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문제 정의
- 본 연구에서는 한국재료연구소(KIMS)에서 AZ31 마그네슘합금 판재에 대해 수행한 변형속도 변화 시험 및 인장 시험을 이용하여 고온 변형 특성을 조사하였다. 시험은 2.
- 본 연구에서는 AZ31 합금에 대해 선정된 결정립 성장을 고려한 구성 모델의 재료상수를 결정하여 ABAQUS가 제공하는 User subroutine에 적용시키고, 단축 인장 시뮬레이션, 초소성 블로우 성형해석을 수행함으로써 모델의 적용가능성을 확인하고 결정립 성장이 초소성 성형공정에 미치는 영향을 알아보았다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 AZ31 합금에 대해 수행된 고온 인장 시험 데이터를 기반으로 초소성 거동을 조사하고 결정립 크기의 변화를 고려할 수 있는 구성 모델의 재료상수를 계산하여 유한요소해석에 적용하였으며 이를 바탕으로 기존 구성 모델과 결정립 성장을 고려한 구성 모델의 초소성 거동 예측의 차이점을 비교하였다. 또한 AZ31 합금 판재에 대한 초소성 성형공정 해석을 통해 변형 특성 및 공정 변수의 영향을 검토하였다.
- 본 연구에서는 AZ31 합금에 대해 수행된 고온 인장 시험 데이터를 기반으로 초소성 거동을 조사하고 결정립 크기의 변화를 고려할 수 있는 구성 모델의 재료상수를 계산하여 유한요소해석에 적용하였으며 이를 바탕으로 기존 구성 모델과 결정립 성장을 고려한 구성 모델의 초소성 거동 예측의 차이점을 비교하였다. 또한 AZ31 합금 판재에 대한 초소성 성형공정 해석을 통해 변형 특성 및 공정 변수의 영향을 검토하였다.
- 002~2mm/s 의 일정 크로스 헤드속도(cross-head speed, CHS) 영역에서 실시되었다. 고온 인장시험을 실시한 후에는 광학 현미경을 이용하여 평균 결정립 크기가 측정되었다.
- 모든 온도에서 얻어진 결과를 조합하여 변형률 속도의 효과를 정량적으로 평가하였다. 변형률이 0.
- 한편 AZ31 합금의 인장시험 후 열간 노출과 변형에 의해 유발된 결정립 성장을 확인하기 위해 Fig. 4 에 나타낸 결정립 크기의 측정결과를 검토하였다. 초기 시편의 결정립 크기는 15.
- 따라서 AZ31 합금에 대한 결정립 성장을 조사하기 위해서는 정적과 동적 결정립 성장이 모두 분석되어야만 한다. 하지만, 본 연구에서 수행된 미세구조 분석은 정적과 동적 결정립 성장을 나누기보다는 전체적인 결정립 성장에 초점을 두고 있으며, 동적 결정립 성장은 시편의 A 지점과 B 지점으로 나누어 결정립 크기를 측정함으로써 간접적으로 확인하였다.
- 먼저 변형률 속도 민감 지수를 구하기 위하여, 변형률이 0.2일 때의 응력과 변형률 속도 관계를 그린 후, 변형률 속도 0.001/s 이하에서 선형 최소자승법으로 피팅하였다( Fig. 6).
- 본 절에서는 2.2 절에서 결정된 결정립 성장을 고려한 모델의 유효성을 확인하기 위하여 단축 인장 시뮬레이션이 수행되었으며 결정립 성장을 고려하지 않을 때의 경우도 함께 비교하기 위하여 다음과 같이 3가지 모델을 이용하여 AZ31 합금의 초소성 거동을 평가하였다.
- 해석 모델은 3차원 1/4 모델이며, 판재는 3차원 연속체 요소인 C3D8로, 금형은 강체로 가정하여 R3D4로 유한요소 모델링하였다. 판재 요소의 노드점이 접촉면을 찾을 때 발생하는 탈락(falling-off) 현상을 막기 위해 금형은 대칭면을 기준으로 5mm 크게 모델링하였으며 금형의 플랜지(flange) 부분도 40 mm 크게 하였다. 압력제어는 ABAQUS에 내재된 알고리즘을 사용하였고, 판재와 금형 사이의 마찰계수는 0.
