KR20200134592A - 소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 국제 표준 이축신장 성형성 평가법에 비해 현저히 크기가 작은 소형시편으로도 경제적이고, 신뢰성 있게 이축신장 성형성을 측정할 수 있는 방법론에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은 ISO 20482 국제 표준 규격보다 작은 크기의 축소 시험편 및 에릭슨 시험(Erichsen test)을 위한 평가 금형의 치수를 결정하는 단계, 상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정된 치수의 축소 시험편 및 ISO 20482 국제 표준 규격에 의한 표준 시험편에 대해 에릭슨 시험을 수행하는 단계 및 상기 에릭슨 시험을 수행한 축소 시험편의 이축신장 성형성(Biaxial-stretchability)을 평가하는 단계를 포함하여 평가한다.
따라서 본 발명은 한 규격에 국한된 것이 아닌 다양한 규격의 이축신장 성형성 평가법에서의 신뢰성을 확보하는 방법론을 제공함으로써, 평가 당사자의 수요에 따라 시험편의 형상 및 크기의 자유도를 높일 수 있는 이점을 지닌다.

Description

소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법{A METHOD OF EVALUATING BIAXIAL-STRETCH FORMABILITY OF METALLIC SHEETS WITH A SMALL-SCALE SPECIMEN}
본 발명은 판상 금속소재의 이축신장 성형성을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 국제 표준 규격에 비해 현저히 작은 소형 금속판재를 이용하여 그 성형성을 평가하는 방법에 관한 것이다.
구조재료로써의 활용도가 가장 높은 금속소재의 경우, 자동차 및 항공기 부품, 교량, 무기체계 등 각 산업에서의 효율적인 소재활용을 위해 금속소재의 성형성관련 연구는 필수적이다. 이와 더불어, 최근 환경 및 안전규제 강화에 따라 금속소재의 초고강도 강종개발 및 기존 개발강재에 대한 초고강도화 공정 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추이이다.
그러나 상기와 같이 개발단계에서 제작된 금속소재의 경우 대량생산보다는 연구 효율을 위해 우선적으로 소규모 시편제작을 통한 기계적 물성 및 미세조직 검증에 대한 기초연구가 수행되고 있다.
또한, 종래의 개발강재에 대한 결정립 미세화를 통해 초미세립 금속소재를 제작할 수 있는 강소성가공법(Severe plastic deformation, SPD)의 경우, 금속소재에 아주 강한 정수압 및 전단변형을 가하기 때문에 제작할 수 있는 시편크기가 상당히 한정적이다.
그럼에도 불구하고, 성형성 지표 중 가장 범적으로 평가되는 이축신장성(Biaxial-stretchability)의 경우 ISO 20482 국제 표준 에릭슨 평가법에 따라, 최소 90 mm 이상의 직경을 지닌 시험편에 대해서만 이축신장 성형성 평가가 가능하다. 즉, 다른 기계적 물성 평가법에 비해 과도하게 큰 규모의 시험편을 요하기 때문에, 상기 언급된 개발강종 및 강소성공정을 통해 제작된 초미세립 금속소재에 대한 이축신장 성형성 평가가 불가하다. 그러므로 개발강종의 성형성 관련 재료결함이 초기 개발단계가 아닌 실제 산업적용 및 대량생산 단계에서 발견 및 그 문제가 대두되어, 이에 따른 2차 경제손실액이 발생하는 문제를 겪고 있다.
또한, 소형시편에 대한 이축신장 성형성을 평가하고자, 소수의 연구에서 소형 에릭슨 금형제작을 통해 평가를 수행한 바 있다. 하지만, 해당 연구들의 경우 이축신장 변형 시 소재가 겪는 응력상태, 변형률, 그리고 균열 및 변형부 형상에 대해 ISO 20482 국제 표준 에릭슨 평가법과의 상호 비교없이 평가를 진행되고, 또한, 국제 표준 규격과의 비교 기준이 명확하지 않아 해당 연구들에서 평가된 이축신장 성형성은 그 신뢰성이 상당히 결여된다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
ISO 20482:2013, Metallic materials-sheet and strip-Erichsen cupping test, International Organization for Standardization, http://www.iso.org (2013). Y. Bai, T. Wierzbicki, Application of extended MohrCoulomb criterion to ductile fracture, Int. J. Fracture 161 1-20 (2010). O. Saray, G. Purcek, I. Karaman, H.J. Maier, Formability of ultrafine-grained interstitial-free steels, Metall. Mater. Trans. A 44 4194-4206 (2013).
