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문제 정의
- 냉간 단조성 향상을 위해서는 동적변형구간에서 최대응력에 도달하기까지의 변형량인 균일변형을 극대화하는 것이 바람직하다. 이런 관점에서, 정적인장과 동적비틀림 시험에서 결정립크기가 균일변형 변화거동에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.
- 그러나 동적 비틀림 시험에서는 불균일변형은 최대하중에서 단열성 전단밴드가 형성되기 이전까지의 stage 2 구간과, 단열성 전단밴드가 형성되고 파단에 이르는 stage 3 구간으로 나뉜다[14]. 이와 같이 동적하중에서 각 구간별로 결정립크기를 변화시킨 금속조직 인자의 변경이 동적변형거동에 미치는 영향을 살펴보았다.
제안 방법
- 본 연구에서는 열처리를 통해 페라이트 결정립 크기를 변화시킨 SCM415강을 torsional Kolsky bar[9]를 이용하여 1.6 × 103/s의 변형속도에서 동적비틀림 실험을 실시한 후, 동일하게 결정립 크기를 변화시킨 재료의 정적 인장시험 결과와 비교하여 단열성 전단밴드의 생성 및 동적 변형거동에 미치는 결정립 크기의 영향을 조사하였다.
- 1에 나타낸 열처리를 실시하였다. 열처리구간에서 유지온도를 변화시켜 결정립크기를 변화시켰다. 미세결정립 시편은(이하 fine grain)은 오스테나이트 변태점을 기준으로 급열급냉을 반복하여 결정립을 미세화하는 방안으로 800℃, 50 min 유지 후 수냉(W.
- 열처리구간에서 유지온도를 변화시켜 결정립크기를 변화시켰다. 미세결정립 시편은(이하 fine grain)은 오스테나이트 변태점을 기준으로 급열급냉을 반복하여 결정립을 미세화하는 방안으로 800℃, 50 min 유지 후 수냉(W.Q.)을 2회 반복한 후 800℃에서 50 min 유지하여 결정립을 미세화 시켰다. 중간 결정립(이하 intermediate grain)은 920℃에서 50 min 유지, 조대결정립(이하 coarse grain)은 1000℃에서 50 min 유지하여 결정립크기를 각각 변화시켰다.
- 열처리된 시편은 인발방향의 수직으로 시편을 채취하여 조연마, 폴리싱 및 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경을 사용하여 탄화물의 구상화율을 관찰하였다. 펄라이트 부피분율, 구상화율 측정은 Image-Pro Plus 4.
- 각각의 열처리 조건에 따라 얻은 시편을 인장 방향이 봉재의 인발방향과 평행하도록 인장시험시편을 만들었다. 인장시험편은 ASTM 표준규격에 속한 봉상의 subsize 규격으로 게이지길이 30.
- 각각의 열처리 조건에 따라 얻은 시편을 인장 방향이 봉재의 인발방향과 평행하도록 인장시험시편을 만들었다. 인장시험편은 ASTM 표준규격에 속한 봉상의 subsize 규격으로 게이지길이 30.0 ± 0.1 mm, 게이지부 지름 6.0 ± 1 mm로 가공하였다. 인장시험은 만능재료시험기(Zwick-149471)를 이용하여 변형 속도 10−4sec−1에서 시험하였으며, 시험후 파괴된 시편의 파면은 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 0 ± 1 mm로 가공하였다. 인장시험은 만능재료시험기(Zwick-149471)를 이용하여 변형 속도 10−4sec−1에서 시험하였으며, 시험후 파괴된 시편의 파면은 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 본 실험과정의 전단 변형속도는 1600 sec−1이었으며, 상온에서 시험을 실시하였다. 시험 후 파괴된 시편의 파면과 게이지부의 변형된 영역은 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 동적비틀림시편에서 단열성 전단밴드의 생성여부를 확인하기 위해 광학현미경, 주사전자현미경, 투과전자현미경 관찰 및 미소경도측정을 하였다.
- 시편의 게이지부를 정밀저속절단기로 외부 응력 및 변형이 가해지지 않도록 조심스럽게 채취하여 냉간 마운팅한 후, 폴리싱 및 에칭(3% 나이탈)하여 광학 현미경 및 주사전자현미경으로 관찰하였다. 또한 미소 비커스 경도기를 사용하여 전단밴드 영역에서 미소성부 영역으로 20 µm 간격, 하중 25 g, 하중시간 15초의 조건으로 측정하여 단열성 전단밴드의 존재를 확인하였다.
