980MPa급 자동차용 냉연강판의 Hole expansion ratio에 미치는

경량화를 위해 다양한 초고강도 강재가 사용되고 있으며 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 DP강은 물성이 우수하고 제조공정이 간단하여 널리 적용되고 있습니다.

서론

연구배경

연구목적

이론적 배경

Dual phase steel

이때 초기 마르텐사이트의 얇은 라스에서 γ의 핵생성이 일어나 미세한 섬유상 마르텐사이트가 형성된다. DP강이 변형되면 상대적으로 경도가 낮은 페라이트가 먼저 변형됩니다.

Figure 2 - 1 Schematic picture showing advanced high strength steels (shown in color) compared to low strength steels (dark grey) and traditional HS steels (grey)

Hole expansion ratio (HER)

HER 에 영향을 미치는 인자

실험방법

실험 재료
Tensile test
미세조직 분석
경도 분석
Hole expansion test 후 두께방향 관찰
Hole expansion test 모사 시험

또한, 강종별 미세조직을 이미지 분석을 통해 정량화하였다. 시료의 경도를 측정하기 위해 0.3kg의 하중을 가하여 비커스 경도를 측정하였다. 구멍 확장 시험은 만능시험기로 모사하였으며, 구멍 확장 시험 중에 발생하는 힘과 변위를 측정하여 시험을 진행하였다.

또한, 특정 응력에서 멈추고 육안 관찰을 통해 두께 방향의 이미지를 획득하여 각 샘플에 대해 테스트를 수행했습니다. 각 시편의 균열 전파 거동을 보다 자세히 조사하기 위해 노치 인장 시험을 수행했습니다. 또한, 시험 중 균열 발생 및 전파 거동을 주의 깊게 관찰하기 위해 시험 전 시편을 3% Nital 용액으로 연마하고 에칭하였다.

또한, 시험 중 일정 변위에서 정지하였고, SEM을 통해 균열이 관찰되었다. 노치 인장시험을 실시한 시편의 형상은 아래 그림 3-6과 같다.

Table 3 - 1 Tensile properties of steels

실험 결과

미세 조직
인장 물성
Nanoindentation
Hole expansion test
Hole expansion test 후 균열 형상
Hole expansion test 모사 시험
Notched tensile test

이번 SEM 이미지를 통해 DP1, DP2, CP1 3종 강종 모두 Burr가 공통적으로 나타나는 파단부 끝부분에 균열이 발생한 것을 확인하였다. Cavity확장시험이 진행됨에 따라 끝부분에서 균열이 발생하였고, Shear zone으로 진행되는 것을 확인할 수 있다. DP1과 달리 DP2와 CP1의 경우 파단면 전체에 걸쳐 전단밴드가 형성되었으며, 곳곳에 작은 균열이 많이 형성된 것도 관찰되었다.

그러나 DP2와 CP1의 경우 균열선단이 뭉툭하고 상대적으로 뭉툭한 것으로 확인되었다. 이러한 균열의 형태를 통해 균열의 형태가 달라지는 이유는 미세구조적 요인에 의한 것임을 알 수 있었다. 이 (a) 응력 수준까지는 실험체의 블라인드 에지에서 직접 변형되기보다는 실험체가 충격을 압축하기 시작하면서 전체적으로 변형이 일어나는 것으로 나타났다. b) 응력 수준은 시편 가장자리가 직접적으로 변형되기 시작하는 응력으로 평가됩니다.

이는 HER이 극히 낮은 DP1과 HER이 상대적으로 높은 DP2와 CP1의 경우 균열 발생 시간이 유사한 것으로 나타났습니다. 이러한 실험 결과를 통해 세 가지 강종 모두 블라인드 엣지가 직접 변형될 때 균열 발생, 즉 균열 발생이 일반적으로 발생하지만 결과적으로 균열 전파의 차이로 인해 서로 다른 균열 저항을 나타냄을 알 수 있었습니다. 이를 확인할 수 있으며, 응력이 집중된 페라이트를 통해 균열 전파가 매우 빠르고 빠르다는 것을 알 수 있다.

반면, DP2와 CP1의 경우 DP1에 비해 훨씬 더 긴 변위를 갖는 것으로 확인되어 균열 전파를 통한 균열 전파에 대한 저항력이 훨씬 우수함을 확인하였다.

Figure 4 - 1 Optical microscopy of steels

고찰

Crack initiation

Crack propagation

결과적으로 이러한 차이는 미세구조가 다르기 때문에 균열발생 후 균열전파거동의 차이에 따른 것으로 판단된다. 즉, 페라이트와 계면을 이루는 마르텐사이트의 비율이 훨씬 크다고 볼 수 있다. 그러나 DP2와 CP1의 경우 페라이트의 비율이 상대적으로 적고 대부분 Tempered Martensite나 Bainite로 구성되어 있어 이들 상이 Ferrite와 계면을 형성한다.

그 결과, Table 4-1의 나노압입 결과에서 알 수 있듯이, DP1의 경우 주로 계면계면을 형성하는 페라이트와 마르텐사이트 간의 경도 차이가 큰 것을 확인할 수 있었다. 경도의 차이가 비교적 작은 것을 알 수 있다. 이는 본 연구의 실험 결과를 통해 쉽게 확인할 수 있다. 또한, 이후 균열이 전파되면 변형률 집중으로 인해 약화된 페라이트를 따라 균열이 빠르게 전파되는 것이 관찰되었다.

그러나 DP2와 CP1의 경우 그림 4-14에서 변형이 페라이트에 집중되지 않고 Tempered Martensite와 Bainite에도 집중되어 있음을 확인할 수 있다. 따라서 이후 균열이 전파되면 균열은 페라이트를 따라 전파되지 않고 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트를 통해 상대적으로 천천히 전파되어 내균열성이 높다는 것을 알 수 있다.

Figure 5 - 3 Void nucleation of DP steels

파괴 거동과 Hole expansion ratio 간의 상관관계

결론

Calcagnotto, M., et al., Deformation and fracture mechanisms in fine- and ultrafine-grained ferritic/martensitic dual-phase steels and the effect of aging. Park, K., et al., Effect of the martensite distribution on the strain hardening and ductile fracture behavior in dual phase steel. Xu, Y., et al., Study of the mechanical behavior of dual-phase steel based on crystal plasticity modeling considering stress distribution.

Lai, Q., et al., Damage and fracture of dual-phase steels: Effect of martensite volume fraction. Karelova, A., et al., Hole expansion of two-phase and complex-phase AHS steels - Effect of boundary conditions. Xu, L., et al., Hole expansion of dual phase steels, in High Performance Structure and Materials VI.

Li, H., et al., Influence of tempering on the mechanical properties of dual-phase ferritic and martensite steel. Kuang, C.F., et al., Effects of quenching and tempering on the microstructure and quench-hardening behavior of ferritic and dual-phase steels.

실험 방법