[논문]나노구조재료의 소성변형 성질의 변형률속도 의존성

윤승채; 김형섭

doi:10.5228/kspp.2005.14.1.065

나노구조재료의 소성변형 성질의 변형률속도 의존성
Strain Rate Dependence of Plastic Deformation Properties of Nanostructured Materials 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.14 no.1 = no.73, 2005년, pp.65 - 70

윤승채 (충남대학교 대학원 금속공학과) , 김형섭 (충남대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A phase mixture model was employed to simulate the deformation behaviour of metallic materials covering a wide grain size range from micrometer to nanometer scale. In this model a polycrystalline material is treated as a mixture of two phases: grain interior phase whose plastic deformation is governed by dislocation and diffusion mechanisms and grain boundary 'phase' whose plastic flow is controlled by a boundary diffusion mechanism. The main target of this study was the effect of grain size on stress and its strain rate sensitivity as well as on the strain hardening. Conventional Hall-Petch behaviour in coarse grained materials at high strain rates governed by the dislocation glide mechanism was shown to be replaced with inverse Hall-Petch behaviour in ultrafine grained materials at low strain rates, when both phases deform predominantly by diffusion controlled mechanisms. The model predictions are illustrated by examples from literature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 나노재료의 기계적 물성에 있어서의 변형률속도 효과와 이에 따른 변형 기구를 고찰하기 위하여, 나노재료의 거동에 대해 상혼합 모델을 적용하고자 한다.

가설 설정

결정립계와 결정립내의 두 상에서는 변형률이 같다고 가정하였고, 이러한 등변형률의 가정은 기존에 많이 사용되었다[14, 17].

제안 방법

나노결정재료의 변형률속도 의존성을 상혼합 모델을 이용하여 해석하였다. 변형 률속도민감도의 변형률속도와 결정립도 효과를 고찰하였다. 일반적인 Hall-Petch 거동으로부터 역 Hall-Petch거동에 이르는 소성 유동 응력의 결정립도 효과를 수치해 석적 계산을 통해 얻었다.
본 논문에서는, 나노재료의 기계적 거동을 해석하기 위해 상혼합모델(phase mixture model)을 이용하여 소성변형을 지배 하는 필수적인 요소인 전위미끄럼과 확산을 결합하는 방법을 시도하였다. 상혼합모델은[5, 8, 12〜15] 다양한 변형률속도와 결정립도(조대한 결정에서 나노결정립 크기까지)를 포함하여 재료의 가공경화를 기술할 수 있는 유용한 계산 방법이다.
앞에서 기술한 상혼합모델을 기초로 Cu의 인장 거동에 대한 계산을 수행하였다. Fig.
변형 률속도민감도의 변형률속도와 결정립도 효과를 고찰하였다. 일반적인 Hall-Petch 거동으로부터 역 Hall-Petch거동에 이르는 소성 유동 응력의 결정립도 효과를 수치해 석적 계산을 통해 얻었다. 전체 변형에 영향을 미치는 확산 기구의 기여도는 결정립 미세화와 변형률속도의 감소에 따라 증가하는 경향을 정량적으로 평가하였다.
일반적인 Hall-Petch 거동으로부터 역 Hall-Petch거동에 이르는 소성 유동 응력의 결정립도 효과를 수치해 석적 계산을 통해 얻었다. 전체 변형에 영향을 미치는 확산 기구의 기여도는 결정립 미세화와 변형률속도의 감소에 따라 증가하는 경향을 정량적으로 평가하였다. 결정립 미세화에 따라 결정립계상의 부피비가 증가하고 확산이 지배 하는 기구의 역할이 증가하여 변형률속도 민감도는 증가한다.
비선형연립 구성방정식은 Newton-Raphson 방법을 사용하여 푼다. 참고문헌[14]들로부터 얻은 Cu에 대한 매개변 수값들을 이용하여 초기의 10^-5, 10^-3, 10^-1, 10⁰, 10¹s^-1 의 변형률속도로부터 변형률속도 변화 시험(Strain Rate Jump Test)를 계산하였다. 평균 결정립도는 10nm 에서부터 20㎛까지의 다양한 값을 적용하였다.

이론/모형

나노결정재료의 변형률속도 의존성을 상혼합 모델을 이용하여 해석하였다. 변형 률속도민감도의 변형률속도와 결정립도 효과를 고찰하였다.
식 (1)-(3) 및 변형에 따른 전위밀도의 진화, 결정립내 상에서의 응력과 전위밀도에 의한 변형률 속도식을 연립하여 임의의 결정립도 d 값에서 재료의 구성방정식을 기술할 수 있다. 비선형연립 구성방정식은 Newton-Raphson 방법을 사용하여 푼다. 참고문헌[14]들로부터 얻은 Cu에 대한 매개변 수값들을 이용하여 초기의 10^-5, 10^-3, 10^-1, 10⁰, 10¹s^-1 의 변형률속도로부터 변형률속도 변화 시험(Strain Rate Jump Test)를 계산하였다.

성능/효과

3에서 관찰할 수 있다. 유동 응력곡선에서 5%가 아닌 다른 변형량에서도 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 조대한 결정립도를 갖는 재료에서 관찰할 수 있는 Hall-Petch 거동은 결정립도가 초미세한 경우에는 이 거동과 반대 되는 경향이 일어나는 것을 볼 수 있으며, 변형률속도가 작은 값에서도 이러한 역 Hall-Petch 거동은 나타난다.

후속연구

결정립도에 따른 변형률속도민감도와 가공경화 지수의 정량적인 값은 인장 시 네킹이 시작되는 불안정조건[5]을 예측할 수 있도록 해준다. 상혼합 모델과 유한요소법을 결합시켜 네킹이 일어날 조건과 네킹 이후의 거동은 추후의 논문에서 분석을 할 것이다.

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