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 국제 표준 규격에 비해 현저히 작은 소형 금속판재에 대해 경제적이면서도 신뢰성 있게 이축신장 성형성을 평가할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법은, ISO 20482 국제 표준 규격보다 작은 크기의 축소 시험편 및 에릭슨 시험(Erichsen test)을 위한 평가 금형의 치수를 결정하는 단계, 상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정된 치수의 축소 시험편 및 ISO 20482 국제 표준 규격에 의한 표준 시험편에 대해 에릭슨 시험을 수행하는 단계 및 상기 에릭슨 시험을 수행한 축소 시험편의 이축신장 성형성(Biaxial-stretchability)을 평가하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편을 유사요소해석을 통해 전산모사하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 직경을 상기 평가 금형의 상부 금형 및 하부 금형의 고정하중에 의해 상기 축소 시험편이 미끄럼없이 고정될 수 있는 최소 직경 이상으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 고정 금형의 내경을 상기 평가 금형의 구상펀치의 직경 대비 1.3~2배로 결정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 구상펀치의 직경을 상기 축소 시험편 직경의 1/4 이하로 결정할 수 있다.
또는, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 두께를 평가 대상 재료의 평균결정립 크기의 10배 이상으로 결정할 수 있다.
나아가, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 두께를 상기 평가 금형의 상부 금형의 내경 반지름과 상기 평가 금형의 구상펀치의 반지름 간 차이 미만으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
결과적으로, 상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정되는 상기 축소 시험편의 두께는 0.2~0.5mm일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편 및 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 전산모사에 의한 표준변형거동을 분석하여 상기 표준 시험편의 표준변형거동 결과와 비교하여 검증하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표준변형거동은 등가 소성 변형률 및 응력삼축비를 포함하고, 상기 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 응력삼축비가 0.5~0.7일 때 상기 축소 시험편의 치수가 유효한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계는 상기 축소 시험편의 한계 돔 높이 또는 에릭슨 지수로 평가하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계는 상기 축소 시험편 및 상기 표준 시험편의 한계 돔 높이 또는 에릭슨 지수를 상기 축소 시험편 및 상기 표준 시험편의 초기 두께로 정규화하여 비교 평가할 수 있다.
그리고, 상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계 이전에 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 표준 시험편과 상기 축소 시험편의 균열 발생위치 및 변형부 형상의 비교를 통해 신뢰성을 검증하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수가 상기 표준 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수의 0.9~1.1배인 경우에 신뢰성이 있는 것으로 평가할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법은, ISO 20482 국제 표준 규격보다 작은 크기의 축소 시험편 및 에릭슨 시험(Erichsen test)을 위한 평가 금형의 치수를 결정하는 단계, 상기 축소 시험편 및 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계, 상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정된 치수의 축소 시험편 및 ISO 20482 국제 표준 규격에 의한 표준 시험편에 대해 에릭슨 시험을 수행하는 단계, 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계 및 상기 에릭슨 시험을 수행한 축소 시험편의 이축신장 성형성(Biaxial-stretchability)을 평가하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편을 유사요소해석을 통해 전산모사하여 수행하고, 상기 축소 시험편의 두께를 평가 대상 재료의 평균결정립 크기의 10배 이상으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 전산모사에 의한 표준변형거동을 분석하여 상기 표준 시험편의 표준변형거동 결과와 비교하여 검증하는 것을 특징으로 하고, 상기 표준변형거동은 등가 소성 변형률 및 응력삼축비를 포함하며, 상기 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 응력삼축비가 0.5~0.7일 때 상기 축소 시험편의 치수가 유효한 것으로 판단할 수 있다.
