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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3115(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

스테인리스 판금의 성형성에 대한 미세 구조의 영향은 판금 산업 엔지니어의 주요 관심사입니다. 오스테나이트 강의 경우 미세 조직에 변형 유발 마르텐사이트(\({\alpha }^{^{\prime}}\)-마르텐사이트가 존재하면 상당한 경화 및 성형성이 저하됩니다. 본 연구에서는 실험 및 인공지능 방법을 통해 다양한 마르텐사이트 강도를 갖는 AISI 316 강의 성형성을 평가하는 것을 목표로 합니다. 첫 번째 단계에서는 초기 두께가 2mm인 AISI 316 등급 강철을 어닐링하고 다양한 두께로 냉간 압연합니다. 그 후, 변형 유도 마르텐사이트의 상대 면적은 금속 조직학 테스트를 사용하여 측정됩니다. 압연 시트의 성형성은 반구형 펀치 테스트를 통해 결정되어 성형 한계 선도(FLD)를 얻습니다. 실험에서 얻은 데이터는 ANFIS(인공 신경 퍼지 간섭 시스템)를 훈련하고 검증하는 데 추가로 활용되었습니다. ANFIS를 훈련시킨 후 신경망에 의해 예측된 주요 변형을 새로운 세트 실험 결과와 비교합니다. 결과는 냉간 압연이 이러한 유형의 스테인레스 강의 성형성에 불리한 영향을 미치는 반면 시트를 크게 강화한다는 것을 나타냅니다. 또한 ANFIS는 실험 측정과 비교하여 만족스러운 결과를 나타냅니다.

판금의 성형성은 수십 년 동안 연구 논문의 주제였지만 여전히 야금학의 흥미로운 연구 분야입니다. 새로운 기술 장비와 계산 모델을 사용하면 성형성에 영향을 미치는 기본 요소를 더 쉽게 찾을 수 있습니다. 가장 중요한 것은 최근 CPFEM(Crystal Plasticity Finite Element Method)을 사용하여 성형 한계에 대한 미세 구조의 중요성이 밝혀졌다는 것입니다. 반면, 주사전자현미경(SEM)과 전자 후방 산란 회절(EBSD)의 가용성은 연구자들이 변형 중에 결정 구조의 미세 구조 활동을 관찰하는 데 도움이 되었습니다. 금속의 다양한 상의 영향, 결정립 크기 및 방향, 결정립 수준의 미세한 결함에 대한 이해는 성형성을 예측하는 데 필수적입니다.

성형성은 경로 의존성이 높다는 것이 입증되었기 때문에 성형성 결정 자체는 어려운 절차입니다1,2,3. 따라서 기존의 성형 한계 변형률 표현은 비례하지 않는 하중 조건에서는 신뢰할 수 없습니다. 반면, 산업 응용 분야의 대부분의 로딩 경로는 비례하지 않는 경로로 분류됩니다. 이와 관련하여 기존의 반구 및 Marciniak-Kuczynski(M-K) 실험 방법은 주의해서 활용해야 합니다4,5,6. 최근에는 성형성 분야의 많은 엔지니어들의 또 다른 개념인 FFLD(Fracture Forming Limit Diagram)가 주목을 받고 있습니다. 이 개념에서는 손상 모델을 사용하여 시트의 성형성을 예측합니다. 이와 관련하여 경로 독립성은 분석에 본질적으로 통합되어 있으며 결과는 비비례 실험 결과와 잘 일치합니다. 판금의 성형성은 시트의 여러 매개변수와 가공 이력, 금속의 미세 구조 및 단계에 따라 달라집니다.

크기 의존성은 금속에 미세 특성을 통합하는 데 있어 문제가 됩니다. 작은 변형 공간에서 진동 및 좌굴 특성의 의존성은 재료의 길이 규모에 크게 의존하는 것으로 입증되었습니다. 28,29,30. 성형성에 대한 입자 크기의 영향은 오랫동안 업계에서 인식되어 왔습니다. 시트 금속의 신축성에 대한 입자 크기 및 두께의 영향은 Yamaguchi 및 Mellor31의 이론적 분석을 사용하여 조사되었습니다. Marciniak 모델을 사용하여 두께 대 입자 크기 비율의 감소는 이축 신장 하중 조건에서 시트의 신축성을 감소시킨다고 보고했습니다. Wilson 등의 실험 결과32는 평균 입자 직경(t/d)에 대한 두께 감소가 다양한 두께를 갖는 세 가지 서로 다른 판금의 이축 신축성을 감소시키는 것으로 확인되었습니다. 그들은 t/d 값이 20보다 작은 경우 두드러진 변형률 불균일성과 네킹이 시트 두께의 개별 입자에 의해 대부분 영향을 받는다고 결론지었습니다. Ulvan과 Koursaris는 입자 크기 오스테나이트 스테인리스강 304 및 316이 벌크 가공성에 미치는 영향을 조사했습니다. 그들은 이들 금속의 성형성은 입자 크기에 영향을 받지 않지만 인장 특성에는 약간의 변화가 나타났다고 보고했습니다. 특히, 결정립 크기의 증가는 이들 강의 강도 측정을 감소시키는 결과를 가져왔습니다. 니켈 금속의 유동 응력에 대한 전위 밀도의 영향을 조사한 결과, 입자 크기에 관계없이 금속의 유동 응력을 결정하는 것은 전위 밀도라는 것이 밝혀졌습니다34. 입자 상호 작용과 초기 방향은 실험 및 결정 소성 시뮬레이션을 사용하여 Becker 및 Panchanadeeswaran이 조사한 바와 같이 알루미늄의 질감 진화에 중요한 영향을 미칩니다. 그들의 분석 수치 결과는 일부 경계 조건 적용의 한계로 인해 실험과 잘 조화되었습니다. 시뮬레이션 결과가 실험에서 벗어남 압연 알루미늄 시트는 결정 소성 시뮬레이션 및 실험적 조사가 감지됨에 따라 서로 다른 성형성을 나타냄 서로 다른 시트의 응력-변형률 곡선은 거의 유사하지만 초기 상태를 기준으로 성형성에 상당한 차이가 있는 것으로 나타났습니다. Amelirad와 Assempour는 오스테나이트계 스테인리스 강 판금에서 성형 한계 곡선을 얻기 위해 실험 및 CPFEM을 활용했습니다. 그들의 시뮬레이션은 입자 크기의 증가가 FLD에서 한계 곡선을 형성하는 위쪽으로 이동한다는 것을 보여줍니다. 또한, 기공 핵 생성에 대한 입자 방향 및 형태 효과가 조사되었습니다. 같은 저자38.