KR102393580B1 - 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법은, 유한요소해석(FE analysis)과 연계한 변형률 분포 평가를 거쳐 시편 상에서의 각 위치별 변형률 분포 평가를 통해 Pre-strain을 파악하는 단계; 단순 압축(upsetting) 시험을 통한 pre-strain을 부여하는 단계; 변형률 위치별 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가하는 단계; 및 다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보하는 단계;를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

Description

압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법{Method for evaluating flow stress curve in high strain region using compression test and indentation test}
본 발명은 단순 압축 시험과 압입 시험을 이용한 방법으로서 기존 시험 방법의 조합을 통한 고변형률 영역의 유효응력과 유효변형률 관계를 도출하는 기술에 관한 것이다.
소성가공 공정 해석 기술이 일반화됨으로써 금속 재료의 진변형률-진응력 관계식 또는 곡선은 공정설계 기술자에게 필수화되었지만, 실험적으로 획득이 용이하지 않아 현장 기술자는 물론 연구자들도 정확한 소재 정보를 모르는 경우가 허다하며, 대부분의 기술자들이 관련 문헌으로부터 제한적인 정보를 활용하고 있다.
단조와 같이 고 변형률에서의 유동응력을 필요로 하는 경우는 더욱 그러하다. 현재까지 많은 연구자들에 의하여 연구는 되었으나, 인장시험에 바탕을 둔 고 변형률에서의 유동응력(진응력) 획득 시스템이 상품화된 것은 없으며 고 변형률에서의 진변형률-진응력 곡선 획득을 위하여 연구실 단위에서 압축시험 등이 실시되고 있다.
유동 응력(
Figure 112020097642352-pat00001
)은 재료를 소성변형(plastic deformation) 시키는데 필요한 응력으로서, 하기의 식(1)과 같이 온도(temperature,T), 변형률(true strain,ε), 변형률 속도(strain rate,
Figure 112020097642352-pat00002
)에 의존하는데, 상온에선 일반적으로 변형률에 의존하는 한편, 재결정온도(temperature> 0.5Tm 이상)에선 변형률 속도에도 영향을 받는다.
Figure 112020097642352-pat00003
...(1)
상온 유동응력(flow stress) 획득 방법은 Hollomon의 구성방정식으로 수식화될 수 있는데, 구체적으로는 하기의 식(2)와 같이 나타난다.
Figure 112020097642352-pat00004
....(2)
여기에서,
Figure 112020097642352-pat00005
과 ε 은 각각 진응력과 진변형률을 의미하며, K와 n은 강도계수와 변형경화지수이다.
상온 유동응력(flow stress) 획득 방법은 인장시험(tensile test)을 통한 유동응력 확보 및 압축시험(upsetting test)을 통한 유동응력 확보 방안이 있을 수 있다.
가장 일반적인 시험 방법으로는 단축 인장시험을 통한 유효 응력-유효 변형률 곡선 획득 방안을 들 수 있다.
인장시험(tensile test)을 통한 유동응력 확보는 고변형률 영역에서의 정확한 유효 응력-유효 변형률 관계 도출 불가능하고, 고변형률 영역 도달 전 소재 파단 발생이 이루어진다는 한계가 있다.
또한, 인장시험을 통한 유동응력 확보는 고변형률 영역에서의 정확한 유효 응력-유효 변형률 관계 도출이 곤란할 뿐만 아니라 마찰에 의한 베럴링(barreling) 현상 발생으로 정확한 유동응력 도출이 곤란하다는 문제점이 있다.
한편, 고변형률 영역의 유동응력을 판단하는 과정에서, 인장 또는 압축시험으로 확보된 매우 낮은 변형률에 대한 유동응력 곡선을 외삽(extrapolation)하여 활용 할 수 있는데, 실제 고변형률 영역에서의 정도를 보장할 수 없다는 한계가 있다.
기존의 제안된 고변형률 영역의 유동응력 획득 방법을 보면 하기와 같다.
먼저, Pre-strain이 가해진 시편을 이용하여 인장 또는 압축시험을 통해 고변형률 영역의 유동응력 획득 방안은 Nadai [1931], Orowan[1943], Watts[1955] : plane strain upsetting (ε > 2.0) 를 들 수 있지만, large friction force 으로 인하여 overestimated flow stress 를 일으킨다는 문제가 있게 된다.
다음으로, 다단 패스 인발로 확보된 각 패스별 와이어에 대한 인장시험을 통해 고변형률 영역의 유동응력 확보 방안은 Lee [2010, 2012] : application of multi-pass wire-drawing process for pre-strained specimens (ε ≥ 2.5)를 들 수 있다.