나아가, 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수가 상기 표준 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수의 0.9~1.1배인 경우에 신뢰성이 있는 것으로 평가할 수 있다.
본 발명에서 서술되는 축소 시험편을 이용한 이축신장 성형성 평가법의 경우, 국제 표준 규격의 평가법에 비해 현저히 작은 크기의 소재로도 판상 금속재료의 이축신장 성형성을 신뢰성 있게 평가할 수 있다.
또한 본 발명은 금속소재 개발단계에서 제작된 소규모 시험편에 대한 적용이 가능하여, 연구 초기단계부터 타 기계적 물성과 성형성간의 종합적인 상관관계 규명을 가능케 한다. 따라서 개발강종의 향후 대량생산 및 부품적용 단계에서 발생할 수 있는 이축신장 성형성관련 재료결함 및 2차적인 경제적 손실을 방지한다.
무엇보다도, 본 발명은 한 규격에 국한된 것이 아닌 다양한 규격의 이축신장 성형성 평가법에 대해 신뢰성을 확보할 수 있는 방법론을 제공함으로써, 평가 당사자의 수요에 따라 시험편의 형상 및 크기의 자유도를 높일 수 있다는 이점을 지닌다.
그에 따라 본 발명은 제작가능한 시편 크기의 제약이 있는 강소성공정을 통해 제작된 초미세립 금속소재에 대해 이축신장 성형성관련 연구를 가능케 함으로써, 기존의 한정적이었던 초미세립 금속소재의 성형성관련 연구범위를 확장시킬 수 있다.
도 1은 ISO 20482 국제 표준 규격에 따라 에릭슨 시험을 통해 판상 금속재료의 이축신장 성형성을 평가하는 금형 및 시편에 대한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 축소 시험편의 에릭슨 시험을 통해 소형 판상 금속재료의 이축신장 성형성을 평가하는 금형 및 시편에 대한 예시도이다.
도 3은 유한요소해석을 통해 표준 시험편(a)과 본 발명에 의한 축소 시험편(b)의 에릭슨 시험 시 재료에 유발되는 등가 소성 변형률 및 응력삼축비를 분석한 예시도이다(PEEQ: 등가 소성 변형률, TRIAX: 응력삼축비).
도 4는 유한요소해석을 통해 에릭슨 시험 시, 표준 시험편(a)과 본 발명에 의한 축소 시험편(b)의 구상펀치 스트로크에 따른 판상 금속소재의 두께방향 등가 소성 변형률 및 응력삼축비 변화를 해석한 것이다.
도 5는 ISO 20482 국제 표준 규격에 따라 표준 시험편의 에릭슨 시험 후 시험편 표면에 발생한 균열 및 변형부 형상을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명에 의한 축소 시험편의 에릭슨 시험 후 시험편 표면에 발생한 균열 및 변형부 형상을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 초기 탄탈륨 소재와 고압비틀림 공정을 통해 제작된 초미세립 탄탈륨소재의 미세조직사진과, 본 재료에 대해 축소형 에릭슨 시험을 시행한 구상펀치 스트로크에 따른 하중 곡선이다.
아래 첨부된 도면들은 본 발명에 대한 바람직한 실시 예 중 하나로서, 소형 시편으로 신뢰성 있게 판상 금속소재의 이축신장 성형성을 측정하는 방법에 관한 것이다. 그러나 본 발명은 첨부된 도면 및 세부적인 수치에 국한된 것이 아닌, ISO 20482 국제 표준 규격과 상이한 규격의 판상 금속소재에 대해 이축신장 성형성 평가의 신뢰성을 확보할 수 있는 방법론에 관한 것이다. 그러므로 해당 분야의 평가 당사자의 선호되는 규격에 따라 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경할 수 있음을 명시한다.
