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문제 정의
- 이러한 점을 바탕으로 본 연구에서는 템퍼링을 통한 초고강도 DP강의 신장 플랜지성 변화 거동을 알아보고자 980 MPa급 DP강의 템퍼링 조건에 따른 미세조직 변화를 살펴보고, 그에 따른 상간 경도차이와 신장 플랜지성과의 상관관계를 면밀히 분석하였다. 또한 980 MPa급 DP강에 있어서 신장 플랜지성을 결정하는 주요 인자에 대해 고찰하고 인장물성과의 연관성에 대해 살펴보았다.
- 는 초기 구멍의 직경이다. 홀확장 실험 중에 하중-펀치이송거리(force-displacement) 곡선을 얻어 시편의 변형 및 파괴 거동을 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- 나노인덴테이션 실험을 위한 시편은 10% 과염소산(perchloric acid)과 90% 아세트산(acetic acid)의 혼합용액을 이용하여 전해 연마하여 준비하였다. 각 시편에 대하여 100회의 나노인덴테이션을 수행하였으며 G200 나노인덴터 장비의 Berkovich 인덴터를 이용하여 실험을 수행하였다. 인장실험은 ASTM E8m-08 규격에 따라 수행하였으며 초점거리 25mm, 폭 6mm 및 1.
- 이러한 점을 바탕으로 본 연구에서는 템퍼링을 통한 초고강도 DP강의 신장 플랜지성 변화 거동을 알아보고자 980 MPa급 DP강의 템퍼링 조건에 따른 미세조직 변화를 살펴보고, 그에 따른 상간 경도차이와 신장 플랜지성과의 상관관계를 면밀히 분석하였다. 또한 980 MPa급 DP강에 있어서 신장 플랜지성을 결정하는 주요 인자에 대해 고찰하고 인장물성과의 연관성에 대해 살펴보았다.
- T0 시편의 미세조직을 통해 강재가 페라이트와 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)로 이루어진 전형적인 DP강의 미세조직을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다. 마르텐사이트와 템퍼드 마르텐사이트는 형상학적으로 구분하였으며, 템퍼드 마르텐사이트의 경우 템퍼링에 의하여 내부의 래스(lath) 사이에 탄화물이 석출되게 되어 이를 바탕으로 두 상을 구분하였다. T0 시편의 상 분율은 페라이트가 37%, 마르텐사이트가 30%, 템퍼드 마르텐사이트는 33%로 측정되었으며 이후 템퍼링을 진행함에 따라 Fig.
- 먼저 wire cutting 방법을 이용하여 10mm의 직경을 가지는 구멍을 뚫은 후, 60°의 원주각을 가지는 펀치를 이용하여 홀확장 실험을 진행하였다.
- 미세조직을 확인하기 위해 3% 나이탈(Nital) 용액으로 에칭 후 광학현미경(OM, optical microscope)과 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰 하였으며, 템퍼링 후의 DP강의 기계적 특성을 분석하기 위하여 나노인덴테이션(nanoindentation) 실험과 인장실험을 실시하였다. 나노인덴테이션 실험을 위한 시편은 10% 과염소산(perchloric acid)과 90% 아세트산(acetic acid)의 혼합용액을 이용하여 전해 연마하여 준비하였다.
- 본 연구에서는 980 MPa급 DP강을 300℃에서 각각 10분, 20분 및 30분 동안 템퍼링하여 그에 따른 미세조직과 기계적 특성을 분석하였으며 이를 바탕으로 템퍼링에 따른 DP강의 신장 플랜지성의 변화에 대하여 고찰하였다.
- 5 mm/min의 크로스 헤드 이동속도로 실험을 수행하였다. 시편의 신장 플랜지 성을 정량적으로 나타내는 지표인 hole expansion ratio (HER)를 측정하기 위하여 홀확장 실험(hole expansion test)을 실시하였으며 Fig. 1에 홀확장 실험의 진행 방법을 도식화하였다. 먼저 wire cutting 방법을 이용하여 10mm의 직경을 가지는 구멍을 뚫은 후, 60°의 원주각을 가지는 펀치를 이용하여 홀확장 실험을 진행하였다.
- 이 후 요구되는 미세조직을 얻기 위하여 320 ℃의 온도에서 250초간 유지한 후 상온으로 공냉하였다. 이렇게 제조된 DP강판에 대하여 300 ℃에서 각각 10분, 20분, 30분간 템퍼링을 실시하여 템퍼링에 따른 미세조직 및 기계적 성질의 변화를 살펴보고자 하였다. 이후부터 템퍼링을 하지 않은 시편을 T0 시편, 10분, 20분 및 30분간 템퍼링 한 시편을 각각 T10, T20 및 T30 시편이라 부르도록 하겠다.
