The accumulation of dislocations in a cold-rolled sheet acts as the primary driving force for recovery and recrystallization during heat treatment. During continued heat treatment, grains tend to grow uniformly and continuously; however, certain grains may grow larger because of factors such as chemical composition, manufacturing processes, and heat treatment conditions, thereby resulting in a bimodal distribution of grain sizes. Previous studies on the bimodal distribution of grain sizes primarily focused on nanocrystalline, ultrafine-grained, or multi-phase materials, wherein the presence of coarse grains enhanced strain hardening ability, uniform elongation, and drawing formability. In contrast, our observations in practical industrial materials, which contain a mixture of fine and coarse grains, revealed a decrease in the strain hardening exponent and uniform elongation. In addition, unlike in previous research, coarse grains were found to be incapable of accommodating deformations. Therefore, the microstructural non-uniformity of grain size leads to localised deformation and a decline in stretch formability. In this study, we developed a chemical composition model for ultra-low carbon steel containing a small amount of niobium precipitates using Thermo-Calc software and determined appropriate heat treatment temperatures. Materials with a bimodal distribution of grain sizes were artificially obtained by dissolving precipitates after hot and cold rolling. The mechanical properties of these manufactured materials were evaluated using uniaxial tensile tests, limit dome height, and limit drawing ratio. We analysed microstructural changes before and after plastic deformation using scanning electron microscopy equipped with electron backscatter diffraction to gain insights into the microstructure, texture, and deformation distribution of these materials. We conducted tensile tests at various strain rates (0.002, 0.02, 0.2, and 2.0$^{-1}$) and derived the material constants for the crystal plasticity finite element method (CPFEM) analysis from these results. Subsequently, we created a virtual microstructure with varying sizes, fractions, and orientations of coarse grains and performed CPFEM analysis to evaluate the mechanical properties such as strain hardening exponent and uniform elongation. Our study confirms microstructures with grain sizes ranging from a few to tens of micrometres experience localised deformation influenced by the crystallographic characteristics of non-uniform microstructures and the presence of coarse grains.
냉간 압연 중 판재에 축적된 전위는 열처리 중 회복과 재결정의 주된 구동력이다. 일반적으로 열 처리가 계속되면 입자들은 균일하고 연속적으로 성장하는 경향이 있다. 그러나 화학 조성, 제조 공정 및 열 처리 조건에 따라 특정 입자가 더 크게 성장하여, 결정립 크기의 분포가 이산분포 (bimodal distribution)의 형태로 변화하는 경우도 있다. 결정립 크기의 이산분포에 대한 이전의 연구들은 나노결정질 또는 복합조직강에 집중되어 있으며, 조대한 결정립은 변형을 우선적으로 수용하여 가공경화능, 균일연신율, 드로잉성의 성형성이 개선된다고 보고되었다. 그러나 실제 산업계에서 사용되는 판재에서 미세한 결정립과 조대한 결정립의 혼립 조직이 생성될 경우 가공경화지수와 균일 연신율이 감소하여 것을 발견하였다. 또한, 이러한 큰 입자들은 변형을 수용하지 못하는데 이는 이전 연구와 상반된 결과이다. 결과적으로 미세구조의 불균일성은 지역적 변형의 불균일성을 유발하고 장출 성형성의 저하로 이어진다.
본 연구에서는 Thermo-Calc 소프트웨어를 사용하여 니오븀 (Nb) 석출물 (precipitation)을 약간 포함하는 극저탄소강의 화학 조성 모델과 열처리 온도를 도출하였으며, 열간 압연과 냉간 압연 후 인위적으로 석출물을 재용해하여 이산분포의 결정립 크기를 가지는 판재를 얻을 수 있었다. 일축 인장 시험, 한계 돔 높이 평가(LDH), 한계 드로잉 비(LDR) 방법 등을 활용하여 제조된 판재의 기계적 물성을 평가하였고, 변형 전후를 후방산란전자(EBSD) 검출기가 장착된 SEM으로 분석하여 미세조직, 집합조직, 변형 분포 등을 분석하였다. 인장시험은 0.002, 0.02, 0.2, 2.0s$^{-1}$의 다양한 변형율 속도에서 수행되었으며, 이 결과를 활용하여 결정소성유한요소(CPFEM) 해석을 위한 재료상수를 도출하였다. 이후 조대립의 크기, 분율, 방위 분포가 변화하는 가상의 미세조직을 구성하였으며, 결정학유한요소 해석을 수행하여 가공경화지수, 균일연신율과 같은 기계적 물성을 평가하였다. 그 결과, 수~수십 마이크로 범위의 결정립 크기를 갖는 미세조직에서 불균일한 미세조직과 조대한 결정립의 결정학적 특성에 의해 변형의 국부화가 발생할 수 있음을 확인하였다.
