미세조직 예측을 위한 결정소성 유한요소해석 및 셀룰라 오토마타 기반의 멀티스케일 전산모사 = Multi-scale simulation by crystal plasticity finite element method and cellular automata for prediction of microstructure
서명 / 저자 미세조직 예측을 위한 결정소성 유한요소해석 및 셀룰라 오토마타 기반의 멀티스케일 전산모사 = Multi-scale simulation by crystal plasticity finite element method and cellular automata for prediction of microstructure / 김동규.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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DME 14045

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Recently in automotive industry, manufacturing high strength steel is a key issue in order to produce a light weight car with advanced impact safety. In addition, development of AHSS (Advanced High Strength Steel) is of a major concern to improve formability of the automotive steel with high strength. In 2010, the portion of the steel in constitution of a car body counted for around 63% and the use rate of the AHSS among the steels has increased excessively since 2000. Henceforward, it is expected that such a trend will continue and accordingly optimization of production of associated materials will be carried on progressively. Nowadays, the researches related to the AHSS have been conducted in different approaches for their purposes. In this study, IF (interstitial free) steel which is used for fabrication of outer panel of the car body was selected as a material for research. The production line of the automotive steel, so called, TMCP (thermo-mechanical control processing) involves a wide spectrum of manufacturing processes such as hot rolling, cold rolling, post annealing, and etc. and it is followed by a various kinds of metallurgical phenomena such as plastic deformation, recrystallization, phase transformation, and their competition. Microstructure of the material fabricated by TMCP is subjected to changes of both grain size and crystallographic texture which is evolved due to the preferred reorientation of the crystal aggregate relative to surroundings. Such microstructural changes significantly influence the macroscopic mechanical properties of the materials. Especially, the grain size is one of the most influential factors on strength and the texture is a governing metallurgical parameter of anisotropy and formability. If there is a fault in the process design, the material will have microstructural defects and exhibit inhomogeneity of the macroscopic mechanical properties, which might cause degradation of formability such as surface defects and fracture. Hence, special consideration should be given to the microstructure evolution of the grain size and the texture when manufacturing the material. Furthermore, prediction and control of microstructure and texture evolution by the use of a numerical analysis technique are the prerequisite in order to improve the production efficiency rather than merely relying on field operator’s experience or trial-and-error approach. Particularly in the automotive and steel industries, development of an appropriate numerical technique is urgent to meet a variety of customer needs since new product development cycle is getting shorter for mass-customization. Up to now, conventional finite element method based on a continuum mechanics in connection with phenomenological yield function has been mainly utilized to predict anisotropy of the material. However, the conventional method is not capable to predict mechanical response which is sensitive to the variation of specimen and grain sizes since it does not take into account the mechanism behind the micoplasticity according to the microstructure and texture evolution. To overcome such limitations of the conventional method, there have been worldwide research activities on the simulation technique which can take into account the underlying micro mechanisms of plastic deformation such as crystallographic slip, intergranular interaction at the grain boundary, and intragranular deformation gradient. In this regard, crystal plasticity finite element method (CPFEM), which incorporates the crystal plasticity constitutive law into the finite element framework, has been known to be the most prominent technique. Therefore, in the present study, CPFEM program was developed to investigate the microstructure and texture evolution during the plastic deformation of the body-centered-cubic (BCC) material. A rate-dependent constitutive law on the slip system was implemented into in-house FE program, CAMPform3D. An integration point in the element was considered to be a single crystal. Evolution of critical resolved shear stress arising from the strain hardening was accommodated for individual slip system under consideration of both self and latent hardening. In order to validate the program developed in this study, the predictions of the flow stress and texture evolution were compared with the corresponding experimental results from the literature of uniaxial compression, uniaxial tension, plane strain compression, and simple shear. The comparisons revealed that the simulation results were in good agreement with the experimental results. Meanwhile, to enhance the formability degraded due to the excessive work hardening, the production line of automotive steel involves annealing heat treatment which is accompanied by recrystallization. Due to the recrystallization, grain size and its distribution change and recrystallization texture evolves along with the preferred reorientation of the crystals to comply with thermodynamic equilibrium, resulting in the macroscopic mechanical property. So far, many mathematical models based on empirical equations have been suggested for prediction of microstructure evolution during the manufacturing processes. The mathematical models, however, have limitations such that they have restricted prediction range and low expandability to the various metallurgical phenomena. As alternatives of them, spatially discrete grain-scale models have obtained a lot of attention since they can provide better understanding of the extremely complex kinetics that arises from the simultaneous migration of a number of grains and their competition to grow into the deformed regions. In the present study, cellular automata (CA), which is one of the most representative spatially discrete models, was developed to investigate the microstructure and texture evolution during static recrystallization. Probabilistic state transformation rule was adopted together with shape factors for removing artificial grid effect. In an attempt to contemplate anisotropic property of grain boundary migration, the grain boundary mobility was represented as a function of misorientation and the pressure was expressed as a function of dislocation density difference, curvature, and misorientation. In order to validate the program developed in this study, the recrystallization kinetics resulting from CA simulations were investigated in terms of the JMAK and grain growth exponents. Lastly, it is required to conduct through-process modeling of microstructure evolution during plastic deformation and post-annealing by establishing sound ties between CPFEM and CA techniques since overall processes in the automotive industry are bound together. In this consideration, a numerical technique for microstructure control by multi-scale simulation by CPFEM and CA is suggested.

