KR20220146833A - 수소취성 파단 평가 예측 방법 - Google Patents

수소취성 파단 평가 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소취성 파단 평가 예측 방법으로서, 삼축응력, 로드앵글 및 수소확산계수로 정의되는 식을 이용하여 수소농도에 따른 금속판재의 파단 한계선도를 도출할 수 있다.

Description

수소취성 파단 평가 예측 방법{Method of predicting for hydrogen brittleness fracture evaluating}
본 발명은 수소취성 파단 평가 예측 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 부품의 성형이력을 고려한 수소취성 파단 평가 예측 방법에 관한 것이다.
현재 자동차 산업에서는 환경 및 연비 규제와 안전기준이 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라 초고강력강과 핫스탬핑강의 적용율이 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 초고장력강의 경우 전단가공 후 굽힘성형 또는 드로잉성형을 통하여 설계 디자인 요구사항에 적합한 형상으로 프레스성형을 이용하여 가공한다.
그러나 초고장력강의 경우 판재 성형 이후(가공 파단 미발생) 외부 환경적인(하중, 부식환경) 요인으로 인하여 취성파단 발생하는 문제점이 있다. 이러한 파단 발생을 일반적으로 초고장력강의 수소취성 파단 발생으로 정의한다. 취성파단 발생으로 조립품의 내구성능에 영향을 미칠 가능성이 높으며, 제품 제작처인 금형처나 부품 조립처에서는 성형이력을 고려한 검출 프로세스가 전무한 실정이다.
논문 Journal of Constructional Steel Research 123 (2016) 1-17에는 삼축응력과 로드앵글을 이용한 강의 연성 파괴 효과에 대한 내용이 개시되어 있으나, 판재의 성형이력을 고려한 수소취성 파단 평가를 수행하는 것은 전혀 고려되어 있지 않다. 또, 한국공개특허공보 특1988-0000158호는 강의 수소확산계수에 대한 구성이 개시되어 있으나, 판재의 성형이력을 고려한 수소취성 파단 평가법이라고 보기에는 어렵다.
한국공개특허공보 특1988-0000158호
논문 Journal of Constructional Steel Research 123 (2016) 1-17
종래에는 이와 같이, 초고장력강의 판재 성형 이후에 발생하는 수소취성에 의한 파단에 대한 평가를 수행하는 것이 어려운 문제점이 있었다. 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결학기 위한 것으로서, 부품의 성형이력을 고려한 수소취성 파단 평가 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소취성 파단 평가 예측 방법을 제공한다. 상기 예측 방법은 삼축응력(η), 로드앵글(θ) 및 수소확산계수(H)로 정의되는 하기 식 1을 이용하여 수소농도에 따른 금속판재의 파단 한계선도를 도출할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
(여기서, 상기 C1, C2, C3 및 C4는 변형 모드별 각 수소농도 계수이고, 상기
Figure pat00002
는 수소 농도 주입하에서의 x 방향 변형량(%)이며, 상기
Figure pat00003
는 수소 농도 주입하에서의 y 방향 변형량(%)이고, 상기
Figure pat00004
는 수소 농도 주입하에서의 z 방향 변형량(%)이며, 상기 CH는 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델임)
상기 수소취성 파단 평가 예측 방법에 있어서, 상기 식 1에서, 상기 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델은 하기 식 2로 정의될 수 있다.
[식 2]
Figure pat00005
(여기서, 상기 γ는 재질별 미세조직 부피분율(volume friction(%))이고, p는 온도(℃)이며, 상기 k, n, δ 및 w는 조정 파라미터(adjust parameter)이고, dt는 시험 시간(sec)이며, x는 파단면의 길이(fracture area length(mm))임)
상기 수소취성 파단 평가 예측 방법에 있어서, 상기 변형 모드별 각 수소농도 계수는 TDS 실험 데이터를 기준으로 0초과 1.2 ppm 이하일 수 있다.
상기 수소취성 파단 평가 예측 방법에 있어서, 상기 삼축응력은 초기하중과 변형률에 의해 계산된 응력으로부터 도출될 수 있다.
상기 수소취성 파단 평가 예측 방법에 있어서, 상기 수소확산계수는 소성변형 후 수소의 농도를 고려한 표준화된 수소확산계수(normalized hydrogen diffusion coefficient)를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 성형이력(응력모드-변형모드)과 수소의 영향성을 고려한 초고장력강 판재의 파단 예측이 가능하며, 종래의 성형이력이 반영되지 않았던 파단 평가법에 대하여 성형이력-수소영향성을 고려하기 때문에 자동차 부품 개발시 수소취성에 대한 정밀한 파단평가가 가능하다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법을 이용함으로써 초고장력강의 제품 개발 일정 단축 및 비용절감이 가능하다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법에 사용되는 수소취성 파단 예측 