- 시편의 게이지부를 정밀저속절단기로 외부 응력 및 변형이 가해지지 않도록 조심스럽게 채취하여 냉간 마운팅한 후, 폴리싱 및 에칭(3% 나이탈)하여 광학 현미경 및 주사전자현미경으로 관찰하였다. 또한 미소 비커스 경도기를 사용하여 전단밴드 영역에서 미소성부 영역으로 20 µm 간격, 하중 25 g, 하중시간 15초의 조건으로 측정하여 단열성 전단밴드의 존재를 확인하였다.
- 이때 전단밴드의 중심부에 정확하게 구멍이 형성되도록 세심한 주의를 하였다. 이렇게 준비된 박막시편을 투과전자현미경 (Philips CM200)으로 관찰하였다.
- 3은 본 실험에 사용된 재료로, 실시하여 결정 립크기를 변화시킨 재료의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 것이다. Fine grain은 변태점을 기준으로 급열급냉을 실시하여 결정립크기를 미세화하는 방안즉, 800 ℃에서 50 min 유지 후, 수냉을 2회 실시 하여 결정립크기를 4.6 µm까지 줄였으며, intermediate grain은 11 µm, coarse grain은 35.5 µm 의 결정립크기를 갖는 시료를 제작하였다.
- 정적인장 시험에서는 시험편에 넥킹이 형성되어 응력집중이 유발되는 구간이나, 본 실험의 동적비틀림 시험에서는 최대 응력점을 통과한 후 열적 연화된 재료의 일부분에서 소성변형이 집중되고 이로 인해 단열성 전단밴드가 형성된 것으로 사료된다[3]. 최대 응력점을 경과하면서 단열성밴드를 형성하기까지 소요되는 불균일 변형량에 대하여 고찰하였다. 결정립크기 변화에 따른 재료의 열적연화에 이은 단열성 전단밴드 형성 경향은 최대 응력점을 경과 이후 곡선의 기울기값 비교를 통해 추정할 수 있다.
- 열처리를 통해 페라이트 결정립크기를 4.6 µm, 11 µm, 35.5 µm로 각각 변화시킨 SCM415강에 대해 정적인장실험 및 동적비틀림 실험을 실시하고, 정적 및 동적변형거동에 미치는 금속조직 인자의 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 재료는 인발가공에 의해 생산된 SCM415강으로서 직경 18 mm의 봉재이며, 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
- 동적 비틀림시험에 사용된 시편은 Fig. 2와 같이 표점거리 2.5 mm, 두께 165 µm의 thin-walled tube 형태의 게이지부를 가지고 있으며, 봉재의 인발 방향과 평행되게 가공하였다.
데이터처리
- 열처리된 시편은 인발방향의 수직으로 시편을 채취하여 조연마, 폴리싱 및 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경을 사용하여 탄화물의 구상화율을 관찰하였다. 펄라이트 부피분율, 구상화율 측정은 Image-Pro Plus 4.1 프로그램을 이용한 영상분석기를 사용하였다. 판상 형태에서 구형 형태로 변하는 시멘타이트에 대한 구상화 분율을 측정하기 위해서는 구형 판단은 Chojnwski와 Tegart[10]의 기준인 5 : 1 이하인 입자를 구상화된 것으로 간주하였으며, 구상화 분율은 다음과 같은 식을 적용하여 산출하였다.
이론/모형
- 1 프로그램을 이용한 영상분석기를 사용하였다. 판상 형태에서 구형 형태로 변하는 시멘타이트에 대한 구상화 분율을 측정하기 위해서는 구형 판단은 Chojnwski와 Tegart[10]의 기준인 5 : 1 이하인 입자를 구상화된 것으로 간주하였으며, 구상화 분율은 다음과 같은 식을 적용하여 산출하였다.
- 본 실험에 사용한 동적비틀림 시험 장치는 torsional Kolsky bar형 시험기로 실험적 절차는 논문에 자주 인용되고 있다[9, 11]. 본 실험과정의 전단 변형속도는 1600 sec−1이었으며, 상온에서 시험을 실시하였다.
성능/효과
- 4 및 Table 2에 나타내었다. 정적인장 시험에서는 결정립이 미세화될수록 강도와 파단 연신율이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 5는 인장시험 후 파괴된 시편의 파면을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다. 파단면 관찰결과, 모든 시편에서 파면형태가 딤플로 이루어져 있어 파괴 형태가 동공의 생성 및 성장, 그리고 합체 과정을 거치는 연성파괴 과정임을 알 수 있었다.
- 6 및 Table 3에 나타내었다. 본 연구에서 실험한 결정립크기 범위내에서 동적비틀림 시험에서 결정립크기 변화에 대한 강도값과 파단변형율의 뚜렷한 변화경향은 나타나지 않았으나, 최대응력점에서 변형율은 증가하는 경향을 나타내었다.
- 7에 나타내었다. 모든 시편에서 파면이 전단방향으로 연신된 딤플로 이루어진 연성 파단면을 나타내었으며, 결정립의크기가 미세할수록 연신딤플의 크기도 작아지는 경향을 나타내었다.
