During the plastic deformation produced in the metal forming processes such as extrusion, forging and deep drawing, the crystalline lattice in the metal rotates toward one or more stable (preferred) orientations, establishing a deformation texture. The formation of this deformation texture strongly influences the mechanical properties of the product, and material anisotropy is observed from the deformation texture macroscopically. The macroscopic mechanical properties of the polycrystalline materials are the consequences of the properties of individual grains. They depend on the distribution of the orientations of the grains in the aggregate. In order to explain the mechanical response of polycrystalline materials, it is necessary to take into account the polycrystalline structure of the metal, the plastic slips on the slip systems of grains, the crystallographic lattice rotations, and the formation of textures and their evolution during the entire deformation process. During the extrusion process, metal is forced from an enclosed cavity through a die orifice by a compressive force applied by a ram. Due to the extreme plastic deformation that takes place during extrusion, the extruded profiles have strong deformation textures that produce highly anisotropic properties. However, conventional finite element analysis had not been considered the texture evolution due to the grain rotation during plastic deformation. In order to predict the texture evolution in metal forming processes, finite element models should be integrated with crystal plasticity models. Texture evolution is calculated for the entire workpiece and is updated and coupled with the finite element model during simulation. This coupled model, however, requires a great amount of computation power and is not applicable for a complicated forming process.
In this thesis, the decoupled method in which the rigid-plastic finite element method is incorporated with the rate-independent crystal plasticity model is applied to predict texture development during the extrusion process. This method employs the rate-independent crystal plasticity model based on the single crystal yield surface with rounded corners used to remove the ambiguity problem within the conventional rate-independent model. The performance of the rate-independent crystal plasticity model was validated, and the decoupled method was applied to the extrusion process. Numerical test calculations were carried out to evaluate the performance of the rate-independent crystal plasticity model based on the single crystal yield surface with rounded corners for polycrystalline materials. The predictions of the texture evolution for polycrystalline materials were compared with the corresponding experimental results from the literature for four representative FCC textures associated with uniaxial tension, uniaxial compression, simple shear and plane strain compression. The comparisons show that the simulated results are in good agreement with the experimental results. In addition, the shear stress-shear strain response was simulated with the rate-independent crystal plasticity model using measured texture and constant velocity gradient tensor. The shear stress-shear strain curves from the simulated and experimental results were found to be very similar. Moreover, the influence of texture on the plastic anisotropy was analyzed through a comparison of the experimental R-value and those simulated from the texture using the crystal plasticity model. From the comparisons of the texture evolution in simple deformation modes, the shear stress-shear strain curves and plastic anisotropy, the performance of the rate-independent crystal plasticity model based on the single crystal yield surface with rounded corners was found to be effective and accurate. The decoupled method in which the rigid-plastic finite element method is incorporated with the rate-independent crystal plasticity model was applied to predict the texture evolution in commercially pure aluminum during the ECAE processes and the tube ECAE process. The simulated textures were compared with a measured texture via an EBSD analysis. The comparison showed that the simulated textures generally were in good agreement with the experimentally measured texture. The simulated results describe the differences between the developed textures according to the ECAE dies. The development of texture during the extrusion process could then be predicted very effectively, even for complicated extrusion processes.