- 초소성 성형해석은 4.1 절과 마찬가지로 결정립 성장을 고려한 모델(Case I)과 고려하지 않은 두 모델(Case II, III)에 대하여 수행되었다. Case I과 Case II의 시간에 따른 변형형상을 나타낸 Fig.
- (1) 고온 인장 시험 결과로부터 AZ31 합금의 초소성을 특성을 나타내는 온도와 변형률 속도의 의존성을 확인하였으며, 도입된 모델들의 재료상수를 구하는 일련의 과정을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 한국재료연구소(KIMS)에서 AZ31 마그네슘합금 판재에 대해 수행한 변형속도 변화 시험 및 인장 시험을 이용하여 고온 변형 특성을 조사하였다. 시험은 2.5mm 두께의 AZ31 판재에서 압연방향으로 추출한 시편이 사용되었으며, 375~450℃의 온도 영역과 0.002~2mm/s 의 일정 크로스 헤드속도(cross-head speed, CHS) 영역에서 실시되었다. 고온 인장시험을 실시한 후에는 광학 현미경을 이용하여 평균 결정립 크기가 측정되었다.
- 초소성 블로우 성형 해석에 사용된 해석모델은 Fig. 12와 같으며, AZ31 판재의 두께는 2.5mm이고 지름이 120mm인 원판을 해석에 사용하였다. 해석 모델은 3차원 1/4 모델이며, 판재는 3차원 연속체 요소인 C3D8로, 금형은 강체로 가정하여 R3D4로 유한요소 모델링하였다.
- 5mm이고 지름이 120mm인 원판을 해석에 사용하였다. 해석 모델은 3차원 1/4 모델이며, 판재는 3차원 연속체 요소인 C3D8로, 금형은 강체로 가정하여 R3D4로 유한요소 모델링하였다. 판재 요소의 노드점이 접촉면을 찾을 때 발생하는 탈락(falling-off) 현상을 막기 위해 금형은 대칭면을 기준으로 5mm 크게 모델링하였으며 금형의 플랜지(flange) 부분도 40 mm 크게 하였다.
- 해석 온도는 425℃이고 일정 CHS 0.006과 0.02mm/s에 대해 수행되었으며, 초기 결정립 크기 15.66μm이다.
- 해석 모델은 균일 신장이 이루어지는 시편의 중앙 부분만을 고려하였으며(Fig. 9), 3차원 1/8 모델로 구성하였고 요소는 32500개의 8절점 연속체 요소인 C3D8이 사용되었다. 해석 온도는 425℃이고 일정 CHS 0.
이론/모형
- 본 연구에 사용된 구성방정식은 Caceres와 Wilkinson[15]에 의해 사용된 것으로 결정립 크기를 고려한 가장 단순한 식이며, 다음과 같이 표현된다.
- 5에 나타내었다. 그다음 선형 최소자승법(linear least-square method)을 이용하여 피팅하였다. 여기서 초기 결정립 크기( d0 )는 15.
- 판재 요소의 노드점이 접촉면을 찾을 때 발생하는 탈락(falling-off) 현상을 막기 위해 금형은 대칭면을 기준으로 5mm 크게 모델링하였으며 금형의 플랜지(flange) 부분도 40 mm 크게 하였다. 압력제어는 ABAQUS에 내재된 알고리즘을 사용하였고, 판재와 금형 사이의 마찰계수는 0.4[16]로 하였다. 성형온도는 425℃이며, 최적 변형률 속도는 3x10-4/s, 그리고 초기 결정 크기는 15.
성능/효과
- 위의 결과들로부터 AZ31 합금에는 초소성 거동이 보이는 것으로 판단할 수 있으며, 초소성 특성이 보이는 영역으로는 0.001/s 이하의 낮은 변형률 속도영역과 400℃이상의 높은 온도인 것으로 확인되었으며, 이상적인 초소성 거동을 보이는 온도는 425℃로 선택할 수 있다.