- 열간 압연 후 550℃의 노내에서 2시간 동안 등온 유지 후 상온까지 노냉하였다. 이후 시편은 8패스로 열간 압연 두께의 50%로 냉간 압연을 수행하였으며, 냉간 압연 시편에 대하여 소둔 열처리 모사시험을 진행하였다. 820℃에서 80초 동안 유지한 후 5.
- 이렇게 제조된 DP강판에 대하여 300 ℃에서 각각 10분, 20분, 30분간 템퍼링을 실시하여 템퍼링에 따른 미세조직 및 기계적 성질의 변화를 살펴보고자 하였다. 이후부터 템퍼링을 하지 않은 시편을 T0 시편, 10분, 20분 및 30분간 템퍼링 한 시편을 각각 T10, T20 및 T30 시편이라 부르도록 하겠다.
- 각 시편에 대하여 100회의 나노인덴테이션을 수행하였으며 G200 나노인덴터 장비의 Berkovich 인덴터를 이용하여 실험을 수행하였다. 인장실험은 ASTM E8m-08 규격에 따라 수행하였으며 초점거리 25mm, 폭 6mm 및 1.6mm의 두께를 가진 시편을 사용하여 0.5 mm/min의 크로스 헤드 이동속도로 실험을 수행하였다. 시편의 신장 플랜지 성을 정량적으로 나타내는 지표인 hole expansion ratio (HER)를 측정하기 위하여 홀확장 실험(hole expansion test)을 실시하였으며 Fig.
대상 데이터
- 미세조직을 확인하기 위해 3% 나이탈(Nital) 용액으로 에칭 후 광학현미경(OM, optical microscope)과 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰 하였으며, 템퍼링 후의 DP강의 기계적 특성을 분석하기 위하여 나노인덴테이션(nanoindentation) 실험과 인장실험을 실시하였다. 나노인덴테이션 실험을 위한 시편은 10% 과염소산(perchloric acid)과 90% 아세트산(acetic acid)의 혼합용액을 이용하여 전해 연마하여 준비하였다. 각 시편에 대하여 100회의 나노인덴테이션을 수행하였으며 G200 나노인덴터 장비의 Berkovich 인덴터를 이용하여 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 980 MPa급 DP강을 300℃에서 템퍼링하여 최대 인장강도는 유지하면서 항복강도는 증가시킬 수 있었다. 이러한 현상은 템퍼링에 의해 마르텐사이트로부터 확산된탄소가 계면부의 전위를 고착시켜 페라이트의 항복강도가 증가하였기 때문이다.
- 2) 나노인덴테이션 시험을 통하여 템퍼링 시 페라이트의 경도는 증가하고 마르텐사이트의 경도는 감소하는 것을 확인하였으며 이로 인하여 상간 경도차가 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 3) 300℃에서 20분간 템퍼링 한 T20 시편의 경우 템퍼링을 하지 않은 T0 시편보다 높은 HER 값을 나타내었다. 이는 페라이트와 마르텐사이트의 상간 경도차가 감소함에 따라 홀확장 시 페라이트로의 변형 집중이 크게 낮아져 미세공극 및 균열의 생성이 지연되었기 때문이었다.
- 3은 각각 T0 시편과 300℃에서 20분간 템퍼링한 T20 시편에 대하여 나노인덴테이션을 실시한 실험 결과를 나타내고 있다. T0 시편에 대한 실험 결과를 보면 2 GPa의 낮은 경도로부터 10 GPa의 높은 경도까지 전체적으로 넓은 나노경도 분포를 보여주고 있으며, 이러한 결과를 통해 비교적 낮은 경도를 가지는 페라이트와 비교적 높은 경도를 가지는 마르텐사이트 사이의 상간 경도 차이가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 페라이트와 마르텐사이트 이외에 템퍼드 마르텐사이트가 33 % 존재하기 때문에 전제적으로 넓게 퍼져 있는 나노경도 분포를 보여주고 있으며, Fig.
