During the forming processes, crystal orientation which will lead to deformation bands and heterogeneous plastic flow is rotated relative to surroundings and the degree of plastic anisotropy in the yield behavior of metals can be critical for subsequent forming processes. Most metals are polycrystalline material, which is a collection of grains that have a lattice structure. Even though a polycrystalline metal is produced in an initially isotropic state by appropriate heat treatment, the crystal lattices of the individual grains tend to reorient in preferred directions resulting in a strong crystallographic texture in the material, which in turn causes the deformation behavior of the polycrystalline material to be highly anisotropic. The rotation of the crystalline lattice occurs by slip or twinning. 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 bulk metal forming processes, rolling and extrusion is the most effective process for the production of metal parts with uniform cross-sections. These processes generally have the advantages which can produce a good surface finish so that further machining is not needed in spite of the high reduction of area. However, the traditional design procedure has mainly depended on the experience of the designers. It requires both the long time and high costs since it is based on trial and error methods. In order to reduce such expenditures, using numerical analysis will be much more efficient. However, conventional finite element analysis based on a continuum mechanics had not been considered the texture evolution due to the grain rotation during plastic deformation.
In this study, the three-dimensional analysis program based on the crystal plasticity finite element method (CPFEM), which incorporates the crystal plasticity constitutive law into the three-dimensional rigid-plastic finite element method, was developed. It was used to investigate the textural evolution and deformation anisotropy during the forming process of the face-centered-cubic (FCC) material. A rate-dependent polycrystalline theory was fully implemented into an in-house program, CAMPform3D and CAMProll3D. Each integration point in the element was considered to be a polycrystalline aggregate consisting of a large number of grains, and the deformation of each grain in an aggregate was assumed to be the same as the macroscopic deformation of an aggregate. The distribution of the initial hardness of all the slip systems for each grain before forming process was assumed to be uniform. The initial orientation distribution of the grains was chosen to be random. The predicted grain orientations and the slip system hardness are stored and transferred over to subsequent passes. In order to validate the program developed in this study, the predictions of the texture evolution were compared with the corresponding experimental results from the literature of uniaxial compression, uniaxial tension, and plane strain compression. The comparisons show that the simulation results are in good agreement with the experimental results.
Especially, crystallographic texture exists during flat rolling process. It is known that textures are inhomogeneous through the thickness of rolled plates from the rolling experiments conducted by many researches. Shear strain at the plane perpendicular to the transverse direction (TD) during rolling resulted in rotation of the crystal around a TD. In order to predict rolling texture in the rolled plates, there were a few attempts to link the crystal plasticity model with the finite element (FE) analysis. However, most researches have been limited to the two-dimensional simulation based on plane strain assumption or limited to the decoupled simulation of FEM and crystal plasticity scheme so far. In this study, the effects of reduction amounts on the lattice rotation are discussed in detail not only in the thickness direction but also in the width direction of the flat rolled sheet. The orientation distributions not only in the thickness direction but also in the width direction of the flat rolled sheet, depending on the amount of reduction, were investigated by comparing crystal orientations in the present work. The effect of friction condition between the roll and the material, and on the texture evolution was also studied. Additionally, it was found that the simulation with two kinds of draught conditions highly influenced the local texture.
Equal channel angular extrusion (ECAE) is one of the effective methods of obtaining materials with high strength and toughness by accumulating plastic strain into the workpiece without changing its cross-sectional shape in the multi-pass processing. FE analysis of one pass ECAE, whose die having an intersecting angle of 90°, was conducted with commercially-available pure aluminum alloy (AA1050) specimen with a square cross-section. Prediction of texture evolution at several material points of ECAE specimen was carried out using the velocity gradient history obtained from the conventional FEM. The simulated textures were compared with a measured texture from the literature. The comparison showed that the simulated textures generally were in good agreement with the experimentally measured texture.
Simulations for multi-pass ECAE (route A and C) were also carried out up to three passes. The decoupled method in which the finite element method is incorporated with the crystal plasticity model was applied to predict the texture evolution. In this study, a mapping method of Euler angles and hardness information obtained from the three pass ECAE simulation into a upsetting specimen was suggested. Upsetting simulations were carried out using CPFEM program to see the deformation anisotropy of the specimen and the route effect of ECAE.
성형 공정 중에 소재 내부의 변형대와 불규칙적인 소성 유동을 유발하는 결정의 방위는 주위 구속에 의해 회전이 이루어지고 금속의 항복 거동에 있어 소성 이방성의 정도는 후속 성형 공정에서 치명적으로 작용하게 된다. 대부분의 금속은 다결정체로서 이는 격자 구조를 가지는 결정립의 집합체를 의미한다. 비록 적절한 열처리에 의해 소재가 초기에 등방성의 성질을 가지고 있다 할지라도, 각 결정립의 결정 격자는 소성 변형에 의해 우선방위로 회전하여 결국 소재에 강한 결정학적 집합조직을 이루게 하고 다결정 재료의 변형 거동에 심각한 이방성을 초래하게 되는 것이다. 결정 격자의 회전은 슬립 또는 쌍정에 의해 발생한다. 다결정 소재의 거시적인 재료 물성은 각 결정립의 성질을 반영하고, 집합체 내의 결정립의 방위 분포에 의존하게 된다.
