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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 자동차 충돌 변형에서의 변형률속도 범위인 200/sec 이하의 중 변형률속도 범위에서 차체용 강판에 사용되는 SPRC35R, SPRC45E 에 대하여 동적 물성시험을 수행하였다. 온도 범위는 자동차의 작동온도 범위를 고려하여 -40℃-200℃의 범위로 결정하였으며, 이러한 온도영역에 대하여 변형률속도에 따른 차체용 강판의 유동응력 및 파단연신율의 변화를 고찰하고 변형률속도 민감도와 온도민감도를 조사하였다.
- 본 논문에서는 차체용 강판에 대하여 온도 및 변형률속도에 따른 유동응력 및 파단연신율의 변화를 조사하기 위하여 고속 인장시험을 수행하였다. 대표적인 자동차 구조용 강판인 SPRC35R, SPRC45E 에 대하여 -40℃〜200℃의 온도 범위에서 0.
제안 방법
- (1) 각각의 온도, 변형률속도에서 응력-변형률선도, 변형률속도 민감도 등의 데이터베이스를 구축하였다.
- 200/sec 이하의 중변형률속도 범위에서 박판의 동적 물성시험을 수행하기 위하여 본 논문에서는 유압식 고속 인장 재료 시험기(high speed material testing machine)를 사용하였다[5~6]. 유압식 시험장치는 공압과 기계식 방법에 비하여 큰 힘을 얻을 수 있고 속도 조절이 용이한 장점이 있는 반면에 고압, 고유량의 유체를 짧은 시간 동안에 제어해야 하는 기술적인 어려움과 비싼 제작 단가 때문에 최근 십여 전부터 활발하게 연구되고 있다[7].
- 유압식 시험장치는 공압과 기계식 방법에 비하여 큰 힘을 얻을 수 있고 속도 조절이 용이한 장점이 있는 반면에 고압, 고유량의 유체를 짧은 시간 동안에 제어해야 하는 기술적인 어려움과 비싼 제작 단가 때문에 최근 십여 전부터 활발하게 연구되고 있다[7]. 고속 인장 재료시험기를 사용하여 온도에 따른 동적 인장시험을 수행하기 위하여 챔버를 제작하여 장착하였다. 챔버의 온도 제어범위는 -50℃- 350℃이며, 정확성은 ±1℃ 이다.
- 이는 단순 인장 시 재료의 균일한 변형이 발생하다가 불안전성(instability)에 의해 네킹(necking)이 발생하여 네킹부에서 변형이 집중되는데, 고속 인장시험 시에는 네킹이 발생하는 부분에서의 국부적인 높은 변형률속도 경화가 네킹의 진행을 억제하여 주위로 전파시키기 때문에 오히려 파단연신율이 증가하는 것으로 판단된다[9]. 그리고 특정 변형률속도에서 온도에 따른 파단연신율의 경향성을 검토하기 위하여 파단연신율의 실험값을 실선으로 근사하여 비교하였다. 준정적 변형률속도에서는 온도가 증가할수록 연신율이 감소하는 경향이 나타나며 0.
- 대표적인 자동차 구조용 강판인 SPRC35R, SPRC45E 에 대하여 -40℃〜200℃의 온도 범위에서 0.001/sec~200/sec 의 변형률속도로 동적 물성시험을 수행하여 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 1 의 (a)는 챔버 장착전 고속 인장 재료시험기의 모습이며 (b)는 챔버 장착후 시험기의 모습이다. 또한 중변 형률속도범위의 인장시험에서표점부의 균일한 변형을 유도하기 위하여 이동 부의 지그가 일정한 속도에 이른 후에 시편에 인장력을 부가하도록 하였다. Fig.
- 변형률속도와 온도가 재료의 유동응력에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 공칭응력-공칭변형률 선도를 진응력-진변형률 선도로 변환한 후 특정변형률에서 온도에 따른 유동응력의 변화를 조사하였다. Fig.