도 1은 ISO 20482 국제 표준 규격에 명시된 바와 같이, 판상 금속재료에 대한 이축신장 성형성을 평가하기 위해, 종래에 이용되고 있는 표준 시험편 및 에릭슨 금형에 대한 예시도이다. 종래의 규격에 따라, 이축신장 성형성 평가를 위해 사용된 판상 금속소재는 최소 90 mm 이상의 직경을 가지는 상당한 규모를 요한다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예로서, 직경 10 mm의 축소 원형 시험편을 이용해 이축신장 성형성을 평가할 수 있는 에릭슨 금형에 대한 예시도이다. 본 실시예의 경우, 도 1의 표준 시험편 직경에 비해 축소 시험편의 직경은 약 1/9로 현저히 작은 크기의 소재를 이용해 경제적으로 이축신장 성형성 평가를 수행하였다. 또한, 아래에 서술된 유한요소해석 단계 및 실험적 검증 단계를 거쳐 이축신장 성형성 평가의 신뢰도를 확보하였다.
유한요소해석 단계
유한요소해석 단계의 경우, 도 1의 ISO 20482 국제 표준 규격을 따른 표준 시험편과 도 2의 본 발명에 의한 축소 시험편에 대한 전산모사를 병행함으로써, 축소 시험편의 치수를 예비적으로 결정하는 단계이다.
유한요소해석을 실시하기에 앞서, 대략적인 축소 시험편의 지름과 에릭슨 금형의 치수를 결정한다.
축소 시험편의 경우, 평가금형의 상부 및 하부금형에 의해 가해지는 하중 범위 하에서, 에릭슨 시험 시 금형과 시험편 간의 미끌림 없이 고정될 만큼의 충분한 직경을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 언급한 결정립 크기 효과를 배제시키기 위해 축소 시험편은 실제 이축신장 성형성을 평가할 금속소재의 평균결정립도보다 최소 10배 이상의 두께를 가지는 것이 보다 바람직하며, 상부 금형의 내경 반지름과 구상펀치의 반지름의 차보다는 그 두께가 작은 것이 바람직하다.
축소 시험편에 대한 에릭슨 금형의 경우, ISO 20482 국제 표준 규격에 명시된 수치를 기반으로 고정금형의 내경은 구상펀치의 직경 대비 1.3~2배의 범위내 로 정할 수 있다. 또한, 축소 시험편에 대해 직접적인 변형을 가하는 구상펀치의 경우, 그 직경이 축소 시험편 직경의 1/4 이내가 되도록 정하는 것이 바람직하다.
상기 사항들을 토대로, 축소 시험편과 본 시험편에 대한 이축신장 성형성을 평가할 소형 에릭슨 금형의 치수를 결정한 후, 도 1의 표준 규격 및 도 2의 축소 규격 에릭슨 시험에 대한 전산모사를 실시한다.
본 유한요소해석 단계에서는 금속소재에 유발된 변형량을 나타내는 지표인 등가 소성 변형율(Equivalent plastic strain, PEEQ)과 변형거동 양상을 나타내는 지표인 응력삼축비(Stress triaxiality, TRIAX)를 사용하여, 표준 규격 및 축소 규격에 대한 에릭슨 시험의 유사성을 상호 비교한다.
도 3은 유한요소해석을 통해 표준 시험편(a)과 본 발명에 의한 축소 시험편(b)의 에릭슨 시험 시 재료에 유발되는 변형량 및 변형거동을 분석한 예시도이다. 표준 규격 시험편의 경우, 도 3(a)와 같이 등가 소성 변형률은 돔 형상의 최상단부가 아닌 최상단부의 외각에 집중됨을 확인할 수 있고, 이는 실제 에릭슨 시험 시 시험편의 파괴 및 균열이 최상단부의 외각을 따라 발생할 수 있음을 암시한다. 또한, 돔 형상의 전 영역에 걸쳐 이상적인 이축신장 변형거동을 의미하는 약 0.667에 가까운 응력삼축비가 발생하는 것이 확인되었다. 축소 시험편에 대한 결과인 도 3(b) 역시 등가 소성 변형률 크기와 분포, 그리고 응력 삼축비 크기와 분포가 상기 도 3(a)의 표준 시험편 결과와 우수한 유사성을 보임이 확인되었다.