벌크 성형 공정 중 압연과 압출은 균일한 단면을 가지는 금속 부품을 생산할 수 있는 가장 효율적인 공정이다. 이 공정들은 일반적으로 높은 감면율에도 불구하고 훌륭한 표면 마무리를 얻어낼 수 있다는 장점 덕분에 추후 가공이 불필요하다. 전통적인 설계 절차는 주로 설계자의 경험에 의존하므로 그와 같은 지출을 줄이기 위해서 수치 해석을 이용하는 것이 훨씬 더 효율적일 것으로 판단된다. 하지만, 연속체역학에 기반한 전통적인 유한요소법은 소성 변형 중에 소재 내부에 발생하는 결정립의 회전에 의해 발달하는 집합조직을 고려하지 못한다.
본 연구에서는 결정소성이론을 강소성 유한요소법에 결합한 결정소성 유한요소법에 기반한 3차원 해석 프로그램을 개발하였으며, 이를 FCC 소재의 성형 공정 중에 발생하는 집합조직의 발달과 변형 이방성을 예측하는데 사용하였다. 속도의존성 결정소성 이론은 CAMPform3D와 CAMProll3D에 완전히 결합되었다. 요소의 각 적분점은 수많은 결정립으로 구성된 다결정체로 다결정체 내부의 각 결정립의 변형은 거시적인 변형과 동일하다고 가정하였다. 성형 이전의 모든 슬립계의 초기 하드니스의 분포와 결정립들의 초기 방위 분포는 무작위로 가정하여 해석이 이루어졌으며 결과적으로 예측된 결정립의 방위와 슬립계의 하드니스 분포는 저장되어 다음 성형 공정에서의 초기값으로 사용되었다. 본 연구에서 개발한 프로그램의 효용성을 판단하기 위하여 단순변형인 일축 압축, 일축 인장, 평면 변형 압축에서 발달하는 집합조직을 나타내는 극점도와 비교를 하였으며 예측된 결과는 문헌에서의 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
특히, 판재 압연 공정 중에 결정학적인 집합조직이 크게 존재하며, 압연 실험을 통해 압연재의두께 방향에 따라 불균일한 집합조직이 발생한다고 알려져 있으며 이는 TD에 수직한 면에 존재하는 전단 변형에 의해 결정립이 TD에 대해 회전하게 되는 것이다. 이와 같은 실제 압연 집합조직을 예측하기 위하여 결정소성모델과 유한요소법을 연결지어 해석하려는 시도가 있어왔으나 대부분의 연구는 평면 변형 압축이라는 가정의 2차원 해석 또는 결정소성모델과 유한요소법의 비연계 해석 (decoupled analysis)을 이용한 것이었다. 본 연구에서는 완전 결합된 (fully coupled) 결정소성 유한요소법 기반의 3차원 해석을 통해 판재의 두께 방향 뿐 아니라 폭 방향에서의 국부적인 집합조직의 발달을 예측하였다. 롤과 소재 간의 마찰계수의 변화에 따른 집합조직의 발달 또한 고찰하였으며, 추가적으로 실험으로부터 draught 조건에 따라 현저하게 다르게 발달한다고 보고되는 국부적인 집합조직에 대한 예측 또한 수행하여 실험과 잘 일치함을 보였다.
등통로각 압출 공정은 극심한 변형을 통해 고강도와 고인성의 소재를 생산할 수 있는 효율적인 방법 중의 하나로 다단 공정에 있어서도 소재의 감면이 없다는 장점을 가지고 있다. 상용 순수 알루미늄합금 AA1050 소재의 사각 형상 시편과 90도의 교차각을 가지는 금형을 이용한 등통로각 압출에 대한 해석을 수행하였다. 비연계 해석으로서 유한요소해석을 통해 얻어진 상부, 중간, 하부 등에서의 속도구배 이력을 이용하여 국부적인 집합조직 예측을 수행하였으며, 예측된 집합조직은 문헌의 실험으로부터 측정된 극점도와 매우 잘 일치하였다.
경로 A, C 등의 다단 등통로각 압출에 대한 해석 또한 3단계까지 수행하였다. 비연계 해석을 통해 3단계까지 발달하는 집합조직을 예측하였으며 이 정보를 이용하여 후속 공정인 업세팅 해석에 적용하고자 하였다. 이 때, 등통로각 압출 공정 해석으로부터 얻어진 정보들, 즉 방위를 나타내는 오일러각과 하드니스 분포를 업세팅 시편으로 전달해 주는 방법에 대해 제시하였다. 최종적으로 등통로각 압출 3단계 이후의 후속 공정인 업세팅 실험에서 보여주는 이방성 형상을 모사하기 위하여 완전 결합된 결정소성 유한요소해석 (fully coupled crystal plasticity finite element analysis)을 이용하였으며, 이와 같은 해석기법을 사용하면 경로와 업세팅비에 따른 소재의 이방성 형상을 성공적으로 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