- [13]의 torsion시험에서 변형속도 500/sec와 1000/sec 조건에서 변형밴드(deformed bands)가 각각 형성된 것으로 보고되었다. 본 실험의 전체 시험조건에서도 열적연화에 의한 국부적인 변형 집중영역 즉, 단열성 전단밴드가 형성된 것을 확인하였다. 결정립의 크기가 미세할수록 국부적인 변형집중 영역층이 넓어지면서 변형집중 정도가 낮아진 것으로 관측되었다.
- 본 실험의 전체 시험조건에서도 열적연화에 의한 국부적인 변형 집중영역 즉, 단열성 전단밴드가 형성된 것을 확인하였다. 결정립의 크기가 미세할수록 국부적인 변형집중 영역층이 넓어지면서 변형집중 정도가 낮아진 것으로 관측되었다.
- 10은 stage 1 구간의 항복점 이후 소성영역에서 결정립 크기에 따른 균일변형 변화거동을 나타낸 것이다. 정적인장과 동적비틀림 시험 모두에서 결정이 미세할수록 균일변형율은 증가되었다. 최대응력점 이전 구간의 소성변형은 균일연신에 해당하며, 이 소성변형은 전위의 움직임과 연관시켜 해석 할 수 있다[15].
- 결정입계 부근의 낮은 응력집중은 국부적인 변형집중을 완화하는 작용을 하므로, 단열성 전단밴드를 형성하기 이전까지의 소성변형에 해당하는 균일연신은 증가하는 것으로 사료된다. Stage 1 구간에 해당하는 응력･변형곡선에서 정리한 가공경화속도도 Fig. 11과 같이 동적비틀림 및 정적인장 시험결과에서 결정립이 미세할수록 가공경화속도를 낮추어 균일 변형을 증가시키는 역할을 한 것으로 나타났다.
- 본 실험의 동적비틀림 전체 시험조건에서의 파단은 단열성 전단밴드와 기지 금속의 경계부에서 발생, 전파되는 것으로 추정된다. 파단면은 전단방향으로 연신된 딤플로 이루어진 연성파단면을 나타내었으며, 전체 시험조건에 걸쳐 단열성 전단밴드가 형성된 것을 확인하였다. Fig.
- 결정립미세화는 균일신율을 증대시키는 효과를 나타내었다. 결정립이 조대할수록 불균일 변형량이 증가하는 경향을 나타내었으나, 그 비율은 균일 변형량에 비해 적은 량이다.
- 1. 변형속도 103/s의 torsional Kolsky bar 실험 결과, 페라이트 결정립 크기 4.6 µm, 11 µm, 35.5 µm인 SCM415강 소성변형이 국부적으로 집중된 단열성 전단밴드가 전체시료에서 생성되면서 전단방향으로 연신된 딤플형상의 연성파괴에 의해 최종적으로 파괴가 일어났다.
- 2. 변형속도 10−4sec−1 인장시험에서 페라이트 결정 립이 4.6 µm~35.5 µm 범위일 때, 결정립이 미세할수록 인장강도는 423 MPa에서 480 MPa로 증가하였다. 결정이 미세할수록 균일변형률은 0.
- 5 µm 범위일 때, 결정립이 미세할수록 인장강도는 423 MPa에서 480 MPa로 증가하였다. 결정이 미세할수록 균일변형률은 0.152에서 0.164로, 불균일 변형율은 0.136에서 0.145로 커지는 경향을 나타내었다.
- 3. 변형속도 103/s의 torsional Kolsky bar 실험에서 페라이트 결정립이 4.6 µm~35.5 µm 범위에서 전단강도에 대한 결정립 크기의 영향은 일정한 경향을 나타내지 않았다. 결정이 미세할수록 균일 변형율이 0.
- 4. 페라이트 결정립 4.6 µm~35.5 µm 범위의 SCM415강에서 결정이 미세할수록 극심한 동적하중에서도 균일변형량이 커져 고속 냉간가공성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 국부영역에서 집중적 소성변형으로 유발된 열은 주변의 재료로 확산되는 열량에 의해 크게 좌우되나, 발생되는 열이 많을수록 재료의 유동 응력 감소로 최대 응력점을 경과 이후 곡선의 기울기 절대값은 크게 나타난다. 실험결과 분석에 의하면, 결정립이 조대할수록 기울기 값은 적어지고 변형량이 많아져 이 구간의 불균일 변형이 커짐을 알 수 있다. 이같은 현상은 온도가 높아지면서 결정입계 미끄럼(grain boundary sliding)과 같은 열적연화(∂τ/∂Θ )가 결정입계가 결정내부보다 큰 영역이기 때문이다.
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