장치를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소취성 파단 예측 장치의 성형모드를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 수소취성 파단 예측 장치로 인장시험시 시편의 변형량을 측정하고 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법으로 도출한 파단한계선도 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법으로 측정한 변형모드별 수소취성 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실험예에 따른 자동차 부품의 수소 취성 파단 예측값과 실제 실험 결과를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명은 성형이력(응력모드-변형모드)과 수소의 영향성을 고려한 초고장력강 판재의 파단 예측이 가능한 수소취성 파단 평가 예측 방법에 관한 것이다. 초고장력강 판재는 성형 이후에 발생하는 수소취성에 의한 파단이 발생할 수 있으나, 종래 기술로는 이러한 파단 영향성을 평가하는 것은 사실상 어려운 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 부품의 변형량을 토대로, 자동차 부품의 성형 이력을 고려한 수소취성 파단 평가 예측 방법을 제공하고자 하였다. 이하에서, 도면을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법에 대해서 구체적으로 후술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법에 사용되는 수소취성 파단 예측 장치를 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 수소취성 파단 예측 장치의 성형모드를 개략적으로 도해하는 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 수소취성 파단 예측 장치로 인장시험시 시편의 변형량을 측정하고 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법에 사용되는 수소취성 파단 예측 장치(100)는 챔버(10), 성형이력별 변형량 측정 장치(30), 데이터 수집 장치(40) 및 출력 장치(50)를 포함할 수 있다. 각 장치에 대한 구성은 시편의 크기 등에 따라 적절한 위치에 배치될 수 있다.
시편의 수소취성 파단 특성을 평가할 경우, 먼저, 시편(20)에 일정량의 수소가 주입될 수 있도록 챔버(10) 내부에 수소가스를 주입한다. 일 예로서, 0 초과 1.0ppm 이하로 수소를 공급하여 챔버 내부를 수소환경으로 제어한다.
이후에 변형량 측정 장치(20) 내에 구비된 인장 그립부에 성형모드 시편(20)을 장착한다. 여기서, 시편(20)은 초고장력강 소재를 포함할 수 있다. 이때, 굽힘 시편의 경우 밀링가공을 통하여 사전에 준비한다.
시편(20)을 장착한 후 수소환경 아래에서 각 성형모드별 시편(20)의 인장시험을 실시함으로써, 시편(20)의 파단 변형량 측정 및 파단 임계점을 도출할 수 있다. 여기서, 상기 성형모드는 도 2에 도시된 바와 같이, (a) 전단변형(shear mode), (b) 인장변형(Uniaxial tension), (c) 평면변형(Plain strain) 및 (d) 이축인장(Biaxial)의 4가지 모드를 의미한다.
상기 인장시험은 기계식 그립(grip)을 이용하여 준정적 속도(0~10-5/sec)에서 수행한다. 인장시험시 변형량 측정 장치(30)를 이용하여 시편(20)의 인장 변형시 표점거리의 변형량을 실시간으로 측정 가능하다. 변형량 측정 장치(30)는 예를 들어, DIC(Digital Image Correlation) 기술을 이용하여 인장 시험 중 동적 변형을 측정하는 장치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 4가지 변형 모드를 구현 가능한 시편(20)에 대한 단축 인장시험시, DIC 측정을 통한 시편(20)의 파단 신율을 측정하고, 수소농도에 따른 변형량과 파단 한계선도를 도출하게 된다.
데이터 수집 장치(40)에서 변형량 측정 장치(30)를 이용하여 측정된 인장변형시 발생하는 변위와 하중 결과값을 저장하게 된다. 이후에 출력 장치(50)에서 계산된 파단 변형률과 삼축응력(stress triaxiality) 결과를 표현하고, 시편(20)의 기계적 재질과 수소 함유량에 따른 파단 한계선도를 그래프로 표현할 수 있다.
상기 계산된 파단 변형률과 삼축응력 결과 및 수소 함유량에 따른 파단 한계선도는 다음과 같은 식에 의해서 도출된다.
도 3을 참조하면, 시편의 두께를 t로 나타내고, 초기 길이를 L0로 나타냈을 경우, 인장시험시 변형하중을 F, 늘어난 길이를 L로 표현하면 초기 하중은 다음 식과 같이 표현된다.
i) S(초기하중) = F(변형하중)/A(시편면적)
또한, 변형률은 하기와 같은 식으로 계산이 가능하다.
ii)
Figure pat00006
iii)
Figure pat00007
상기 식 i 내지 iii에 의해서, 응력(σ) 및 삼축응력(η)이 도출 가능하다.
iv)
Figure pat00008
v)
Figure pat00009
상기 삼축응력은 유효응력에 대한 정수압 응력의 비로 나타내며, 응력의 방향을 표현하는 지수이다. 따라서, 삼축응력으로 변형시 발생하는 하중의 방향을 지수화 할 수 있으며, 하기 식들을 통해 변형량을 표준화된 값들로 보정할 수 있다.
vi)
Figure pat00010
vii)
