In order to achieve the light-weight and safe design of auto-body structures, the crash analysis of the high speed deformation has to be carried out with the accurate stress-strain curves at the high strain rate. The flow stress of a material generally increases as the strain rate increases and decreases as the temperature increases, that is regarded as the inherent characteristics of a material. Accurate crash simulation needs accurate quantitative information of material data at the strain rate up to several hundred per second since the strain rate of the local deformation in the crash reaches up to the range of 300/sec ~ 500/sec. Particularly, material properties of steel sheets are very important to the car crash since 70 % of an auto-body is composed of steel sheets and deformation of steel sheets is more sensitive to the strain rate and the temperature than that of other materials and the strain rate sensitivity varies with the operating temperature. Steel sheet for an auto-body has not been sufficiently investigated over a range of intermediate strain rates and operating temperatures of the car.
This paper is concerned with the thermo-mechanical behavior and temperature-dependent strain-rate sensitivity of steel sheets for an auto-body. In order to identify the temperature dependent strain rate sensitivity of SPRC35R, SPRC45E and TRIP60, uniaxial tensile tests have been performed with the variation of strain rate from 0.001/sec to 200/sec and the variation of the environmental temperature from -40℃ to 200℃. The thermo-mechanical response at the quasi-static state is obtained with the static tensile test and that at the intermediate strain rate is obtained with high speed tensile test. Experimental results show that the strain rate sensitivity increases at low temperature and decreases at high temperature. It is noted that as the strain rate increases, the variation of flow stress becomes sensitive to the temperature. The results also indicate that the material properties of SPRC35R are more dependent on the changes of strain rates and temperature than those of SPRC45E and TRIP60.
In the past, the material properties at the intermediate strain rate have been obtained from interpolation of results obtained from the quasi-static test and the high strain rate test such as a split Hopkinson bar, but this interpolation cannot describe the behavior of steel sheets at the intermediate strain rate. So a new material constitutive equation is needed to represent the variation of accurate stress at the intermediate strain rates and operating temperatures of the car. In order to represent the variation of accurate stress, a new material hardening equation is suggested by modifying the well-known Khan-Huang model. The hardening equation suggested gives good correlation with the experimental results at the various intermediate strain rates and temperatures. In order to verify the effectiveness and accuracy of suggested model quantitatively, the standard error between the experimental result and fitted one is compared with the other well-known constitutive model such as the Johnson-Cook and Khan-Huang models. The comparison demonstrates that the suggested model gives the relatively well description of the experimental results at the various strain rates and temperatures.
본 논문에서는 차량의 작동온도를 포함하는 온도조건인 -40℃~200℃에서 차량의 충돌 변형률 속도를 고려하여 200/sec이하의 변형률 속도에서 차체용 강판의 동적 물성시험을 수행하였다. 이를 통하여 각각의 온도에서 동적 물성 데이터 베이스를 구축하고, 온도가 변형률 속도에 따른 차체용 강판의 거동에 미치는 영향을 고찰하였으며, 이를 정확히 표현할 수 있는 물성 구성 방정식을 제안하였다.