한편, Hering, Kolpak, Tekkaya [Int J Mater Form, 2019] : Flow curves up to high strains considering load reversal and damage, International Journal of Material Forming (2019) 12:955-972. 상에서는 전방압출을 통해 strain을 축적시킨 후 인장 및 압축시험용 시편을 가공한 후 인장/압축 시험 실시한다는 내용 및 압출비에 따란 축적되는 pre-strain의 값을 조절한다는 내용을 기술한다.
한편, Hering, Kolpak, Tekkaya [Int J Mater Form, 2019] : Flow curves up to high strains considering load reversal and damage, International Journal of Material Forming (2019) 12:955-972. 상에서는 Pre-strain 축적을 위한 공정 후 변형률 분포가 균일하지 못하여 균일한 pre-strain 구현이 불가능하다는 내용,인장 내지 압축 시편 가공 시에 잔류응력 영향 및 변형률 변화 발생이 이루어진다는 점 및 Pre-strain 축적을 위한 공정(압출, 인발, 압연 등)과 인장 또는 압축 시험의 변형 모드에 따른 바우싱거 효과(Bauschinger's effect) 발생 시에 정확한 유동응력 선도 확보가 곤란하다는 내용이 있게 된다.
인장시험을 통해 변형률을 계산하는 방안, 압입 강도비를 통해 응력 곡선을 예측하는 방안 및 압입 시험의 변수를 이용하여 인장 강도를 산출하는 내용을 담고 있는 종래의 문헌으로는, 한국등록특허 제10-0948035호 및 한국등록특허 제10-0517857호를 참조할 수 있다.
(특허문헌 1) KR10-0948035 B
(특허문헌 2) KR10-0517857 B
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 압축시험을 통해 위치별로 다양한 pre-strain이 부가된 시편에 대하여 각 pre-strain 위치에 압입시험을 실시함으로써 다양한 pre-strain이 고려된 유동응력 선도들을 평가한 후에 pre-strain이 고려된 다양한 유동응력 선도를 동시에 고려하여 고변형률의 유동응력 선도를 확보하는 방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법은, 유한요소해석(FE analysis)과 연계한 변형률 분포 평가를 거쳐 시편 상에서의 각 위치별 변형률 분포 평가를 통해 Pre-strain을 파악하는 단계; 단순 압축(upsetting) 시험을 통한 pre-strain을 부여하는 단계; 변형률 위치별 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가하는 단계; 및 다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보하는 단계;를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 시편의 각 위치별 변형률 분포 평가를 통한 Pre-strain 파악 단계 전에, 상기 시편에 대한 압입 시험을 통해 Pre-strain이 0 인 경우의 유동응력 선도를 확보하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은 유한요소해석(FE analysis)과 연계하여 변형률 분포 평가를 통해 각 위치별 변형률을 파악하여 Pre-strain을 파악한 상태에서 단순 압축(upsetting) 시험을 통하여 시편 상에 pre-strain 을 부여하고, 상기 pre-strain이 부여된 압축 시편 상에 변형률 위치별 계장화 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가한 상태에서, 고변형률 영역의 유동응력을 확보함으로써 다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보한다.
즉, 본 발명은 기존에 행해지는 단순 압축 시험과 계장화 압입 시험을 이용한 방법 간의 조합을 통한 고변형률 영역의 유효응력 대 유효변형률 관계를 도출하게 한다.
한편, 본 발명은 획득한 유동응력 선도를 적용하여 다양한 냉간 금속성형공정 해석에의 활용을 가능하게 한다.
도 1은 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법을 이루는 일련의 과정을 보인다.
도 2는 초기 소재에 대한 압입시험을 통해 초기 소재의 유동응력 선도를 확보하는 것을 보인다.
도 3은 압축시험 유한요소해석을 통해 위치별 pre-strain 평가를 하는 것을 보인다.
도 4는 도 3의 해석조건과 동일하게 압축시험을 실시한 것을 보인다.
도 5는 압축시험 시편에 대하여 다양한 pre-strain 위치별 압입시험을 통한 유동응력 평가를 실시한 것을 보인다.
도 6은 예시적으로 Al 6110에 대한 압입 시험 실시 위치를 나타낸다.
도 7은 각 위치별 측정된 유동응력 선도를 보인다.
도 8은 각 pre-strain별 유동응력 선도를 하나의 응력-변형률 선도에 도시한 상태를 보인다.
도 9는 응력-변형률 선도들의 연결점(connection point)들을 연결하여 대변형률까지의 유동응력 선도를 보인다.
도 10은 최종 고변형률 유동응력 선도를 보인다.
도 11은 초기 유동응력곡선 대비 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 간의 차이를 보인다.
도 12는 획득한 유동응력 선도를 이용하여 금속 성형 공정을 해석하는 것을 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 초기 소재에 대한 압입 시험을 통해 Pre-strain이 0 인 경우의 유동응력 선도를 확보하게 되는데, 하기의 Hollomon의 구성방정식을 통해 도출한다.
