초록 ▼

본 연구는 극저온 분위기 하에서 금속계 구조재료의 미세조직 변화 및 소성변형 거동을 이해하고, 극저온 압연공정 유한요소 해석 model을 개발하여 극저온 압연을 통한 미세조직 최적화에 의해 금속계 구조재료의 기계적 성질을 향상시키는 것을 목표로 한다.
극저온 압축실험 결과 Al 합금의 극저온 소성변형은 stage II 가공경화에 의해 지배되며, 이로 인해 하부미세조직은 불완전한 전위 cell 들로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 그러나 결정립이 초미세화될 경우 극저온에서는 가공경화가 전혀 일어나지 않는 완전소성거동을 보이며,

본 연구는 극저온 분위기 하에서 금속계 구조재료의 미세조직 변화 및 소성변형 거동을 이해하고, 극저온 압연공정 유한요소 해석 model을 개발하여 극저온 압연을 통한 미세조직 최적화에 의해 금속계 구조재료의 기계적 성질을 향상시키는 것을 목표로 한다.
극저온 압축실험 결과 Al 합금의 극저온 소성변형은 stage II 가공경화에 의해 지배되며, 이로 인해 하부미세조직은 불완전한 전위 cell 들로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 그러나 결정립이 초미세화될 경우 극저온에서는 가공경화가 전혀 일어나지 않는 완전소성거동을 보이며, 전단띠 형성에 의한 국부적인 변형이 일어났다. 또한 극저온 분위기하에서는 고용강화형 합금에서 일반적으로 나타나는 가공성에 악영향을 미치는 serrated flow 현상이 나타나지 않았다.
극저온 압연재의 경우 동적 회복 억제에 의해 상온 압연재에 비해 약 10% 이상 강도가 증가하였으며, 극저온 압연 후 적절한 열처리를 통해 약 200 nm 크기의 나노결 정립을 얻을 수 있었다. 이를 통해 나노 결정립의 경우 소성변형속도가 결정립 크기 제곱에 역비례하는 소성변형 구성방정식을 수정 제시하였다. 또한 극저온 압연 및 열처리를 거친 판재의 경우 재결정 분율을 제어함으로서 불연속 항복을 억제할 수 있었다.
극저온 압연공정 중 소재의 소성변형은 결정립 내부의 슬립시스템의 활동으로 인한 전단변형의 조합으로 이루어지며, 각 결정립들은 우선하는 방위로 회전하게 되어 집합조직을 형성하게 된다. 이와 같은 현상을 결정소성학에 의해 모델링하여 모듈화한 프로그램을 개발하고, 자유곡면수정법과 유선추적법을 적용 매크로 유한요소해석 프로그램에 부프로그램으로 연결하였다. 극저온 압연 중 결정립 크기 및 형상 변화에 가장 큰 영향을 주는 공정인자는 최종 압하율인 것으로 나타났다. 중심부의 집합조직은 공정인자의 변화에 관계없이 평면 변형 집합조직을 보여주고 있으나 표면의 집합조직은 롤과의 접촉부에서 전단변형 정도에 따라 달라지며, 롤의 반경이 커질수록, 마찰계수가 커질수록, 패스당 압하율이 작아질수록 표면에서 전단의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.
학술적 성과
국제 학술지 : SCI-4편 , SCIE-2편 , 비SCI-1편
국내 학술지 : 4편
국제학술대회 : 6회 국내학술대회 : 8회
인력 양성 : 박사-1, 석사-7
산업적 중요성
본 연구에서는 재료공정변수인 온도를 극한조건으로 확대하여 일반 조건에서는 얻기 어려운 금속재료의 미세조직을 이용, 이를 제어하여 기계적 성능을 대폭 향상시켰다.
본 연구를 통해 극한변수공정(extreme variables processing)의 신개념을 제시하였다.

Abstract ▼

The present research is aimed at improving the mechanical properties of metallic structural materials through rolling at cryogenic temperatures. For this purpose, the plastic deformation behavior and microstructural evolution of metals and alloys at cryogenic temperature are examined and the finite

The present research is aimed at improving the mechanical properties of metallic structural materials through rolling at cryogenic temperatures. For this purpose, the plastic deformation behavior and microstructural evolution of metals and alloys at cryogenic temperature are examined and the finite element model is developed for simulation of cryogenic rolling.
The plastic deformation behavior of Al alloys at cryogenic temperature was dominated by the stage II strain hardening and the corresponding microstructure consisted of the ill-defined dislocation cells. For ultrafine grained alloy, no strain hardening occurred at cryogenic temperature and it deformed in the near perfect plastic manner associated with the formation of localized shear bands. In addition, serrated flow during plastic deformation was effectively suppressed.
The strength of cryo-rolled Al alloys was higher at least by 10% than that of cold-rolled ones. In addition, it was found that cryo-rolling is the promising access to manufacture nanocrystalline materials with a grain size of 200 nm. By controlling its recrystallization behavior via post heat treatments, continuous yielding in cryo-rolled Al alloys was obtained.
In association with experimental results of cryo-rolling of Al alloys, an Eulerian finite element model was developed to predict the microstructural evolution during cryo-rolling. The model showed that the most important factor influencing the grain size and shape was the reduction ratio of the final pass. The texture in the center of cryo-rolled Al plate was a typical plain strain texture and independent of processing variables. However, the surface texture was considerably affected by the shear amount at the surface contacting with roll. The shear amount was found to depend on mainly the roll size, friction coefficient, and a reduction ratio per pass.
Academic Achievements
International journal: SCI-4 , SCIE-2 , nonSCI-1
Domestic journal: 4
International conference: 6 Domestic conference: 8
Degree conferred: Doctorate-1, Master-7
Industrial Significance
The mechanical properties of metallic materials were significantly improved by controlling microstructures, which hardly appear at room and high temperatures, via metal forming (mainly rolling) at cryogenic temperature. The present research provided the new concept on developing the metal forming technique using "the extreme variables processing".