Figure pat00011
viii)
Figure pat00012
(3차응력 변형(third deviatoric stress invariant; r))
ix)
Figure pat00013
(표준화된 3차응력 변형(normalized third stress invariant;ξ))
x)
Figure pat00014
(로드앵글(lode angle; θ))
식 x의 경우 로드 파라미터(Lode parameter)로서, 3차 응력 불변량의 표준화된(Normalized) 값으로 표현 가능하며, 최종적으로 변형과 수소의 함수식으로 파단 변형량을 표현할 수 있다. 즉, 소성가공시의 삼축응력(η), 로드앵글(θ) 및 소성변형 후 수소의 농도(수소확산계수 H)를 고려한 수소취성한계선도를 하기 식 1로 표현 가능하다.
[식 1]
Figure pat00015
(여기서, 상기 C1, C2, C3 및 C4는 변형 모드별 각 수소농도 계수이고, 상기
Figure pat00016
는 수소 농도 주입하에서의 x 방향 변형량(%)이며, 상기
Figure pat00017
는 수소 농도 주입하에서의 y 방향 변형량(%)이고, 상기
Figure pat00018
는 수소 농도 주입하에서의 z 방향 변형량(%)이며, 상기 CH는 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델임)
상기 식 1에서, 상기 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델은 하기 식 2로 정의된다.
[식 2]
Figure pat00019
(여기서, 상기 γ는 재질별 미세조직 부피분율(volume friction(%))이고, p는 온도(℃)이며, 상기 k, n, δ 및 w는 조정 파라미터(adjust parameter)이고, dt는 시험 시간(sec)이며, x는 파단면의 길이(fracture area length(mm))임)
상기 삼축응력은 초기하중과 변형률에 의해 계산된 응력으로부터 도출될 수 있다. 또, 상기 수소확산계수는 소성변형 후 수소의 농도를 고려한 표준화된 수소확산계수(normalized hydrogen diffusion coefficient)를 포함할 수 있다.
상기 수소확산계수는 수소량 분석 장치(TDS; Thermal Desorption Spectroscopy)를 이용하여 프레스 성형 모드별 수소 확산속도와 수소농도를 각각 측정한 값을 이용할 수 있다. 상기 변형 모드별 각 수소농도 계수는 예를 들어, TDS 실험 데이터를 기준으로 0초과 1.2 ppm 이하일 수 있다. 상기 데이터는 본 발명의 실시예에 따른 초고장력강 판재 시편에 적용되는 기준으로, 다른 재질의 시편일 경우, 상기 수소농도 값은 다르게 제어될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예 샘플은 초고장력강 판재 시편을 도 1에 도시된 수소취성 파단 예측 장치(100)로 인장시험을 실시한 후 식 1 및 식 2를 이용하여 금속판재의 파단 한계선도를 도출하였다. 이때, 인장시험시 수소의 농도는 0ppm 및 6ppm으로 제어하였다. 또, 각 변형모드에 따른 수소취성 평가 결과에 따라 예측한 데이터와 실제 수소취성 파단 실험 결과를 서로 비교해보았다.
상기 식 1 및 식 2를 이용한 수소취성 파단 평가 예측 방법으로 도출한 파단한계선도 그래프는 각 변형모드에 따라 도 4와 같이 도시된다.
도 4를 참조하면, 수소농도를 고려한 경우(수소 고려)와 고려하지 않은 경우(수소 미고려) 변형이력을 고려한 파단 한계선도 값은 차이를 보이고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또, 실제 부품의 수소농도에 따라 실측한 값들도 각 파단 한계선도 데이터와 일치하는 것을 보여주고 있다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 수소취성 파단 평가 예측 방법으로 측정한 변형모드별 수소취성 평가 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 실험예에 따른 자동차 부품의 수소 취성 파단 예측값과 실제 실험 결과를 보여주는 사진이다.
도 5를 참조하면, 수소의 유무에 따라 시편의 변형량이 다른 것을 확인할 수 있다. 도 6을 참조하면, 부품의 형상에 따라서, 성형시 수소농도에 영향을 다르게 받게 되며, 성형시 부품의 위치에 따라 변형량도 각각 다른 것을 확인할 수 있다. 도 7을 참조하면, 부품의 엣지(edge)부분에 파단이 진행된 것을 확인할 수 있으며, 이는 도 6에 예측값과 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 종래에는 자동차 부품의 다양한 응력/변형모드를 고려하지 못하는 상태에서 수소취성 평가를 진행하였다. 그 결과, 부품의 취성파단의 발생으로 인해, 조립품의 내구성에 영향을 미치게 되어 제품의 개발 일정이 장기화되고, 비용적인 측면에서도 제조사의 부담이 크게 작용했다.
반면, 본 발명에서는 자동차 부품 성형시 발생하는 전단/인장/평면변형/이축변형시의 응력-변형률을 고려하며, 더불어 수소의 영향도까지 고려할 수 있는 파단 평가 방법을 고안함으로써, 수소에 의한 부품의 파단특성이 저하되는 현상을 사전에 효율적으로 예측할 수 있게 되었다. 그로 인해, 제품의 개발 일정을 단축할 수 있고, 그에 따른 비용 절감 효과도 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 챔버
20: 시편
30: 변형량 측정 장치
40: 데이터 수집 장치
50: 출력 장치
100: 수소취성 파단 예측 장치

