[논문]구성 모델과 공정 지도를 이용한 AISI 4340강의 고온 변형 거동

김근학; 정민수; 이석재

doi:10.12656/jksht.2017.30.5.187

구성 모델과 공정 지도를 이용한 AISI 4340강의 고온 변형 거동
Hot Deformation Behavior of AISI 4340 using Constitutive Model and Processing Map 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.30 no.5, 2017년, pp.187 - 196

김근학 (전북대학교 신소재공학부) , 정민수 (한국생산기술연구원 열처리그룹) , 이석재 (전북대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

High temperature flow behaviors of AISI 4340 steel were investigated using isothermal compression tests under the temperature range from 850 to $1100^{\circ}C$ and a strain rate from 0.01 to $10s^{-1}$. The flow stress decreased with increasing compression temperature and decreasing strain rate. The dynamic softening related to the dynamic recrystallization was observed during hot deformation. The constitutive model based on Arrheniustyped equation with the Zener-Hollomon parameter was used to simulate the hot deformation behavior of AISI 4340 steel. The modification of the Zener-Hollomon parameter and lnA parameter resulted in the improvement of the calculation accuracy of the proposed constitutive model compared with the experimental flow curves. In addition, the process map of AISI 4340 steel was proposed. The instable process condition for hot deformation was predicted and its reliability was verified with the experimental observation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

압축시험 데이터를 이용하여 물리적 모델을 기반으로 한 구성방정식을 제시하고 공정변형지도를 계산하였다. 공정변형지도를 통해 소성변형 유동의 안정 및 불안정 조건을 분석하고 최적의 공정 조건을 제시하고자 하였다.

가설 설정

따라서 이 구역에 해당되는 조건에서는 소성가공을 실시하지 않는 것이 좋다. 대체로 온도가 낮을수록, 변형률 속도가 빠를수록 소성 불안정 영역이 나타날 확률이 높다.
2는 고온 압축 실험을 통해 얻은 진응력-진변형률 곡선이다. 변형 초기에 유동 응력은 변형률이 증가하면서 빠르게 증가한다. 이는 전위의 형성과 증식에 의해 가공경화가 일어났기 때문이다[15].
빠르게 증가했던 유동 응력은 최대 응력(peak stress)까지 천천히 증가하는데, 이는 동적 회복으로 인해 전위의 양이 감소했기 때문이다. 유동 응력은 최고점에 도달한 후 감소하거나 유지하는 경향을 보인다. 이러한 현상은 동적 재결정에 의한 가공 연화 현상 때문이다.

제안 방법

또한 계산 결과의 정확도를 높일 수 있는 새로운 Zener-Hollomon parameter Z와 lnA 식을 제안하였다. 동적 재료모델 이론에 기반하여 변형률 0.05에서 0.75까지의 넓은 변형률 범위에 대한 AISI 4340강의 공정 변형 지도를 구하였다. 각각의 온도, 변형률, 변형속도에 따른 파워 분산효율과 불안정성 상수들을 계산하여 소성 불안정 영역을 확인할 수 있었다.
하지만 AISI 4340강의 경우 앞에서 언급한 제품과 연계된 다양한 특성에 관한 연구들은 많이 보고된 바가 있으나 구성방정식과 공정변형지도를 이용한 고온 변형 특성에 대한 연구는 아직 보고된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 AISI 4340강을 다양한 고온 조건에서 변형 속도를 변화시켜 가면서 압축시험을 실시하였다. 압축시험 데이터를 이용하여 물리적 모델을 기반으로 한 구성방정식을 제시하고 공정변형지도를 계산하였다.
12 kJ/mol이고 이는 유사한 AISI 4130 강과 AISI 4140 강의 활성화 에너지와도 유사한 값임을 확인하였다. 또한 계산 결과의 정확도를 높일 수 있는 새로운 Zener-Hollomon parameter Z와 lnA 식을 제안하였다. 동적 재료모델 이론에 기반하여 변형률 0.
이번 연구에서 AISI 4340강의 고온 변형 거동을 조사하고자 다양한 실험 온도와 변형율 조건에서 압축 실험을 실시하였다. 측정된 진응력-진변형률 곡선을 이용하여 AISI 4340 강의 고온 변형 거동을 예측할 수 있는 물리적 모델에 기반한 구성 방정식을 제시하였다.
이번 연구에서 AISI 4340강의 고온 변형 거동을 조사하고자 다양한 실험 온도와 변형율 조건에서 압축 실험을 실시하였다. 측정된 진응력-진변형률 곡선을 이용하여 AISI 4340 강의 고온 변형 거동을 예측할 수 있는 물리적 모델에 기반한 구성 방정식을 제시하였다. 제안된 구성 모델은 AISI 4340 강의 가공경화, 동적 회복, 동적 재결정으로 인한 유동 응력의 변화를 잘 반영하고 있다.