목차 Contents

• I. 연구계획 요약문...5
• 1. 국문요약문...5
• II. 연구결과 요약문...6
• 1. 국문요약문...6
• 2. 영문요약문...7
• III. 연구내용 및 결과...8
• 1. 서론...8
• 1.1 연구 배경...8
• 1.2 연구 목적...10
• 1.3 연구 목표 및 범위...10
• 2. 연구 결과 및 고찰...12
• 2.1 조대립 및 초미세립 Al 합금의 극저온 및 상온 압축소성변형 거동...12
• 2.1.1 연구 배경...12
• 2.1.2 실험 방법...12
• 2.1.3 실험 결과...13
• 2.1.3.1 소성변형거동...13
• 2.1.3.2 미세조직변화...16
• 2.1.4 고찰...19
• 2.1.4.1 조대립재에 있어 전위 cell 형성에 미치는 온도의 영향...19
• 2.1.4.2 전위 cell 크기가 변형 mode에 미치는 영향...21
• 2.1.4.3 조대립재 및 초미세립재의 유동응력에 미치는 온도의 영향...23
• 2.1.5 요약...24
• 2.1.6 인용 문헌...24
• 2.2 극저온 압연에 의한 결정립 초미세립화...26
• 2.2.1 연구 배경...26
• 2.2.2 실험 방법...26
• 2.2.3 실험 결과 및 고찰...27
• 2.2.3.1 압하량에 따른 기계적 성질 및 미세조직 변화...27
• 2.2.3.2 극저온 압연재의 재결정 거동...27
• 2.2.4 요약...34
• 2.2.5 인용 문헌...34
• 2.3 나노결정립 재료의 결정립계 확산 소성변형 model 개발...36
• 2.3.1 연구 배경...36
• 2.3.2 나노결정립 재료의 결정립계 확산 소성변형 model...36
• 2.3.2.1 결정립계 두께 인자를 고려한 결정립계 확산 소성변형 model...36
• 2.3.2.2 threshold stress를 고려한 결정립계 확산 소성변형 model...40
• 2.3.2.4 각 model들에 대한 고찰...40
• 2.3.3 나노결정립 재료의 수정 결정립계 확산 소성변형 model...41
• 2.3.4 요약...45
• 2.3.5 인용 문헌...46
• 2.4 고용강화형 Al 합금 극저온 압연재의 어닐링 거동...47
• 2.4.1 연구 배경...47
• 2.4.2 실험 방법...47
• 2.4.3 실험 결과 및 고찰...48
• 2.4.3.1 5052 Al 합금...48
• 2.4.3.1.1 극저온 및 냉간 압연재의 기계적 성질...48
• 2.4.3.1.2 어닐링 조건에 따른 기계적 성질 및 미세조직 변화...50
• 2.4.3.1.3 DSC를 이용한 미세조직 변화 활성화 에너지 측정...54
• 2.4.3.2 1050 Al 합금...55
• 2.4.3.2.1 극저온 및 냉간 압연재의 기계적 성질...55
• 2.4.3.2.2 어닐링 조건에 따른 기계적 성질 및 미세조직 변화...57
• 2.4.4 요약...60
• 2.4.5 인용 문헌...61
• 2.5 극저온 압연공정의 유한요소 해석...62
• 2.5.1 연구 배경...62
• 2.5.2 연구 방법 및 이론...63
• 2.5.2.1 결정소성학...63
• 2.5.2.2 오일러리안 해석에서의 형상 예측...67
• 2.5.2.3 수치해석 절차...69
• 2.5.3 연구 결과 및 고찰...71
• 2.5.3.1 연속압연공정의 오일러리안 해석...71
• 2.5.3.2 pass 당 압하율의 영향...76
• 2.5.3.3 roll 크기의 영향...77
• 2.5.3.4 마찰의 영향...79
• 2.5.3.5 오일러리안 격자 수정...80
• 2.5.4 연구 요약...80
• 2.5.6 인용 문헌...83
• 2.6 극저온에서의 Al-3%Mg 합금의 serrated flow 거동...85
• 2.6.1 연구 배경...85
• 2.6.2 실험 방법...86
• 2.6.3 연구 결과 및 고찰...86
• 2.6.3.1 진응력-진변형 곡선...86
• 2.6.3.2 serrated plastic flow...87
• 2.6.4 연구 요약...90
• 2.6.5 인용 문헌...90
• 3. 결 론...92