- 챔버의 온도 제어범위는 -50℃- 350℃이며, 정확성은 ±1℃ 이다. 시편이 부착되는 주위에 열전대를 장착하였으며 전기, 액체 질소를 이용하여 온도를 제어 할 수 있도록 설계하였다. Fig.
- 시험 온도 범위는 자동차의 작동 온도 범위와 챔버의 온도 제어 범위 그리고 로드셀의 가용 범위를 고려해 -40℃~200 ℃ 로 설정하였다. 시험 조건에 따라서 2~3 회 이상 반복하여 시험하였으며, 각각의 온도에서 시편의 온도 분포를 일정하게 하고 시편과 립사이에 열전달이 발생하지 않도록 하기 위하여 원하는 온도에 도달 한 후 20~25 분 동안 유지한 후 시험을 수행하였다.
- 온도 및 변형률속도에 따른 유동응력 및 파단연신율의 변화를 조사하기 위하여 고속 인장시험을 수행하였다. 각 주변온도에서 변형률속도 변화에 따른 공칭응력-공칭변형률 선도를 Fig.
- 따라서 본 논문에서는 자동차 충돌 변형에서의 변형률속도 범위인 200/sec 이하의 중 변형률속도 범위에서 차체용 강판에 사용되는 SPRC35R, SPRC45E 에 대하여 동적 물성시험을 수행하였다. 온도 범위는 자동차의 작동온도 범위를 고려하여 -40℃-200℃의 범위로 결정하였으며, 이러한 온도영역에 대하여 변형률속도에 따른 차체용 강판의 유동응력 및 파단연신율의 변화를 고찰하고 변형률속도 민감도와 온도민감도를 조사하였다.
- 재료의 온도에 따른 동적 물성치를 얻기 위하여 일정 온도에서 변형률속도에 따라서 준정적시험, 중변형률속도 시험으로 인장시험을 수행하였다. 준정적 시험은 0.
대상 데이터
- 200/sec 의 변형률속도에서 고속 인장 재료시험기를 사용하였다. 시험 온도 범위는 자동차의 작동 온도 범위와 챔버의 온도 제어 범위 그리고 로드셀의 가용 범위를 고려해 -40℃~200 ℃ 로 설정하였다. 시험 조건에 따라서 2~3 회 이상 반복하여 시험하였으며, 각각의 온도에서 시편의 온도 분포를 일정하게 하고 시편과 립사이에 열전달이 발생하지 않도록 하기 위하여 원하는 온도에 도달 한 후 20~25 분 동안 유지한 후 시험을 수행하였다.
성능/효과
- (2) 각 강판에 대하여 온도가 증가할수록 변형률속도 민감도가 감소하고 변형률속도가 증가할수록 온도 민감도가 증가한다.
- (3) 강도가 낮은 SPRC35 이 SPRC45E 보다 변형률속도 증가에 따른 응력의 증가량이 클 뿐만 아니라 온도 증가에 따른 응력 감소량이 크다.
- (4) 변형률속도가 증가할수록 국부적인 높은 변형률속도 경화에 의한 네킹의 전파때문에 파단연신율이 증가하는 경향을 나타낸다.
- (5) 온도가 증가할수록 청열취성 특성에 의해 연신율이 감소하는 경향이 나타난다. 하지만 변형률속도가 증가하면 저온에서 재료 강성의 증가에 의한 취성화 영향으로 상온의 파단연신율이 가장 크고, 저온, 고온이 될수록 파단연신율이 감소하는 경향을 나타낸다.
- 온도 민감도 계수가 음의 값을 가지는 것은 온도가 증가할수록 유동응력이 감소하는 것을 의미하며 변형률속도가 증가할수록 온도 민감도 계수의 절대값이 커지는 것으로 인하여 변형률속도가 증가할수록 온도 민감도가 증가하는 사실을 정량적으로 확인할 수 있다. 그리고 SPRC35R 과 SPRC45E 의 온도에 대한 영향을 비교하면 상대적으로 강도가 약한 SPRC35R 이 변형률속도와 온도의 변화에 더 민감한 것을 확인할 수 있다.
