This study is concerned with the effect of the static and the dynamic pre-strain on the material properties of auto-body steel sheets at quasi-static and intermediate strain rates. The dynamic behaviors of metal materials are different from the static ones because of the strain rate hardening. In order to obtain reliable results of the crash analysis, it is very important to acquire accurate dynamic material properties of auto-body steel sheets. Most research on the dynamic behavior of steel sheets, however, was carried out by using a specimen obtained directly from auto-body steel sheet without considering the forming effect. It is necessary to consider the pre-strain effect because the members of an auto-body are produced through sheet metal forming processes. Most studies of the material properties related to the pre-strain effect were conducted at quasi-static strain rates or high strain rates over 1000 $s^{-1}$. When real auto-body crash takes place, strain rates under 500 $s^{-1}$ are distributed on the members of an auto-body. Previous research works on the pre-strain effect of steel sheets were carried out by using specimens with pre-strains imposed at the quasi-static state although the deformation of steel sheets involves intermediate strain rates during sheet metal forming processes. Therefore, it is essential to carry out a study on the dynamic material properties at intermediate strain rates considering the dynamic pre-strain effect.
This study deals with an experimental method to measure the material behavior of SPCC and DP590 at quasi-static and intermediate strain rates considering the pre-strain effect. Specially, this paper is concerned with the static and the dynamic pre-strain effect on the material properties of SPCC and DP590 steel sheets at strain rates ranging from 0.001 $s^{-1}$ to 100 $s^{-1}$. The experimental method suggests new designs of a specimen and a device to impose pre-strain. The specimen that has a gauge section and a notched section was utilized for the pre-straining test. A device was developed to impose pre-strain so that it can prevent the gauge section of the specimen from bending during the pre-straining test at intermediate strain rates. The uniaxial tensile testing machine of Instron 5583 was utilized for the pre-strain effect tests at a quasi-static strain rate of 0.001 $s^{-1}$ and the high speed material testing machine(HSMTM) was utilized for the pre-strain effect tests at intermediate strain rates ranging from 1 $s^{-1}$ to 100 $s^{-1}$.
The tests for the pre-strain effect with three different conditions were conducted at strain rates ranging from 0.001 $s^{-1}$ to 100 $s^{-1}$. The first condition is that SPCC and DP590 steel specimens were pre-strained by 5 % and 10 % at strain rates of 0.001, 1, 10 and 100 $s^{-1}$, and then tensile tests were conducted at the same strain rates. The results of the tests demonstrate that the engineering stress-strain curves at the strain rate of 0.001 $s^{-1}$ for SPCC and DP590 pre-strained by 5 % and 10 % at the strain rate of 0.001 $s^{-1}$ traced the engineering stress-strain curve without the pre-strains, following an old conjecture that every researchers accept. On the contrary, the material properties of SPCC and DP590 steels were noticeably influenced by the pre-strain, with stress overshooting when the strain rate is over 1 $s^{-1}$. The flow stress and the ultimate tensile strength increased due to the pre-strains at intermediate strain rates. The second condition is that SPCC and DP590 specimens were pre-strained by 5 \% and 10 \% at the strain rates of 100 $s^{-1}$, then tensile tests were conducted at the strain rates of 0.001, 1, 10 and 100 $s^{-1}$. Under this condition, the engineering stress-strain curves at the strain rates of 0.001, 1, 10 and 100 $s^{-1}$ for SPCC and DP590 with the dynamic pre-strains did not trace the engineering stress-strain curve without the dynamic pre-strains. The dynamic pre-strains caused stress overshooting on the engineering stress$-$strain curve. The flow stress and the ultimate tensile strength increased as the dynamic pre-strain increased. The third condition is that SPCC and DP590 steel specimens were pre-strained by 5 % and 10 % at the strain rate of 0.001 $s^{-1}$, and then tensile tests were conducted at the strain rates of 0.001, 1, 10 and 100 $s^{-1}$. The engineering stress-strain curves at the strain rates of 0.001 $s^{-1}$ with the static pre-strains traced the engineering stress-strain curves without the pre-strains. On the other hand, the engineering stress$-$strain curves at the strain rates of 1, 10 and 100 $s^{-1}$ for SPCC and DP590 with the static pre-strains did not trace the engineering stress$-$strain curve without the static pre-strains. The static pre-strains caused stress overshooting when the strain rate is over 1 $s^{-1}$. The flow stress and the ultimate tensile strength increased due to the static pre-strain at intermediate strain rates. When comparing the effect of the dynamic pre-strain and the static pre-strain on the material properties of SPCC and DP590 at the strain rates of 0.001, 1, 10 and 100 $s^{-1}$, the effect of the dynamic pre-strain is greater than that of the static pre-strain. The flow stress and the ultimate tensile strength of SPCC and DP590 with the dynamic pre-strains increased more than those of SPCC and DP590 with the static pre-strains.