- 66 μm 이고, 인장시험 후 예상대로 결정립 성장이 발생하였다. 변형에 의한 결정립 성장의 영향은 변형양이 가장 많은 A 지점과 상대적으로 변형양이 덜한 B 지점의 결정립 크기를 통해 확인 할 수 있으며, 변형속도가 작아질수록 A 지점의 결정립 성장이 B 지점의 결정립 성장보다 큰 것으로 나타났다. 이로써 본 연구에 사용된 AZ31 합금의 초소성에서 결정립 성장이 동반함을 알 수 있고, 특히 변형에 의한 동적 결정립 성장의 영향도 있을 것으로 판단할 수 있다.
- 변형에 의한 결정립 성장의 영향은 변형양이 가장 많은 A 지점과 상대적으로 변형양이 덜한 B 지점의 결정립 크기를 통해 확인 할 수 있으며, 변형속도가 작아질수록 A 지점의 결정립 성장이 B 지점의 결정립 성장보다 큰 것으로 나타났다. 이로써 본 연구에 사용된 AZ31 합금의 초소성에서 결정립 성장이 동반함을 알 수 있고, 특히 변형에 의한 동적 결정립 성장의 영향도 있을 것으로 판단할 수 있다.
- 그러나 Case I의 경우는 CHS 조건임에도 불구하고 발생하는 변형경화 현상을 잘 예측하고 있다. 실험결과와의 비교에서도 결정립 성장을 고려하지 않은 모델들은 AZ31의 변형특성을 거의 예측하지 못하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 CHS가 0.
- 11은 변형률에 따른 결정립 크기를 실험값과 비교한 것이다. 변형률의 함수로 가정된 결정립 성장식은 CHS 속도에 관계없이 일정한 기울기로 결정립 크기가 증가함을 나타내고 있으며, 결정립 성장식이 초소성 해석에 잘 적용되고 있음을 확인하였다.
- 특히 3000 초 이후에는 Case I의 압력이 급속하게 증가됨에 따라 두 모델간의 압력차가 크게 발생하였다. 결과적으로 결정립 성장이 재료가 변형하기 위해 필요한 응력을 증가시켜 높은 성형압력을 유도한다는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 변형속도는 증가되는 것으로 나타났다.
- 이처럼 결정립 성장을 고려한 모델은 결정립 성장에 의해 변하는 초소성 재료의 변형특성을 고려함에 따라 최적 변형률 속도를 유지하기 위한 성형압력과 성형 후의 두께 분포 예측에서 기존의 구성 모델 즉, 결정립 성장을 고려하지 않은 모델과의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 실제로 이러한 예측이 제품을 성형하기 위해 직접적으로 사용되기 때문에 결정립 성장을 고려함에 따른 공정 변수의 변화는 필수적으로 검토해야 됨을 알 수 있다.
- (2) 단축 인장 시뮬레이션에서는 결정립 성장을 고려한 모델이 진 응력-변형률 관계 및 결정립 성장의 실험값을 잘 예측하였으며, 특히 일정 CHS 조건임에도 발생하는 변형경화 현상을 모사할 수 있었다.
- (3) 초소성 블로우 성형해석에서는 결정립 성장을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델들의 변형 속도, 성형압력-시간 선도, 두께분포와 같은 공정 변수 예측에 있어서 상당한 차이가 있었다.
- 지금까지의 결과들로부터 결정립 성장은 초소성 변형의 예측에 있어 중요한 인자로 고려해야 됨을 알 수 있었다. 향후 초소성 성형 시험을 통하여, 결정립 성장을 고려한 모델로 예측한 결과와 비교하는 것이 필수적이다.
후속연구
- 지금까지의 결과들로부터 결정립 성장은 초소성 변형의 예측에 있어 중요한 인자로 고려해야 됨을 알 수 있었다. 향후 초소성 성형 시험을 통하여, 결정립 성장을 고려한 모델로 예측한 결과와 비교하는 것이 필수적이다.
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