본 연구에서는 유압식 고속 인장 재료 시험기에 온도를 제어할 수 있는 챔버를 장착하여 시험을 수행하였다. 고속 인장 재료 시험기와 기존의 정적 재료시험기를 사용하여 -40, -10, 20, 50, 100, 150, 200 ℃의 온도와 0.001, 0.1, 1, 10, 100, 200 /sec의 변형률 속도에서 SPRC35R, SPRC45E, TRIP60 강판에 대하여 인장 시험을 2~3회 반복 수행하였다. 인장시험으로부터 각각의 재료, 온도, 변형률 속도에 따른 공칭응력 - 공칭변형률 선도, 진응력- 진변형률 선도, 변형률 속도 민감도, 온도와 변형률 속도에 대한 유동 응력 변화와 파단 연신율 등을 얻었으며 정량적인 물성 데이터베이스를 구축하였다. 온도가 변형률 속도에 따른 유동 응력에 미치는 영향을 정리하면 세 재료 모두 고온보다는 저온에서 변형률 속도 증가에 따른 응력의 변화량이 크다. 즉 온도가 증가할수록 변형률 속도 민감도가 감소하는데, 재료별로 살펴보면 강도가 가장 약하여 상온에서 변형률 속도 민감도가 큰 SPRC35이 온도에 따른 변형률 속도 민감도 변화가 가장 크며 강도가 강한 TRIP60이 온도에 따른 변형률 속도 민감도 변화가 가장 적다. 하지만 TRIP60의 경우, 200℃ 부근에서 동적 변형률 시효 현상에 의해 음의 변형률 속도 민감도가 나타나는 등 소성 불안정 영역이 발생하므로 주어진 온도 범위에서 온도에 대한 영향이 크다고 판단할 수 있다. 한편 변형률 속도가 온도에 따른 유동응력에 미치는 영향을 살펴보면 0.001/sec의 준정적변형률 속도의 경우 온도 증가에 따른 유동응력 감소량보다 200/sec의 중변형률 속도의 경우 온도 증가에 따른 유동응력 감소량이 더 크다. 즉 변형률 속도가 증가할수록 온도 민감도가 증가하게 되며 유동응력 변화량은 강도가 가장 약한 SPRC35R이 가장 크다.
온도와 변형률 속도가 재료의 파단 연신율에 미치는 영향을 정리하면 다음과 같다. 먼저 온도가 변형률 속도에 따른 파단 연신율에 미치는 영향을 살펴보면, 세 재료 모두 거의 동일한 경향을 보이는데 저온에서는 준정적 변형률 속도에서 연신율이 가장 높고 변형률 속도가 증가하면 연신율이 크게 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 이러한 현상의 원인은 변형률 속도가 증가할수록 변형률 속도 경화에 의하여 강도가 증가하여 파단 연신율이 감소한 것이다. 상온에서의 파단 연신율 경향은 변형률 속도가 0.1/sec까지는 파단 연신율이 감소하다가 변형률 속도가 증가할수록 오히려 파단 연신율이 증가하는 경향을 보인다. 이는 단순 인장 시에 네킹(necking)이 발생하면 네킹부에서 집중적인 변형이 발생하는데, 고속 인장시험 시에는 네킹이 발생하는 부분에서의 국부적인 높은 변형률 속도 경화가 네킹의 진행을 억제하여 주위로 전파시키기 때문에 오히려 파단 연신율이 증가하는 것으로 생각된다. 고온에서는 탄소강의 청열취성 특성으로 인해 상온과 비교하여 전반적으로 연신율이 감소한 상태에서 변형률 속도가 0.1/sec까지는 파단 연신율이 감소하다가 변형률 속도가 증가할수록 오히려 파단 연신율이 증가하는 경향을 보인다. 이상의 결과는 자동차의 다양한 작동온도에서 차량 충돌시 차체부재의 파단예측이나 고속 성형에서 부재의 온도 상승에 의한 성형성 같은 문제에서 큰 의미가 있다.
기존의 Cowper-Symonds 모델, Johnson-Cook 모델, Khan-Huang모델 등은 중변형률 속도에서 온도에 따른 재료의 거동을 정확히 표현하기 어렵기 때문에 본 논문에서는 시험 결과를 효과적으로 근사하는 물성 구성방정식을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 물성 구성방정식은 기존의 Khan-Huang 모델을 수정한 형태로서 9개의 계수로 구성되며 변형률 경화항과 변형률 속도 경화항, 열적 연화항이 분리되어 있으며, 온도에 따라 변하는 가공 경화 정도와 변형률 속도에 따라 변하는 열적 연화 정도를 표현하였다. 3종의 차체용 강판의 시험 결과에 대하여 본 논문에서 제안한 물성 구성방정식과 아울러 Johnson-Cook 모델, Khan-Huang 모델들의 시험결과와의 표준오차를 비교함으로써 제안된 물성 구성방정식의 신뢰도를 정량적으로 검증하였다.