Hollomon equation
Figure 112020097642352-pat00006
K : 강도계수, n : 가공경화지수
다음으로는, 도 3을 참조하면 확보된 초기 소재의 유동응력 선도를 입력 데이터로 하여 원기둥 형태의 초기 소재에 대한 압축시험 유한요소해석을 수행한다.
즉, 유한요소해석(FE analysis)과 연계한 변형률 분포 평가를 거쳐 각 위치별 변형률 분포 평가를 통해 Pre-strain을 파악한다.
상기의 압축시험 유한요소해석을 통해 압축된 시편의 각 위치별 변형률(pre-strain)을 평가한다. 압축 시험 유한요소해석은 예를 들어 Al 6110 을 채용한다.
도 4를 참조하면 도 3에서의 압축시험의 유한요소해석과 동일하게 Pre-strain이 가해진 압축시편을 확보한다. 단순 압축(upsetting) 시험을 통한 pre-strain을 부여한다. 예를 들어, 초기 시편 사이즈는 직경 ㅧ 높이 = 20.0 mm ㅧ 25.0 mm dlaum 압축 후 높이는 12.00 mm일 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 압축시험 시편에 대하여 다양한 pre-strain 위치별로 압입 시험을 통한 유동응력을 평가한다. 즉, 변형률 위치별 계장화 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가한다. 상기에서, Pre-strain 별 위치는 유한요소해석 결과를 토대로 설정한다. 도 5의 상부 도면은 압입 시험 실시 위치를 보이고, 도 5의 하부 도면은 위치별 Pre-strain 값을 보인다.
도 6은 예시적으로 Al 6110에 대한 압입 시험 실시 위치를 나타낸다.
도 7은 압축시편 상에서 각 위치별로 측정된 유동응력 선도를 보인다.
예시적으로, Al 6110을 기준으로 Pre-strain ε1 내지 ε5에서의 유동응력은 다음과 같다.
Figure 112020097642352-pat00007
Figure 112020097642352-pat00008
Figure 112020097642352-pat00009
,
Figure 112020097642352-pat00010
Figure 112020097642352-pat00011
도 8 내지 도 9를 참조하면, 도 8은 도 7의 선도에서 확보된 각 pre-strain별 유동응력 선도를 하나의 응력-변형률 선도에 도시하고, 도 9는 상기 도시된 응력-변형률 선도들의 연결점(connection point)들을 연결하여 대변형률까지의 유동응력 선도를 도출한다. 즉, 다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보한다.
도 10을 참조하면, 제안된 방법을 적용하여 도출된 최종 고변형률 유동응력 선도를 보인다.
즉, 초기 소재 유동응력선도의 경우 변형률이 약 0.09까지만 도출이 가능하지만, 다양한 값의 pre-strain이 부가된 압입시험편과 압입시험을 통해 유동응력을 구할 경우 약 1.0 이상(초기 소재 인장시험 대비 10배 이상)의 대변형률까지의 유동응력 선도 확보가 가능하다.
압축 시험 시 압축율을 높일 경우 보다 높은 pre-strain 부가가 가능하기 때문에 보다 더 높은 변형률 영역의 유동응력 선도 확보가 가능하다.
한편, 도 11을 참조하면 획득한 유동응력 선도를 이용하여 금속 성형 공정을 해석한다.
상기와 같이, 본 발명은 유한요소해석(FE analysis)과 연계하여 변형률 분포 평가를 통해 각 위치별 변형률을 파악하여 Pre-strain을 파악한 상태에서 단순 압축(upsetting) 시험을 통한 pre-strain 을 부여하고, 변형률 위치별 계장화 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가한 상태에서, 고변형률 영역의 유동응력을 확보함으로써 다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 시편에 대한 압입 시험을 통해 Pre-strain이 0 인 경우의 유동응력 선도를 수식
    Figure 112021129479818-pat00024
    ( K : 강도계수, n : 가공경화지수)을 통해 확보하는 단계;
    유한요소해석(FE analysis)과 연계한 변형률 분포 평가를 거쳐 시편 상에서의 각 위치별 변형률 분포 평가를 통해 Pre-strain을 파악하는 단계;
    단순 압축(upsetting) 시험을 통한 pre-strain을 부여하는 단계;
    변형률 위치별 압입시험 실시를 통해 Pre-strain 위치별 유동응력을 평가하는 단계; 및
    다양한 pre-strain 위치별로 확보된 유동응력을 이용하여 고변형률 영역의 유동응력을 확보하는 단계;를 포함하는,
    Pre-strain 위치별 유동응력을 평가 단계 상에서 Pre-strain 별 위치는 유한요소해석 결과를 토대로 설정하고,
    압축 시험과 압입 시험을 이용한 고변형률 영역의 유동응력곡선 평가 방법.
  2. 삭제
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