- 마르텐사이트와 템퍼드 마르텐사이트는 형상학적으로 구분하였으며, 템퍼드 마르텐사이트의 경우 템퍼링에 의하여 내부의 래스(lath) 사이에 탄화물이 석출되게 되어 이를 바탕으로 두 상을 구분하였다. T0 시편의 상 분율은 페라이트가 37%, 마르텐사이트가 30%, 템퍼드 마르텐사이트는 33%로 측정되었으며 이후 템퍼링을 진행함에 따라 Fig. 2(e)에서 보는 것과 같이 템퍼드 마르텐사이트의 분율이 점점 더 높아지고, 30분간 템퍼링을 진행하였을 경우(T30 시편)에는 대부분의 마르텐 사이트가 템퍼링되어 약 60%의 템퍼드 마르텐사이트의 분율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 상분율을 분석해 보았을 때 20분간 템퍼링을 진행하였을 때와 30분간 템퍼링을 진행하였을 때 미세조직에서 큰 차이가 없는 것을 통해 20분간 템퍼링을 진행하게 되면 대부분의 마르텐사이트가 템퍼링 된다는 것을 확인할 수 있다.
- 이는 페라이트와 마르텐사이트의 상간 경도차가 감소함에 따라 홀확장 시 페라이트로의 변형 집중이 크게 낮아져 미세공극 및 균열의 생성이 지연되었기 때문이었다. 또한 T20 시편의 경우 페라이트와 더불어 템퍼드 마르텐사이트도 같이 변형을 할 수 있기 때문에 홀확장 중에 균열이 발생하더라도 균열 선단에서 벌어짐 현상 등이 발생하여 균열의 전파 속도가 상대적으로 느리다는 것을 예상할 수 있었다. 이러한 이유로 인하여 템퍼링을 적용한 T20 시편이 템퍼링을 적용하지 않은 T0 시편에 비해 우수한 신장 플랜지성을 나타내었다.
- 2(e)에서 보는 것과 같이 템퍼드 마르텐사이트의 분율이 점점 더 높아지고, 30분간 템퍼링을 진행하였을 경우(T30 시편)에는 대부분의 마르텐 사이트가 템퍼링되어 약 60%의 템퍼드 마르텐사이트의 분율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이러한 상분율을 분석해 보았을 때 20분간 템퍼링을 진행하였을 때와 30분간 템퍼링을 진행하였을 때 미세조직에서 큰 차이가 없는 것을 통해 20분간 템퍼링을 진행하게 되면 대부분의 마르텐사이트가 템퍼링 된다는 것을 확인할 수 있다.
- 문헌상에서는 DP강의 템퍼링에 의한 150~200 MPa의 항복강도 증가가 보고되고 있으나10,13) 본 연구에서는 초기에 이미 33%의 템퍼드 마르텐사이트가 존재하고 있었기 때문에 Fig. 5와 같이 대략 125 MPa의 항복강도 증가를 얻을 수 있었다.
- 3에서 예상할 수 있는 것과 같이 본 연구의 DP강의 경우에는 템퍼링을 진행함에 따라 페라이트의 경도는 증가하는 것을 알 수 있으며 반대로 최대 경도 값은 낮아지기 때문에 전체 경도 값의 평균값은 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 Fig. 5의 인장물성과 관련지어 생각해 보면 본 연구의 DP강의 경우에는 항복강도는 페라이트의 변형에 의존하기 때문에 템퍼링을 진행함에 따라 증가하는 것을 예상할 수 있으며 이에 반해 최대 인장강도는 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 T20 시편의 경우 페라이트와 더불어 템퍼드 마르텐사이트도 같이 변형을 할 수 있기 때문에 홀확장 중에 균열이 발생하더라도 균열 선단에서 벌어짐 현상 등이 발생하여 균열의 전파 속도가 상대적으로 느리다는 것을 예상할 수 있었다. 이러한 이유로 인하여 템퍼링을 적용한 T20 시편이 템퍼링을 적용하지 않은 T0 시편에 비해 우수한 신장 플랜지성을 나타내었다.
- 이로써 T20 시편이 T0 시편과 비교하여 더 높은 HER 값을 나타내는 것을 알 수 있으며 두 시편의 HER은 각각 50%와 70%로 측정되었다. 이와 같이 적절한 템퍼링을 적용한 T20 시편이 템퍼링을 적용하지 않은 T0 시편보다 우수한 신장 플랜지성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
- 5는 T0 시편과 템퍼링을 진행한 시편들(T10, T20 및 T30)의 인장물성의 변화를 나타내고 있다. 템퍼링 시간이 증가함에 따라 항복강도는 증가하는 경향을 보였지만 최대 인장강도는 비슷한 수준을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 20분 이상 템퍼링을 진행한 경우에는 그 인장물성이 크게 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
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