As the need for social infrastructures with large dimension and environment friendly light automobile increases, the importance of manufacturing steel with high strength is ever increasing. Among the various thermomechanical treatments, grain refinement is the only way to increase both the strength and toughness. Thus, it is of great importance to develop a technique to obtain finer grains in industry.
Many studies have been carried out in developing mathematical models describing the relationship between the process parameters and mechanical properties of the rolled products. These models have been applied to industrial strip rolling process and many successful applications have been reported so far. In bar rolling area, not much study has been conducted due to the difficulties in modeling the three-dimensional material flow. To overcome this problem, several researchers in industry have developed approximate deformation models and predicted the average grain size. This approach can predict the microstructural changes for the industrial rolling having more than 30 passes only in a few seconds. Despite its computational advantage, the approach can provide only the average grain size with no information on local microstructures. Thus, more advanced approach which can predict the local microstructure in detail is required.
In this study, an integrated microstructure modeling system was developed for prediction of the local microstructural change during bar rolling by combining the finite element (FE) analysis with a microstructural model. The metallurgical model available in the literature was adopted and integrated with the three-dimensional finite element analysis based on the rigid-thermoviscoplastic formulation. The current study focused on the prediction of austenite grain size (AGS) before the transformation stage during cooling.
While several groups conducted studies on the FE based microstructural modeling, rigorous verification through bar rolling experiments is rarely found. Instead of bar rolling experiment, other process such as upsetting was used in verifying the proposed models. Thus, in this study bar rolling experiments were carried out in the laboratory mill to validate the accuracy of the proposed integrated AGS modeling system. Rolling experiments were carried out for a single pass round-oval rolling utilizing the laboratory mill at POSCO Technical Research Laboratory.
After rolling experiments the rolled specimen was quenched to freeze the austenite grain boundary and the cross-section of the specimen was polished and etched with 2 percent nital solution to investigate the frozen microstructure. Initial overall grain size of 110 μm was changed to 30~35 μm at the center region while at the boundary zone the grain size was 40~50 μm. Much grain refinement at the center region was attributed to the metadynamic recrystallization due to heavy deformation. At the boundary roll contact region coarse grain was measured and generated by the static recrystallization incurred by the chilling effect, while the coarse grain at the right end zone was caused by the static recrystallization induced by small deformation.
Since the temperature is an important factor affecting the microstructural evolution, accurate thermal modeling is highly required in the integrated AGS modeling system. Therefore, to obtain the interface heat transfer coefficient (HTC) accurately, rolling experiments and FE analyses were carried out and compared. The comparative study revealed that the HTC value of $24000 W/m^2K$ was accurate in modeling the local thermal responses obtained from rolling experiments.
Since metallurgical models have been derived under the isothermal condition, it is necessary to apply additivity rule in considering the highly transient thermal condition during rolling. Thus, the conventional additivity rule was applied in the integrated AGS modeling scheme and found that due to the steep temperature change the static recrystallization could be transformed into metadynamic recrystallization, resulting in overestimation of grain refinement. Thus, it was proposed that the transition from static to metadynamic behavior should be restricted because the metadynamic recrystallization originated from the nuclei already generated during deformation by dynamic recrystallization. This restriction made the predicted overall grain distributions in good agreement with the measured grain distribution.
In process design using the proposed AGS modeling system, two perspectives should be taken into account: homogenization and refinement. Previously most of the studies focused on the minimization of the grain size but the uniformity of the grain size is of considerable importance because the locally coarse grain sizes significantly deteriorate the overall performance of the rolled bar. In this study two criteria were proposed as a measure of the refinement and homogenization of the AGS distribution. One process design using the round-oval-round sequence was carried out and the grain refinement and homogenization were investigated based on the proposed criteria. The investigation revealed that the temperature was an important parameter in microstructural change and the decrease of initial temperature was effective not only in the grain refinement but also in the grain homogenization.
사회간접 시설의 규모가 초대형화되고 환경친화적인 경량차량 개발이 중요해진 현 시점에서 강재의 기계적 강도 향상은 매우 중요한 연구 분야임에 틀림없다. 기계적 특성 개선을 위해 제시된 여러 가지 방안중 결정립 미세화는 강도와 인성을 동시에 증가시킬 수 있는 유일한 방법으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 공정 조건에 따라 결정립도가 어떻게 변해가는지를 예측하고 이러한 특성을 선재 압연의 공정 설계에 이용하려는 연구를 수행하였다.
결정립 변화를 모사하는 미세조직 모델을 공정에 적용한 기존 연구는 변형 및 열전달 모델링이 용이한 판재 압연에 초점이 맞추어졌다. 최근에는 관련 연구를 선재 및 형강 압연에 적용하는 연구가 진행되고 있으며 근사 변형 모델을 이용한 미세조직 모델링 기법이 한 분야이다. 근사기법은 계산 효율이 높아 30 패스에 이르는 전체 패스에서의 조직 변화를 수초 내에 계산할 수 있어, 롤 패스 설계자에게 중요한 설계 툴이 될 수 있다. 그러나 근사기법은 평균 결정립도만을 제시할 수 있어 보다 정교한 공정 설계를 위해서는 다른 미세조직 모델링 기법이 필요하다.