- 먼저 각 온도에서 변형률속도가 유동응력에 미치는 영향을 살펴보면 저온에서는 변형률속도가 증가할수록 유동응력이 증가하는 양이 큰 반면 고온에서는 증가량이 감소하는 것을 통하여 온도가 증가할수록 변형률속도 민감도가 감소한다는 사실을 정성적으로 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 Fig.
- 7 에 도시하였다. 먼저 상온에서 변형률속도에 따른 파단연신율의 변화를 살펴보면 변형률속도 0.1/sec 까지는 파단연신율이 감소하다가 변형률속도가 증가할수록 오히려 파단연신율이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 단순 인장 시 재료의 균일한 변형이 발생하다가 불안전성(instability)에 의해 네킹(necking)이 발생하여 네킹부에서 변형이 집중되는데, 고속 인장시험 시에는 네킹이 발생하는 부분에서의 국부적인 높은 변형률속도 경화가 네킹의 진행을 억제하여 주위로 전파시키기 때문에 오히려 파단연신율이 증가하는 것으로 판단된다[9].
- 001/sec 에서 200/sec 으로 증가할 경우 각 시험 온도에서 유동응력 변화량(Δσ)과 변형률속도 민감도(m)을 정리하였다. 변형률속도 민감도 계수를 비교함으로써 온도가 증가할수록 변형률속도 민감도가 감소하는 것을 정량적으로 확인할 수 있으며, 상대적으로 강도가 약한 SPRC35R 이 SPRC45E 보다 온도 변화에 따라 민감도계수가 감소하는 경향이 크게 나타난다. 또한 Table 2 에 소성변형률이 0 인 항복지점에서 온도가 -40℃ 에서 200℃로 증가할 경우 각 시험 변형률속도에서 유동응력 변화량(Δσ)과 온도 민감도 계수(s)를 정리하였다.
- 3에 도시하였다. 온도가 증가할수록 항복응력과 최대인장응력이 감소하는 현상을 확인할 수 있으며 항복응력 변화량 보다 최대인장응력 변화량이 더 큰 것을 알 수 있다. 한편 온도가 증가할수록 연신율은 감소하는 경향을 보이는데 이러한 현상은 철강재의 고유한 특성인 동적변형률시효 (dynamic strain aging) 현상과 관련되어 나타난다고 보고되어 있다[8].
- 변형률속도가 증가할수록 이러한 경향이 크게 나타나는 것을 통해 변형률속도가 증가할수록 연신율에 미치는 온도의 영향이 증가한다고 판단할 수 있다. 이상의 결과는 자동차의 다양한 작동온도에서 차량 충돌시 차체부재의 파단예측이나 고속 성형에서 부재의 온도 상승에 의한 성형성 같은 문제에서 큰 의미가 있다. 부재가 빠르게 변형할 때 일정 변형률속도 구간에서는 변형률속도 경화에 의하여 파단연신율이 증가하므로 적절한 온도, 변형속도를 유지시킨다면 충돌안전성이나 성형성을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 5에 도시하였다. 전체 온도 범위에서 변형률속도가 증가할수록 응력이 증가하는 변형률속도 경화(strain rate hardening)현상을 확인할 수 있다. 또한 동적 인장실험의 특성상 100/sec 이상의 변형률속도에서 하중떨림 (load ringing)현상이 관찰되었다[9].
- 그리고 특정 변형률속도에서 온도에 따른 파단연신율의 경향성을 검토하기 위하여 파단연신율의 실험값을 실선으로 근사하여 비교하였다. 준정적 변형률속도에서는 온도가 증가할수록 연신율이 감소하는 경향이 나타나며 0.1/sec 이상의 변형률속도에서는 상온의 파단연신율이 가장 크고 온도가 증가, 감소할수록 파단 연신율이 감소하는 경향이 나타난다. 온도가 증가함에 따라 전반적으로 연신율이 감소하는 경향은 탄소강의 동적변형시효에 의 한 청 열취성(blue brittleness) 현상과 관계가 있다 [10].
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