도 4는 에릭슨 시험 시, 표준 시험편(a)과 본 발명에 의한 축소 시험편(b)의 유효 등가 변형율이 집중된 위치에서, 구상펀치의 스트로크에 따른 변형량 및 변형거동 양상을 해석한 것이다. 판상 금속소재의 Inner, Middle, Outer, 즉 두께 위치에 따라 개별적인 변형량 및 변형거동 분석을 수행한다. "Inner"는 시험편이 구상펀치와 맞닿는 영역을 의미하고, "Middle" 은 시험편의 두께 중심을 의미하며, "Outer"는 "Inner"의 반대편으로 시험편이 자유표면(공기 중)과 맞닿는 영역을 의미한다.
도 4(a)의 표준 시험편의 에릭슨 시험 시, 판상 금속소재가 구상펀치와 접촉하며 돔 형상을 이루기 시작할 때, Inner, Middle, Outer 부의 응력삼축비는 급증한다. 그 후, 정상상태(Steady-state)에 도달하여 약 0.5~0.7 범위의 응력삼축비를 보이고, 이상적인 이축신장 거동을 의미하는 0.667의 응력삼축비로 서서히 수렴함이 확인되었다.
이에 따라, 축소 시험편의 에릭슨 시험 시, Inner, Middle, Outer 각 영역에서의 유효 소성 변형률의 수준이 표준 시험편 결과와 유사하고, 또한 상기 서술한 바와 같이 축소 시험편에 발생한 응력삼축비가 정상상태에서 약 0.5~0.7의 범위 내에 존재하고 서서히 0.667로 수렴할 경우, 표준 시험편의 에릭슨 시 변형거동과 유사하다고 판단할 수 있다.
본 실시예에서는 도 3(b) 및 도 4(b)에서 확인된 바와 같이 축소 시험편의 두께가 0.2 mm일 경우, 도 3(a) 및 도 4(a)의 표준 시험편에 대한 에릭슨 시험의 변형거동과 가장 우수한 합치성을 보였고, 상기 언급한 기준을 토대로 축소 시험편의 두께에 따른 유한요소해석을 진행한 결과, 0.2 mm ~ 0.5 mm의 두께 범위 내에서 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험을 수행할 시 표준 규격 에릭슨 시험의 변형거동과 유사하다고 판단한다.
이상의 결과를 반영하여, 예시 시험에서 저탄소함량 개발강재의 평균결정립도(평균 결정립도는 5 ㎛ 이내)와 평가 장치의 측정가능 하중범위를 고려하여, 표준 규격의 변형거동과 가장 우수한 유사성을 보이는 0.2 mm로 축소 시험편의 두께를 정할 수 있다.
만약, 본 유한요소해석 단계에서 축소 시험편의 등가 소성 변형율 분포 및 응력삼축비의 경향성이 표준 시험편의 변형거동과 유사하지 않을 경우, 해당 축소 시편의 두께, 구상펀치의 직경 대비 상부금형의 내경 비율을 수정함으로써 표준 시험편의 변형 거동과 유사할 때까지 본 변형거동 분석단계를 반복함이 바람직하다.
실험적 검증 단계
본 실험적 검증 단계는 표준 규격 시험편과 상기 진술된 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험 시, 판상 금속재료에 발생한 균열의 위치 및 변형부 형상을 비교분석함으로써, 유한요소해석 단계에서 확정된 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험의 실험적 신뢰성을 검증하는 단계이다.
본 실시예에서는 도 1 및 도 2에 나타낸 표준 규격 시험편과 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험 금형을 이용해, 2가지 개발강종인 저탄소강재에 대해 에릭슨 시험을 수행한다.
