는 45000여개의 8노드 죽소 적분요소(C₃D8R element type)을 사용하였다.

제안 방법

5에서 볼 수 있듯이, 압입 깊이에 따른 경도 및 탄성계수 측정 결과에서 초기에는 압입 크기효과와 표면거칠기효과(Surface roughness effect)등으로 인해 탄성계수와 경도의 급격한 변화를 관찰할 수 있었다.그러나 200nm 이후에는 일정한 탄성계수와 경도의 분포를 보였으며, 이 구간에서의 평균값을 코팅층의 기계적 물성치로 결정 하였다.
3을 사용하였으며, 2차원 나노인덴테이션 공정을 축대칭 모델로 해석을 수행하였다. 그리고 3차원 나노인덴테이션 공정해석으로 압흔의 형상과 파일업의 크기를 예측하였다. 2차원 나노인덴 테이션 공정에서는 실제 베르코비치 다이아몬드 압자에 가깝게 팁의 곡률반경을 lOOnm 로 하였으며, 소재 부분의 메쉬(mesh)는 축대칭요소 (CAX 4R element type) 7200개로 구성하였다.
10과 같은 자기 학습 능력을 가지고 있는 다층 퍼셉트론(Multi-layer perceptron) 인공신경망(ANN)과 유한요소법을 이용하였다. 먼저 항복강도와 탄성계수의 비가 하중- 변위 곡선에 미치는 영향을 파악하고 신경망의 함수근사 능력을 이용하여 언로딩 부분의 함수식을 결정함으로써 최적의 하중-변위 곡선을 결정하였다. 탄성계수대 항복강도비를 100으로 가정하였을 경우 언로딩 부분의 3차함수식을 구하면 식 (4)와 같다.
본 연구에서는 나노인덴테이션을 이용하여 표 면처리강판의 일종인 용융도금강판의 물성치를 측정하고, 압입 공정을 유한요소 해석하여 박막의 항복강도와 탄성계수를 결정하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
팁은 600여개의 강체요소(R3D4 element type) 로 구성하였고 소재의 메쉬는 45000여개의 8노드 죽소 적분요소(C₃D8R element type)을 사용하였다. 소재의 바닥은 회전 및 이동의 6자유도를 완전히 고정하였고 팁은 Y 축 이동만 가능하도록 하였다. 2차원과 3차원 모델 모두 코팅층의 초기 잔류응력은 없고 등방성이며 프와송비는 0.
실제 압입 공정 해석의 타당성을 검증하기 위하여 2차원 압입 공정 해석으로 결정된 물성치를 바탕으로 3차원 압입 공정 해석을 수행하고 압입 형상과 파일업의 크기를 예측하였다. Fig.
유한요소해석에서 나노인덴테이션 압입 공정 해석을 위한 모델을 결정하고 인덴테이션 실험의 하중-변위 곡선을 일치시켜 코팅층의 탄성계수와 항복강도를 결정하였다. 해석은 FEM 패키지인 AB AQUS 6.
표면처리강판의 박막에 있어서 항복강도의 영향을 확인하기 위하여 lOOGpa 의 탄성계수를 가진 소재를 이용하여 항복강도를 IGpa 에서 5Gpa까지 변화시키면서 해석을 수행하였다.