대상 데이터

본 연구에서는 세아베스틸에서 제조된 AISI 4340 봉강 소재를 사용하였다. 사용된 소재의 화학 성분은 Fe-0.
Gleeble 3500을 이용하여 고온 압축 시험을 실시하였다. 사용된 시험 시편은 직경 10 mm, 높이 12 mm의 원통형 시편이다. 시험 시편을 10°C s⁻¹의 가열 속도로 1200°C까지 가열한 후 5분간 유지하고 850~1100°C사이의 압축 시험 온도로 10°C s⁻¹의 냉각속도로 냉각했다.

성능/효과

제안된 구성 모델은 AISI 4340 강의 가공경화, 동적 회복, 동적 재결정으로 인한 유동 응력의 변화를 잘 반영하고 있다. AISI 4340 강의 고온압축 시 요구되는 활성화 에너지는 415.12 kJ/mol이고 이는 유사한 AISI 4130 강과 AISI 4140 강의 활성화 에너지와도 유사한 값임을 확인하였다. 또한 계산 결과의 정확도를 높일 수 있는 새로운 Zener-Hollomon parameter Z와 lnA 식을 제안하였다.
12 kJ/mol이다. AISI 4340강과 유사한 AISI 4130강과 AISI 4140강의 의 활성화에너지는 각각 491 kJ/mol[24]과 463 kJ/mol[16]로서 이번 실험에서 얻은 활성화 에너지와 유사한 값임을 확인하였다.

후속연구

계산된 소성 불안정 조건에서 변형된 시편에서 크랙의 원인으로 작용하는 공공을 확인할 수 있었으나 소성 안정 조건에서 변형된 시편에서는 공공의 존재를 찾지 못했다. 이를 통해 계산된 공정 변형 지도의 적합성을 확인하였으며, 향후 AISI 4340 강의 고온 거동과 관련된 연구에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AISI 4340강의 특성은?	저합금 고강도강인 AISI 4340강은 강도, 인성 및 내마모성이 우수하여 자동차, 산업기계, 선박, 항공기 등의 주요 부품에 다양하게 사용되고 있다. 지금까지 많은 연구자들이 AISI 4340강에 대해 쇼피닝을 통한 피로수명 개선[1], 질화 표면 경화처리[2], 부식 피로 균열 성장[3], 표면 거칠기 특성[4], 탄도 충격에 의한 변형 및 파괴 메커니즘[5], 오스테나이트 처리 온도와 경도의 관계[6], 극저온에서의 기계적 특성[7], 용접 처리시 피로거동[8] 등 다양한 연구 결과를 보고하고 있다.
	현상학적 모델 무엇을 예측할 때 사용되는가?	구성방정식은 크게 현상학적 모델과 물리적 모델로 구분할 수 있다. 현상학적 모델은 온도, 변형률 속도가 바뀌는 조건에서 간단한 방정식을 통해 유동응력을 예측할 때 사용된다. 현상학적인 방법의 대표적인 구성방정식은 Johnson-Cook(J-C)모델[9]과 Zerilli-Armstrong(Z-A) 모델[10]이 있다.
	주조 후 열간 단조와 같은 고온 변형 특성에 대한 공정이 매우 중요한 이유는?	하지만 이전 단계로서 주조 후 열간 단조와 같은 고온 변형 특성에 대한 공정도 매우 중요하다. 이는 열간 가공 중 소재의 결함이 발생하지 않아야 시편 가공과 후속 열처리를 통해 최적의 기계적 특성을 갖는 부품을 얻을 수 있기 때문이다. 일반적으로 강재의 열간 가공 특성을 조사하기 위해 변형속도, 온도, 소성 변형량 등에 따른 소재의 거동을 측정하고 수식화하여 열간 가공 조건을 결정하게 된다.

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