구체적인 실험 사항으로서, 표준 규격의 에릭슨 시험은 에릭슨 유압 만능 성형시험기(모델명 145-60, 에릭슨사, 독일)를 사용하여, ISO 20482 기준에 따라 90 x 90 mm 정사각 시편에 대해 10 kN의 고정하중을 가한 후, 구상펀치의 속도를 10 mm/min 으로 지정하여 시험을 수행하였다. 반면, 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험은 만능시험기 (모델명 RB-302, R&B사, 한국)을 사용하여, 시험편과 금형간의 미끌림을 방지할 만큼의 충분한 고정하중을 제공한 후, 구상펀치의 속도를 1 mm/min로 지정하여 시험을 수행하였다. 판상 금속소재에 대해 건전한 이축신장 변형거동을 유발시키기 위해, 상기 두 에릭슨 시험 시 우지(Tallow)를 구상펀치에 도포하여 마찰력을 최소화하였다.
본 실험적 검증단계에서는, 축소 시험편의 경우, 에릭슨 시험이 완료된 후 주사전자현미경을 이용하여, 표준 시험편 결과와 유사한 결함형상 및 변형분포를 가지는지 비교하였다.
도 5와 도 6은 각각 표준 시험편, 축소 시험편에 대해 에릭슨 시험을 진행한 후 각 시험편에 발생한 결함형상 및 변형분포를 분석한 자료이다. 도 5의 표준 시험편의 경우, 변형부 영역은 Region 1, Region 2, Region 3으로 총 3가지 영역으로 구분된다. Region 3은 판상 금속재료가 구상펀치에 직접적으로 접촉하지 않고 간접적으로 상부금형의 내부로 밀려올라가는 부분으로, 그 지름은 도 1에 표시한 상부금형의 내경과 같다. Region 2는 판상 금속재료가 구상펀치와 직접적으로 맞닿아 변형이 유발된 부분으로, 그 지름은 도 1에 표시한 구상펀치의 지름과 같다. 마지막으로 Region 1은 에릭슨 시험 후반부에 변형량이 집중되어 판상 금속소재에 네킹 및 균열이 발생하면서 구분되어지는 원형 영역이다. 도 6의 축소 시험편의 경우에도, 상기 진술한 바와 같이 표준 시험편에서 발생한 3가지 변형영역이 발생하였다. 결과적으로, 도 5와 도 6의 각 변형부 영역의 지름을 정리한 자료는 아래 표 1과 같다.
시험편 명 Region 1 지름 Region 2 지름 Region 3 지름
표준 시험편 13.158mm ~20mm ~27mm
축소 시험편 1.436mm ~2.4mm ~3.8mm
도 5 및 도 6과 상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 구상펀치가 직접 접촉하는 Region 2의 지름 대비 네킹 및 균열에 의해 구분된 Region 1 의 지름 비율((Region 1 지름/Region 2 지름)*100)은 표준 시험편과 축소시험편에서 각각 65.7%, 59.8%로 5% 내외의 차이를 보였다. 즉, 구상펀치가 접촉하는 영역에서 재료의 네킹 및 균열이 발생하는 위치가 표준 시험편 및 축소 시험편에서 서로 유사함을 확인할 수 있다. 또한, 도 5와 도 6의 결과, 표준 시험편과 축소 시험편에서 발생한 균열의 방향 역시 두 시험편 모두 RD 방향으로 발생한 것이 확인되었다. 따라서 본 발명의 실시예인 도 2의 규격을 가진 축소 시험편에 대한 에릭슨 시험은 기존 표준 규격 평가법과 유사한 결함형상 및 변형부 분포를 가짐을 실험적으로 검증할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 2가지 개발단계의 저탄소강종에 대해 표준 및 축소형 시험편에 대한 에릭슨 시험을 수행하였고, 각 강종의 이축신장 성형성의 대표적인 지표인 에릭슨 지수는 표 2와 같다.