Claims (5)

  1. 삼축응력(η), 로드앵글(θ) 및 수소확산계수(H)로 정의되는 하기 식 1을 이용하여 수소농도에 따른 금속판재의 파단 한계선도를 도출하는,
    수소취성 파단 평가 예측 방법.
    [식 1]
    Figure pat00020

    (여기서, 상기 C1, C2, C3 및 C4는 변형 모드별 각 수소농도 계수이고, 상기
    Figure pat00021
    는 수소 농도 주입하에서의 x 방향 변형량(%)이며, 상기
    Figure pat00022
    는 수소 농도 주입하에서의 y 방향 변형량(%)이고, 상기
    Figure pat00023
    는 수소 농도 주입하에서의 z 방향 변형량(%)이며, 상기 CH는 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델임)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 식 1에서, 상기 수소주입하의 파단 변형률을 결정하기 위한 예측 모델은 하기 식 2로 정의되는,
    [식 2]
    Figure pat00024

    (여기서, 상기 γ는 재질별 미세조직 부피분율(volume friction(%))이고, p는 온도(℃)이며, 상기 k, n, δ 및 w는 조정 파라미터(adjust parameter)이고, dt는 시험 시간(sec)이며, x는 파단면의 길이(fracture area length(mm))임)
    수소취성 파단 평가 예측 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형 모드별 각 수소농도 계수는 TDS 실험 데이터를 기준으로 0초과 1.2 ppm 이하인,
    수소취성 파단 평가 예측 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼축응력은 초기하중과 변형률에 의해 계산된 응력으로부터 도출된,
    수소취성 파단 평가 예측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소확산계수는 소성변형 후 수소의 농도를 고려한 표준화된 수소확산계수(normalized hydrogen diffusion coefficient)를 포함하는,
    수소취성 파단 평가 예측 방법.
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Citations (5)

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KR880000158A (ko) 1986-06-30 1988-03-23 안갑원 엘보(elbow)의 제조방법
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Title
논문 Journal of Constructional Steel Research 123 (2016) 1-17

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