일반적으로 사용되는 금속 재료들은 우수한 강도와 함께 가공의 용이성으로 인하여 모든 산업 분야에서 광범위하게 사용되는 재료로서, 결정학적으로 수많은 단결정으로 이루어진 다결정체이다. 이러한 금속을 이용하여 원하는 형상과 성질을 갖는 제품으로 생산하는 것은 주로 단조, 압출, 압연, 판재 성형과 같은 소성 가공을 통해서 이루어진다. 소성 가공 공정 중 압출 공정은 일정한 단면형상을 갖는 제품에 대해 높은 생산성과 품질 등을 보장하기 때문에 자동차, 항공 산업뿐만이 아니라 군수 산업까지 다양한 산업 분야에 사용되는 제품을 생산하는데 적용된다. 그러나, 압출과 같은 금속 성형공정에서 발생하는 소성 변형은 재료내의 결정들을 특정한 안정 방위로 회전시키면서 변형 집합조직을 발생시킨다. 이러한 변형 집합조직의 발생은 생산된 압출 제품의 기계적 성질에 큰 영향을 미치게 되고 제품은 이방성 특징을 갖게 된다. 하지만, 잘못 설계된 압출 공정에서는 생산된 제품의 미세구조의 불균일성을 갖게 되며, 이로 인해 제품의 기계적인 성질의 불균일한 분포를 가져오게 된다. 이러한 불균일성은 압출된 제품의 표면 결함 또는 파손 등의 문제를 야기할 수 있고, 또한 굽힘 가공과 같은 압출된 제품의 2차 가공 시에, 불균일한 기계적 성질로 인해 원하는 형상으로의 성형이 어려워지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 연구에서는 압출 공정에서 발생하는 재료의 결정학적인 변화를 예측하고, 그로 인해 발생하는 이방성 등의 기계적 성질의 변화를 예측하여, 효과적인 압출 공정의 분석과 개선 및 설계를 이룰 수 있도록 한다. 금속과 같은 다결정 재료의 소성 변형 특성을 이해하기 위해서는 재료내의 결정학적 구조, 결정학적 슬립과 회전 그리고 그로 인해 발생하는 변형 집합조직의 형성 등을 반드시 고려해야 한다. 하지만, 그 동안 압출 공정의 소성 변형의 특징을 해석하기 위해 주로 사용된 연속체 연학에 기반을 둔 유한 요소 해석의 경우, 소성 변형 동안에 발생하는 결정의 회전으로 인한 변형 집합조직의 발생과 같은 결정학적인 특징을 고려하지 못한다. 압출 공정에서 발생하는 변형 집합조직의 발생을 예측하기 위해서는 기존의 유한 요소 해석과 결정 소성 모델이 연계되어야 한다. 유한 요소 해석과 결정 소성 모델의 연계방법으로는 연결(coupled) 해석과 비연결(decoupled) 해석이 있다. 연결 해석에서는 유한 요소 시뮬레이션 과정에서 전체 영역(domain)에서의 집합조직의 발달을 계산하고 각 단계마다 결정학적 항복식과 변형 집합조직이 업데이트(update) 된다. 하지만 이런 연결 해석은 많은 해석량을 요구하고 계산 시간이 과도하여 복잡한 성형 공정에는 실제 적용이 불가능하다.
본 연구에서는 기존의 rate-independent 결정 소성 모델이 가지는 해를 유일하게 결정하지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 둥근 모서리를 가지는 단결정 항복면에 기초한 rate-independent 결정 소성 모델을 사용한다. 둥근 모서리를 가지는 단결정 항복면에 기초한 rate-independent 결정 소성 모델의 성능을 검증하기 위해서 일축 인장, 일축 압축, 단순 전단 변형, 평면 변형률 압축과 같은 단순 변형 모드에서 발생하는 변형 집합조직을 계산하여 기존의 문헌에서 보고된 실험적으로 측정된 집합조직과 비교하였다. 또한 둥근 모서리를 가지는 단결정 항복면에 기초한 rate-independent 결정 소성 모델과 측정된 알루미늄 합금의 집합조직을 이용하여 알루미늄 합금의 전단 응력-전단 변형율 관계식과 R-value를 계산하여 실험결과와 비교하였다. 또한 강소성 유한 요소법과 둥근 모서리를 가지는 단결정 항복면에 기초한 rate-independent 결정 소성 모델을 연계한 비연결 해석방법을 교차각이 90도와 120도를 가지는 두 종류의 등통로각압출(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE) 공정과 교차각이 135도인 튜브 등통로각압출 공정에 적용하여 AA1050 재료에서 발생하는 변형 집합조직을 예측하였다. 또한 해석과 같은 조건에서 AA1050 재료의 등통로각압출 공정을 수행하여 공정 중에 발생하는 변형 집합조직을 EBSD OIM 분석을 통해 측정하여 제안한 비연결 해석방법으로 계산된 변형 집합조직의 결과와 비교하였다.