재종 축소 시험편 에릭슨 지수
(초기두께 대비 에릭슨 지수)		 표준 시험편 에릭슨 지수
(초기두께 대비 에릭슨 지수)
LC steel 1 1.621 ± 0.010mm
(8.105 ± 0.049mm)		 9.950 ± 0.040mm
(8.292 ± 0.033mm)
LC steel 2 1.661 ± 0.107mm
(8.307 ± 0.537mm)		 10.120 ± 0.030mm
(8.433 ± 0.025mm)
표 2의 초기두께 대비 에릭슨 지수는 상기에 언급한 바와 같이 각 시험편의 에릭슨 지수를 에릭슨 시험 전 초기 시험편 두께로 나눈 값으로, 서로 다른 규격을 가진 판상 금속재료의 이축신장 성형성을 비교할 수 있는 지표로 활용되었다. 축소 시험편의 초기두께 대비 에릭슨 지수가 표준 시험편의 초기두께 대비 에릭슨 지수의 0.9배~1.1배인 오차범위 내에 있다면 신뢰성이 있다고 판단한다. 결과적으로, 표준 시험편과 축소 시험편의 초기두께 대비 이축신장 성형성이 서로 유사함을 확인하였다.
이상의 과정으로 통해, 표준 시험편에 비해 현저히 작은 규격을 지닌 시험편에 대해 이축신장 성형성을 신뢰성 있게 평가할 수 있는 방법론이 실험적으로 검증되었으며, 이를 통해 판재의 대량생산 및 대형크기로의 생산이 어려운 연구개발 단계의 강재에 대해서도 경제적이면서도 신뢰성 있게 이축신장 성형성을 분석할 수 있음을 확인하였다.
초미세립 금속소재에 대한 이축신장 성형성 평가
상기에 기술한 유한요소해석 단계, 실험적 검증 단계를 통해 검증된 축소 시험편 및 소형 에릭슨 금형을 이용하여, 동일 규격 하에서 상이한 재질의 판상 금속재료에 대해 이축신장 성형성 비교가 가능하다. 그에 대한 한 가지 실시예로서, 제작 가능한 시험편 크기의 제약이 있는 강소성공정을 통해 제작된 초미세립 금속소재에 대해 해당 발명을 적용하였다. 본 실시예는 약 30.4 ㎛의 평균 결정립도를 가진 순 탄탈륨 소재에 대해 고압비틀림 공정을 수행하여, 약 237 nm 의 평균 결정립도를 지닌 초미세립 탄탈륨 소재에 대해 소형 에릭슨 시험을 적용한 것이다. 초기 탄탈륨 소재의 평균결정립도를 고려하여, 해당 실시예에서는 축소 시험편의 두께를 0.35 mm 로 지정하였다.
도 7은 고압비틀림 전, 후의 탄탈륨 소재의 미세조직과 각 재료에 대해 축소형 에릭슨 시험 시 펀치 스트로크대비 하중곡선을 나타낸 예시도이다. 해당 실시예를 통해 평가된 각 소재의 이축신장 성형성관련 정보는 아래의 표 3과 같다.
재종 에릭슨 지수 최대 하중값
Initial Ta 1.891 ± 0.012mm 1.185 ± 0.077kN
HPTed Ta 0.784 ± 0.078mm 1.085 ± 0.044kN
그 결과, 이축신장 성형성을 나타내는 에릭슨 지수를 통해 초미세립 탄탈륨 소재(HPTed Ta)의 이축신장 성형성은 초기 탄탈륨 소재(Initial Ta)에 비해 저조하나, 펀치 스트로크 대비 하중 곡선을 통해 초미세립 탄탈륨 소재는 초기 탄탈륨 소재에 비해 동일한 변형이 유발되기까지 필요한 외력이 훨씬 높음을 확인할 수 있다.