본 연구는 정적과 동적 예비변형률 효과를 고려한 준정적 및 중변형률속도에서의 차체 강판 물성 특성을 다룬다. 금속 재료의 동적 거동은 변형률속도 경화에 의해 정적 거동과 다르다. 더욱 신뢰할 수 있는 차량 충돌해석 결과를 얻기 위해서는 차체 강판의 정확한 동적 물성을 획득하는 것이 중요하다. 그러나 박판의 동적 물성에 관한 대부분의 연구들은 성형 효과를 고려하지 않고 차체 강판에서 직접 채취된 시편을 이용하여 수행되었다. 차량을 구성하는 부재들은 박판 성형 공정을 통해 생산되기 때문에 예비변형률 효과를 고려하는 것이 필수적이다. 대부분의 예비변형률 효과와 관련된 연구들은 준정적 변형률속도나 1000 $\textrm{s}^{-1}$ 이상의 고변형률속도에서 이루어졌다. 하지만 실제 차량 충돌 시 차량 부재에는 500 $\textrm{s}^{-1}$ 이하의 변형률속도가 분포하게 된다. 또한 금속 박판의 예비변형률 효과에 대한 선행된 연구들은 박판 성형 공정 시 차체 강판에 중변형률속도가 발생함에도 불구하고 준정적 변형률속도 조건으로 예비변형률이 부과된 시편을 이용하였다. 따라서 동적 예비변형률 효과를 고려한 중변형률속도에서의 동적 물성에 관한 연구가 필수적으로 요구된다.
본 연구에서는 SPCC와 DP590의 예비변형률 효과를 고려한 준정적 및 중변형률속도에서의 재료 물성을 얻기 위한 시험 기법을 다룬다. 또한 정적 및 동적 예비변형률 효과를 고려한 변형률속도 0.001$sim$100 $\textrm{s}^{-1}$에서 SPCC와 DP590의 물성 특성을 얻는 것이 본 연구의 목적이다. 시험 기법에서는 예비변형률 효과 시험을 위한 시편과 예비변형률 부과 장치의 새로운 설계안을 제시하였다. 예비변형률 부과 시험에서는 표점부와 노치부가 있는 형상의 시편이 이용되었으며 예비변형률 부과 장치는 중변형률속도 조건으로 시험을 수행하였을 때 표점부에 굽힘 변형이 발생하지 않도록 설계되었다. 인장시험기는 준정적 변형률속도 0.001 $\textrm{s}^{-1}$ 조건에서 Instron 5583을 사용하였으며 중변형률속도 1$sim$100 $\textrm{s}^{-1}$ 영역에서는 고속재료시험기(HSMTM)을 이용하였다.
예비변형률 효과 시험은 변형률속도 0.001$sim$100 $\textrm{s}^{-1}$ 영역에서 세 가지 조건으로 나뉘어 수행되었다. 첫 번째 시험 조건은 SPCC와 DP590 시편에 0.001, 1, 10, 100 $\textrm{s}^{-1}$ 조건으로 예비변형률 5 \%와 10 \%를 부과하고 같은 변형률속도 조건으로 인장시험을 수행하는 것이다. 그 결과, 0.001 $\textrm{s}^{-1}$ 변형률속도에서는 예비변형률을 부과한 경우의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도가 예비변형률 없이 인장시험을 수행하여 얻은 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도를 따라갔으며 이는 모든 연구자들이 알고 있는 사실과 일치한다. 반면 1 $\textrm{s}^{-1}$ 이상의 변형률속도 조건에서는 예비변형률에 의해 응력이 높아지는 현상이 나타났다. 중변형률속도 영역에서 예비변형률 효과로 인해 유동응력과 최대인장강도가 증가하였다. 두 번째 시험 조건은 SPCC와 DP590 시편에 100 $\textrm{s}^{-1}$ 변형률속도 조건으로 5 \%와 10 \%의 동적 예비변형률을 부과하고 변형률속도 0.001, 1, 10, 100 $\textrm{s}^{-1}$에서 인장시험을 수행하는 것이다. 두 번째 시험의 결과로부터 동적 예비변형률이 부과된 0.001, 1, 10, 100 $\textrm{s}^{-1}$에서의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도가 예비변형률이 부과되지 않은 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도를 따라가지 않았으며 동적 예비변형률에 의해 응력이 높아지는 경화 현상이 나타는 것을 확인하였다. 동적 예비변형률이 증가함에 따라 유동응력과 최대인장강도가 증가하였다. 세 번째 시험 조건은 SPCC와 DP590 시편에 0.001 $\textrm{s}^{-1}$ 조건으로 5 \%와 10 \%의 정적 예비변형률을 부과하고 0.001, 1, 10, 100 $\textrm{s}^{-1}$에서 인장시험을 수행하는 것이다. 정적 예비변형률이 부과된 0.001 $\textrm{s}^{-1}$에서의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도는 예비변형률이 부과되지 않은 경우의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도를 잘 따라간 반면 정적 예비변형률이 부과된 1, 10, 100 $\textrm{s}^{-1}$에서의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도는 예비변형률이 부과되지 않은 경우의 공칭 응력$-$공칭 변형률 선도를 따라가지 않았다. 변형률속도 1 $\textrm{s}^{-1}$ 이상의 영역에서 정적 예비변형률이 응력이 높아지는 경화 현상을 야기하였으며 중변형률속도에서 정적 예비변형률에 의해 유동응력과 최대인장강도가 증가하였다. 준정적 및 중변형률속도 영역에서 SPCC와 DP590의 재료 물성에 영향을 미치는 동적 예비변형률 효과와 정적 예비변형률 효과를 비교하였을 때 동적 예비변형률 효과가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. 동적 예비변형률이 부과된 경우 유동응력과 최대인장강도가 정적 예비변형률이 부과된 경우보다 더 크게 증가하였다.
