[논문]결정소성 유한요소해석에 의한 극박 스테인리스강의 성형한계선도 예측

봉혁종; 이명규; 한흥남

doi:10.5228/kstp.2017.26.3.144

결정소성 유한요소해석에 의한 극박 스테인리스강의 성형한계선도 예측
Forming Limit Diagram Prediction for Ultra-Thin Ferritic Stainless Steel Using Crystal Plasticity Finite Element Method 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.3, 2017년, pp.144 - 149

봉혁종 () , 이명규 (고려대학교 신소재공학부) , 한흥남 (서울대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to characterize the macroscopic mechanical response of ultra-thin (0.1 mm thick) ferritic stainless steel sheet at various loading paths, a crystal plasticity finite element method (CP-FEM) was introduced. The accuracy of the prediction results was validated by comparing with the experimental data. Based on the results, the forming limit diagram (FLD) was predicted using a modified Marchinicak-Kuczinski model coupled to a non-quadratic anisotropic yield function, namely, Yld2000-2d. The predicted FLD was found to be in good agreement with the experimental data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 등이축 실험에 의한 항복값 및 소성변형율 비는 벌지 실험 또는 십자형 시편을 이용한 특수한 장비가 개발되어야 하고 이는 실험에의 비용증가를 초래한다. 본 연구에서는 이러한 실험적 어려움을 극복하기 위하여 결정소성 유한요소 해석을 통하여 RD 방향의 수직 및 45도 방향의 인장 및 등이축 인장 실험을 전산모사하였으며 이로부터 Yld2000-2d를 결정할 수 있는 방향별 항복값 및 소성변형율 비를 확보할 수 있었다. 그 결과 결정소성모델을 이용하여 결정된 Yld2000-2d식과 PMC 모델 기반 K-K 성형한계선도를 예측하였고 그 정확도는 실험값과 비교하여 매우 높음을 확인하였다.
본 연구에서는 전위 밀도(dislocation density)에 기반한 결정소성 유한요소해석법을 이용하여 0.1 mm극박 페라이트계 스테인리스강의 다양한 응력 조건에서의 기계적 거동에 관한 예측을 진행하였으며,예측 결과를 실제 기계적 실험을 통해 얻은 결과와 비교하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 또한,얻어진 결과를 바탕으로 성형한계선도를 예측하였고, 예측 결과를 실제 실험결과와 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 재료의 물성을 대표 인장곡선과 미세조직 특성으로부터 예측할 수 있는 결정소성 유한요소해석을 이용하여 극박 페라이트계 스테인리스강의 일축/이축 이방성 기계적 성질을 예측하였다. 예측 결과는 실험결과와 정량적으로 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 그 결과를 이용하여 이방성을 고려한 항복식(Yld2000-2d)의 계수를 결정하였다.

대상 데이터

Bruker D8 장비를 이용한 X-선 회절분석을 통해 결정소성 유한요소해석에 필요한 0.1 mm 두께의 극박 페라이트계 스테인리스강의 초기 결정립 집합조직을 측정하였다. Polar각과 Azimuthal각을 각각 0°-80° 와 0°-355° 까지 측정하였고, MTEX 프로그램을 이용하여 방위 분포 함수(orientation distribution function)를 확보 하였다.

데이터처리

Abaqus 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 소성결정 유한요소 해석을 수행하였다. 해석에는 내 연적(implicit) 적분법을 사용하였다.
1 mm 두께의 극박 페라이트계 스테인리스강의 초기 결정립 집합조직을 측정하였다. Polar각과 Azimuthal각을 각각 0°-80° 와 0°-355° 까지 측정하였고, MTEX 프로그램을 이용하여 방위 분포 함수(orientation distribution function)를 확보 하였다. 측정된 방위 분포 함수의 φ₂=45º 면을 Fig.