본 실시예와 같이, 본 발명은 도 1의 ISO 20482 국제 표준규격으로는 평가할 수 없었던 소규모로 제작된 초미세립 금속소재에 대한 이축신장 성형성 평가를 가능케 하고, 상기 기술한 유한요소해석 단계, 실험적 검증 단계를 통해 본 이축신장 성형성 평가의 신뢰성을 확보할 수 있다. 따라서 본 발명은 제작 가능한 시편크기의 제약이 있는 연구분야에 대해 평가 당사자의 선호에 따라 시편형상 및 크기의 자유도를 크게 향상시키고 해당 규격에 대해 신뢰성을 확보할 수 있다는 이점을 지닌다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. ISO 20482 국제 표준 규격보다 작은 크기의 축소 시험편 및 에릭슨 시험(Erichsen test)을 위한 평가 금형의 치수를 결정하는 단계;
    상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정된 치수의 축소 시험편 및 ISO 20482 국제 표준 규격에 의한 표준 시험편에 대해 에릭슨 시험을 수행하는 단계; 및
    상기 에릭슨 시험을 수행한 축소 시험편의 이축신장 성형성(Biaxial-stretchability)을 평가하는 단계를 포함하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편을 유사요소해석을 통해 전산모사하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 직경을 상기 평가 금형의 상부 금형 및 하부 금형의 고정하중에 의해 상기 축소 시험편이 미끄럼없이 고정될 수 있는 최소 직경 이상으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 고정 금형의 내경을 상기 평가 금형의 구상펀치의 직경 대비 1.3~2배로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 구상펀치의 직경을 상기 축소 시험편 직경의 1/4 이하로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 두께를 평가 대상 재료의 평균결정립 크기의 10배 이상으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편의 두께를 상기 평가 금형의 상부 금형의 내경 반지름과 상기 평가 금형의 구상펀치의 반지름 간 차이 미만으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정되는 상기 축소 시험편의 두께는 0.2~0.5mm인 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편 및 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계를 더 포함하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 전산모사에 의한 표준변형거동을 분석하여 상기 표준 시험편의 표준변형거동 결과와 비교하여 검증하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 표준변형거동은 등가 소성 변형률 및 응력삼축비를 포함하고,
    상기 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 응력삼축비가 0.5~0.7일 때 상기 축소 시험편의 치수가 유효한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계는 상기 축소 시험편의 한계 돔 높이 또는 에릭슨 지수로 평가하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계는 상기 축소 시험편 및 상기 표준 시험편의 한계 돔 높이 또는 에릭슨 지수를 상기 축소 시험편 및 상기 표준 시험편의 초기 두께로 정규화하여 비교 평가하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 이축신장 성형성을 평가하는 단계 이전에 상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계를 더 포함하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 표준 시험편과 상기 축소 시험편의 균열 발생위치 및 변형부 형상의 비교를 통해 신뢰성을 검증하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수가 상기 표준 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수의 0.9~1.1배인 경우에 신뢰성이 있는 것으로 평가하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  17. ISO 20482 국제 표준 규격보다 작은 크기의 축소 시험편 및 에릭슨 시험(Erichsen test)을 위한 평가 금형의 치수를 결정하는 단계;
    상기 축소 시험편 및 상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계;
    상기 치수를 결정하는 단계에 의해 결정된 치수의 축소 시험편 및 ISO 20482 국제 표준 규격에 의한 표준 시험편에 대해 에릭슨 시험을 수행하는 단계;
    상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계; 및
    상기 에릭슨 시험을 수행한 축소 시험편의 이축신장 성형성(Biaxial-stretchability)을 평가하는 단계를 포함하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 치수를 결정하는 단계는 상기 축소 시험편을 유사요소해석을 통해 전산모사하여 수행하고, 상기 축소 시험편의 두께를 평가 대상 재료의 평균결정립 크기의 10배 이상으로 결정하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 평가 금형의 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 전산모사에 의한 표준변형거동을 분석하여 상기 표준 시험편의 표준변형거동 결과와 비교하여 검증하는 것을 특징으로 하고, 상기 표준변형거동은 등가 소성 변형률 및 응력삼축비를 포함하며,
    상기 치수 유효성을 검증하는 단계는 상기 응력삼축비가 0.5~0.7일 때 상기 축소 시험편의 치수가 유효한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 축소 시험편의 성형성 평가 신뢰성을 검증하는 단계는 상기 축소 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수가 상기 표준 시험편의 초기 두께 대비 에릭슨 지수의 0.9~1.1배인 경우에 신뢰성이 있는 것으로 평가하는 것을 특징으로 하는,
    소형 시편을 이용한 판상 금속소재의 이축신장 성형성 평가 방법.
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