본 연구에서는 이러한 문제를 인식하고 미세조직 변화를 정확하게 모델링할 수 있는 기법으로서 유한요소해석 기법과 미세조직 모델을 연계하여 선재압연의 미세조직 변화를 예측하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서 사용한 미세조직 모델은 Hodgson 박사에 의해 제안된 모델로 선재 공정의 재료 거동에 초점을 맞춘 모델이다. 본 연구에서는 상변태 전단계인 오스테나이트 상태의 결정립도 변화를 예측하는데 연구의 초점을 맞추었다. 최종 소재의 특성은 상변태 후 페라이트 결정립도에 의해 결정되나 오스테나이트 결정립도를 최대한 줄이면 페라이트 결정립도 또한 준다는 사실에 근거하고 있다. 그리고 미세조직 모델과 연계되는 공정해석을 위해 강열점소성 유한요소해석 기법에 기반을 둔 삼차원 형상압연 해석용 코드를 사용하여 소재 내부의 변형률, 변형률 속도, 그리고 온도 변화를 예측하였다.
유한요소기법을 미세조직 예측식과 통합한 연구는 몇 그룹에 의해 수행되었으나 제안된 모델링 기법들을 실제 압연 공정에 적용하여, 미세조직 측정치와 예측치를 엄밀하게 비교하고 분석한 연구는 찾아보기 어렵다. 대신 업세팅 같은 공정에서 제안 모델의 타당성이 검토되었다. 그런데 이런 변형 모드는 압연 공정의 변형 모드와 분명히 다르다는 점을 고려할 때 실제 압연 실험을 통해 통합된 미세조직 모델링 기법의 타당성을 검토하는 것은 매우 중요하다.
따라서 본 연구에서는 실제 압연 실험을 수행하여 미세조직 예측 결과의 타당성을 검토하였다. 압연실험은 POSCO 기술연구소의 시험용 압연기 (Pilot mill)를 활용하였으며 대표적인 선재 공정인 라운드-오발 (Round-Oval) 공정을 대상으로 하였다. 실험에 사용된 강종은 S20C이며 압연속도는 34 rpm으로 설정하였다. 압연된 소재를 ？칭하여 마르텐싸이트 조직을 구하여 오스테나이트 상에서의 결정립도를 간접적으로 측정하였다. 초기결정립도는 약 110μm 이었으며 압연 후 중앙부의 결정립도는 30~35μm 였으며 외곽부에서는 40~50μm 로 소재 중앙부가 준동적재결정에 의해 결정립 미세화가 더 많이 진전된 것을 알 수 있었다. 제안된 통합 모델링 기법에 따른 예측치는 실험 결과를 잘 모사하였다.
일반적으로 미세조직 모델은 등온조건에서 유도되므로 압연 공정에서의 온도 변화를 고려하기 위해서는 가법정리 (Additivity rule)를 적용해야 한다. 본 연구의 대상인 저속 압연조건 (34 rpm)에서는 소재 내부에서 온도의 변화폭이 커서 기존의 가법정리에 따를 경우 정적재결정에서 준동적재결정으로 전이되는 경우가 있음을 알 수 있었다. 그러나 준동적재결정은 변형 중에 이미 생성된 동적재결정 핵이 무부하 상태에서 성장하는 과정이므로, 가법정리를 적용할 때 정적재결정이 발생한 부분은 준동적재결정이 발생할 수 없다는 제한 조건을 부과해야 함을 알 수 있었다.
압연 실험은 비교적 저속에서 이루어져 소재의 온도 구배 및 온도 변화가 급격하여 보다 정확한 소재 내부의 온도 분포를 예측하기 위해서 열전달계수를 정확히 측정하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 변형중 롤과 소재의 온도 분포를 결정짓는 접면열전달계수 (Interface Heat Transfer Coefficient)를 보다 정확히 구하기 위해 실험과 해석을 병행하였으며 그 결과 접면열전달계수값이 $24000 W/m^2K$ 일 때의 해석결과가 측정된 내부의 온도 분포를 잘 모사한다는 사실을 밝혔다.
소재 내부에서 국부적으로 조대화된 결정립은 기계적 특성을 열화시키므로 미세화 (Refinement) 못지 않게 균질화 (Homogenization) 또한 중요하다. 따라서 제안된 미세조직 모델링 기법을 공정 설계에 적용할 때는 미세화와 균질화라는 두 가지 관점을 동시에 고려해야 하며 이를 나타내는 두 가지 척도를 본 연구에서 제안하였다. 라운드-오발-라운드 패스로 구성된 다단패스 공정 설계와 미세조직 통합모델 적용을 통해 소재 초기 온도를 최대한 낮추게 되면 결정립 미세화와 균질화를 동시에 이룰 수 있음을 밝혔다.