이론/모형

본 연구에서 재료의 거시적 거동을 표현하기 위해 등방 von Mises, 비이차 이방성 Yld2000-2d 항복식을 사용하였다. von Mises식은 통상 RD 일축 인장실험에 의한 항복값을 이용하지만, Yld2000-2d식은 이방성 계수를 구하기 위해 RD, TD, DD 방향의 일축인장 실험으로부터 항복값과 r-값의 정보가 필요하며, 이에 더해 이축인장 실험으로부터 등이축 항복값과 소성변형율 비가 측정되어야 한다.
앞서 얻어진 결과를 이용하여 재료의 성형 한계선도를 예측하였다. 이를 위해 기존에 잘 알려진Marciniak-Kuczynski(M-K) 모델[11]에 표면조도 효과를 넣어준 Parmar-Mellor-Chakrabarty(PMC) 모델[12]을 사용하였다. 이는 기존의 판재와 달리 극박재의경우 일반적으로 수 μm에 달하는 표면조도가 성형성에 지대한 영향을 미칠 것이라는 가정에 기인한 것이다.

성능/효과

예측 결과는 실험결과와 정량적으로 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 그 결과를 이용하여 이방성을 고려한 항복식(Yld2000-2d)의 계수를 결정하였다. 또한, 이방성 항복함수를 PMC 모델기반 성형한계선도에 적용한 결과 실험값과 매우 잘 일치함을 검증하였다. 본 연구 결과는 실험법이 정립 되어있지 않은 극박재의 물성 도출법에 있어 매우 중요한 의미를 지니며, 추후 극박재의 성형법 개발 시간 및 비용 절감에 이바지 할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 재료의 물성을 대표 인장곡선과 미세조직 특성으로부터 예측할 수 있는 결정소성 유한요소해석을 이용하여 극박 페라이트계 스테인리스강의 일축/이축 이방성 기계적 성질을 예측하였다. 예측 결과는 실험결과와 정량적으로 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 그 결과를 이용하여 이방성을 고려한 항복식(Yld2000-2d)의 계수를 결정하였다. 또한, 이방성 항복함수를 PMC 모델기반 성형한계선도에 적용한 결과 실험값과 매우 잘 일치함을 검증하였다.

후속연구

또한, 이방성 항복함수를 PMC 모델기반 성형한계선도에 적용한 결과 실험값과 매우 잘 일치함을 검증하였다. 본 연구 결과는 실험법이 정립 되어있지 않은 극박재의 물성 도출법에 있어 매우 중요한 의미를 지니며, 추후 극박재의 성형법 개발 시간 및 비용 절감에 이바지 할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인리스강이 연료전지 분리판으로 적합하다고 생각되는 특성은?	고분자전해질 연료전지의 다양한 구성 요소 중 분리판은 전체 연료전지의 약 60-80%의 무게와 30-45%의 비용을 차지하기 때문에[1] 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 들어, 연료전지 분리판에 사용될 재료로 우수한 기계적, 전기적, 열적 성질을 가지고,가공비가 적게 드는 금속 재료, 그 중 스테인리스강에 대한 관심이 집중되고 있다[1,2].
	스테인리스강을 극박재로 만들어야 하는 이유는 무엇인가?	스테인리스강이 실제 자동차 연료전지에 사용되기 위해선 경량화가 중요한데 이를 위해 일반적으로 0.1mm 이하의 두께가 요구된다. 하지만, 현재 이와 같은 극박재의 성형과 성형 공정의 전산모사에 필요한 재료 물성을 구하는 방법론에 대한 자료가 부족하여 많은 제약이 따른다.
	고분자 전해질 연료전지가 다른 연료전지에 비해 주목받는 이유는?	최근 자동차 업계에서는 배기가스와 같은 환경문제로 인하여 기존의 내연 기관을 대체할 연료 전지에 관한 관심이 증대되고 있다. 현재 개발 중인 다양한 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell)는 기타 연료 전지에 비해 우수한 저온 작동성, 지속 시간, 간단한 구조 등으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 고분자전해질 연료전지의 다양한 구성 요소 중 분리판은 전체 연료전지의 약 60-80%의 무게와 30-45%의 비용을 차지하기 때문에[1] 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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