대상 데이터

따라서 압입시험으로 코팅층에 작은 압흔을 생기게 하는 힘을 측정함으로써, 박막의 탄- 소성 거동을 알 수 있* 다.' 3)나노인덴테이션 실험에 는 MTS 사의 Nanoindentation®XP 가 사용되었으며 실험에 사용되는 압자는 어떠한 형태도 가능 하나, 탄성 계수가 크고 마찰계수와 접촉면 적이 작은 베르코비치 팁(Berkovich tip)을 사용하였다.
그리고 3차원 나노인덴테이션 공정해석으로 압흔의 형상과 파일업의 크기를 예측하였다. 2차원 나노인덴 테이션 공정에서는 실제 베르코비치 다이아몬드 압자에 가깝게 팁의 곡률반경을 lOOnm 로 하였으며, 소재 부분의 메쉬(mesh)는 축대칭요소 (CAX 4R element type) 7200개로 구성하였다. 메쉬크기는대칭축에 가까워질수록 작아지며, 해석단계는 하중(loading)단계와 제하중(unloading)단계로 나누어 진다.
1은 용융도금강판의 개략도를 나타내고 있으며, 강판은 DDQ (Deep Draw Quality)급으로 내면과 외면의 도금량이 60g/m‘로 동일하다. 압입 시 편은 10X 10mm 의 크기로 제작하였다.
3차원 나노인덴테이션 해석에서는 모서리 부분의 곡률반경도 고려하여 팁 끝부분의 곡률반경을 lOOnm 로 가정하고 점차적으로 0까지 줄여서 모델링하였다. 팁은 600여개의 강체요소(R3D4 element type) 로 구성하였고 소재의 메쉬는 45000여개의 8노드 죽소 적분요소(C₃D8R element type)을 사용하였다. 소재의 바닥은 회전 및 이동의 6자유도를 완전히 고정하였고 팁은 Y 축 이동만 가능하도록 하였다.

이론/모형

2차원 압입 공정해석에서는 Fig. 10과 같은 자기 학습 능력을 가지고 있는 다층 퍼셉트론(Multi-layer perceptron) 인공신경망(ANN)과 유한요소법을 이용하였다. 먼저 항복강도와 탄성계수의 비가 하중- 변위 곡선에 미치는 영향을 파악하고 신경망의 함수근사 능력을 이용하여 언로딩 부분의 함수식을 결정함으로써 최적의 하중-변위 곡선을 결정하였다.
나노인덴테이션에서 압입 초기부터 최대 압입 깊이까지의 연속적인 물성을 얻기 위하여 연속강 성측정법 (CSM)을 사용하여 용융도금강판 코팅층 및 모재의 탄성계수와 경도를 측정하였다. Fig.
유한요소해석에서 나노인덴테이션 압입 공정 해석을 위한 모델을 결정하고 인덴테이션 실험의 하중-변위 곡선을 일치시켜 코팅층의 탄성계수와 항복강도를 결정하였다. 해석은 FEM 패키지인 AB AQUS 6.3을 사용하였으며, 2차원 나노인덴테이션 공정을 축대칭 모델로 해석을 수행하였다. 그리고 3차원 나노인덴테이션 공정해석으로 압흔의 형상과 파일업의 크기를 예측하였다.

성능/효과

(2) 항복강도의 변화에 따른 압입 하중의 크기를 비교해 본 결과, 항복강도가 클수록 압입하중 과 탄성변형량이 크게 나타났으며 신경망을 이용하여 용융도금강판의 코팅층에 대한 항복강도를1.32GPa 로 결정할 수 있었다.
(3) 나노인덴터의 베르코비치 다이아몬드 팁은 모두가 완전한 형태가 아니다. 그러나 베르코비치 팁에 곡률반경을 만들어 해석하게 되면 특정 곡률 반경에 대한 압흔의 형상 예측이 가능하다.
Table. 3은 최대 압입 깊이에 대한 탄성 회복량의 비로 나타내었으며, 탄성계수대 항복강도비가 작을수록 탄성 회복량이 많음을 알 수 있다.
따라서, 주사전자현미경(SEM) 촬영 결과와 압입 실험 결과로 보면 모재에 대한 영향을 배제할 수 있는 적정 압입 깊이를 800nm 로 판단할 수 있다.
3은 코팅층에 대한 압입 실험시 모재의 '영향을 받게 되는 압입 깊이를 결정하기 위하여 1200nm 로 압입 실험한 결과이다. 하중-변위 곡선에서 하중(loading)부분의 기울기가 800nm 근처에서 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

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Dejun Ma, Kewei Xu, Jiawen He, Jian Lu 'Evaluation of the mechanical properties of thin metal films', Surface and Coating Technology, 116 -119, pp. 128-132

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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