High-strength metals are gaining greater importance in the metal industry due to the recent requirements of the market. Several strengthening mechanisms such as substructural, solid solution, precipitation, grain boundary, and phase transformation strengthening have been used to develop high-strength materials. In general, most of these methods increase the strength but decrease the toughness of a material. However, grain refinement increases both the strength and toughness of a material. Thus, it is expected that techniques to control the microstructure in industrial manufacturing processes will be developed; this will require better prediction and modeling of the microstructure evolution. In this study, a multiscale model using cellular automata and the finite element method was developed to predict microstructural changes due to dynamic recrystallization during hot deformation.
The modified cellular automata model was developed to simulate the dynamic recrystallization process. In this model, Moore’s neighboring rule was applied with partial fractions and time step control to represent the grain growth kinetics more accurately. The cellular automata model consists of work hardening, nucleation, and growth modules. To model the work hardening process, the dislocation model proposed by Kocks and Mecking, which contains kinetic and evolution equations, was used. The constant nucleation model was used for nucleation modeling, and Turnbull’s rate equation was used for growth modeling.
For validation, the cellular automata model developed in this study was applied to a simulation of the dynamic recrystallization of pure copper during hot deformation. A set of isothermal hot compression tests were conducted using a Gleeble machine to acquire flow stresses. The compressed specimen was investigated by electron backscattered diffraction (EBSD) after mechanical and chemical polishing to obtain grain size distributions. The predicted results were in reasonably good agreement with the experimental results. Grain coarsening and refinement phenomena were also investigated in detail. Then, the effects of the process parameters on the microstructure and flow stress were investigated from various simulation results.
The multiscale model was developed by combining the cellular automata model with the finite element method and then applying this combined model to the nonisothermal hot compression tests. The history of local parameters such as the temperature and strain rate was reproduced using the finite element method, and the simulated temperature history was verified through experimental measurements. The calculated temperature and strain rate histories were used as input parameters for the non-isothermal cellular automata model. The predicted results showed the same tendencies as the experimental results.
최근 들어 저 연비 차를 개발하려는 환경 친화적인 시장 요구에 의해 고강도 금속 개발의 중요성이 대두되고 있는 실정이다. 일반적으로 금속의 강도를 증가시키기 위해서는 하부구조 강화, 고용체 강화, 석출 강화, 결정립계 강화, 상변태 강화 등의 방법이 사용된다. 이중에서도 결정립 미세화를 통한 결정립계 강화는 다른 방법들이 강도만을 증가시키는데 반해 금속의 강도와 인성을 동시에 증가시키는 방법으로 알려져 각광받고 있다. 따라서 이러한 결정립 미세화를 이루기 위해서는 가공 공정 조건을 적절히 제어 하여 원하는 결정립을 만드는 결정립 제어 기술이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 결정립 제어를 위해 셀룰라 오토마타와 유한요소해석을 결합하여 열간 공정 중의 동적 재결정 및 결정립 변화를 예측하는 연구를 수행하였다.
이를 위해 셀룰라 오토마타 프로그램을 개발하여 동적 재결정을 예측하였다. 이때 결정립의 성장 모습을 잘 모사하기 위하여 기존의 Moore의 neighboring rule을 수정하여 부분적으로 재결정이 일어날 수 있도록 하는 방법과 적정 time step을 계산하는 방법을 사용하였다. 셀룰라 오토마타 모델은 크게 가공 경화, 핵 생성, 결정립 성장 모델로 이루어져 있다. 이 때 가공 경화를 모사하기 위하여 Kocks와 Mecking에 의해 제안된 전위 밀도 모델을 사용하였다. 핵 생성은 임계 전위 밀도를 정의하여 결정립의 전위밀도가 이보다 높으면 핵을 일정하게 생성시키는 모델을 사용하였다. 이 때 핵생성은 결정립의 경계에 있는 셀에 발생하도록 하였으며 생성 위치는 랜덤하게 결정하였다.
개발된 셀룰라 오토마타 모델을 검증하기 위하여 이를 구리의 등온 열간 변형에 적용하였다. 열간 유동응력을 얻기 위해 Gleeble에서 다양한 조건에 대하여 등온 압축 시험을 수행하였고 압축된 시편을 EBSD (Electron Backscattered Diffraction)을 이용하여 미세조직 특성을 관찰 하였다. 그 결과, 실험과 예측이 전반적으로 잘 일치 하는 경향을 보였다. 또한 변형 조건에 따른 결정립 미세화와 거대화 현상의 발생 경향을 알아 볼 수 있었다.
이러한 셀룰라 오토마타 모델을 실제 공정에 적용하기 위하여 유한요소해석과 결합하여 다중 스케일 해석 기법을 개발하였다. 개발된 방법은 유압 프레스를 이용한 열간 압조 공정에 적용 되었다. 변형 중의 온도와 변형률속도의 변화를 추적하기 위하여 유한요소해석을 도입하였다. 유한요소해석의 타당성은 측정된 온도와의 비교를 통하여 검증되었다. 유한요소해석으로 계산된 온도 이력과 변형률 속도는 비 등온 셀룰라 오토마타 모델의 입력으로 사용하였다. 개발된 모델의 타당성 검증을 위하여 열간 압조된 시편의 EBSD 분석 결과와 비교하였으며, 그 결과 해석과 실험이 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