최근 자동차 업계에서는 차체의 경량화와 충돌안전성을 향상시키기 위해 차체에 사용되고 있는 강판의 고강도화가 중요한 이슈이다. 또한, 자동차 강판의 성형성 개선을 위해 차체용 고강도 강판 AHSS (Advanced High Strength Steel)에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 자동차 재료의 구성에서 철강 재료의 사용 비율은 2010년에 약 63%에 달하였으며, 차체용 강판에서 고강도 강판의 사용이 2000년 이후 급격히 증가하였다 (Figure 1 1). 향후 이러한 추세는 더욱 증가할 것으로 보이며 관련 재료의 최적화가 계속해서 추진될 것이다 [1]. 최근의 고강도 강판 관련 연구는 용도별로 대상강종을 달리하는 데 본 연구에서는 외판 패널용인 IF (interstitial free) 강을 대상강종으로 선정하였다. 자동차 강판의 생산과정은 열간압연, 냉간압연 및 후속 열처리 등과 같은 복잡한 일련의 열가공처리 (thermo-mechanical control process, TMCP)를 거치며 재료는 소성변형, 재결정, 상변태 현상을 수반하게 된다. TMCP 공정을 거친 재료의 미세조직은 결정립 크기가 변할 뿐만 아니라 결정립의 방위가 일정한 방향으로 우선 배향하면서 결정학적인 집합조직 (crystallographic texture)이 발달하고 입계특성이 크게 변하게 된다. 이러한 미세조직의 변화는 재료의 기계적 성질 및 성형성 (formability)에 큰 영향을 미치게 된다. 특히, 결정립 크기는 재료의 강도를 좌우하는 중요한 인자이며, 집합조직은 재료의 이방성 및 성형성을 지배하는 인자이다. 만약, 공정설계가 잘못될 경우 재료는 미세조직적인 결함을 가지며, 거시적인 기계적 성질의 불균일성을 초래하게 되어 표면 결함 또는 파손 등 성형성의 부재를 야기할 수 있다. 따라서 금속재료 생산 시에 결정립 크기 및 집합조직과 같은 미세조직 발달에 대배 반드시 고려해야 한다. 또한, 공정의 생산성 향상을 도모하기 위해서는 현장 설계자의 경험이나 시행착오에 의존하기 보다는 수치 해석 (numerical analysis) 기법의 활용을 통한 미세조직 및 집합조직 발달에 대한 예측 및 제어가 필수적이다. 특히, 자동차 및 철강업계에서는 다품종 소량화를 지향함에 따라 신차 개발 주기가 짧아지기 때문에 급변하는 제품에 대한 고객의 다양한 요구를 충족시키기 위해서는 적절한 수치해석 기법의 개발이 절실한 실정이다. 현재까지는 소재의 소성변형 거동을 예측하는 데 있어 현상학적인 항복함수를 도입한 연속체 역학에 기반을 둔 유한요소기법을 주로 사용해왔으나, 이는 소재 내부의 미세조직 변화에 따른 미시소성 메커니즘을 고려할 수 없었으며, 소재의 치수 및 결정립의 크기에 따른 기계적 물성 변화 및 이방성을 예측할 수 없었다. 따라서 최근에는 소성변형에 따른 결정립 내의 결정학적 슬립시스템 상에서의 전위 간 상호작용, 결정립 경계에서 이웃한 결정립 간 상호작용 등의 미시소성 메커니즘을 고려할 수 있는 전산모사 기법에 대한 연구가 국제적으로 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 결정소성 이론 기반의 구성방정식을 접목한 결정소성 유한요소법 (crystal plasticity finite element method, CPFEM)은 소성변형 시에 미세조직 및 집합조직 변화에 따른 미시소성 매커니즘을 고려할 수 있는 전산모사 기법으로 각광을 받고 있으며, 이에 본 연구에서는 결정립단위의 미시소성 거동을 예측할 수 있는 CPFEM 프로그램을 개발하고자 하였다. 한편, 자동차 강판의 생산공정은 열처리를 포함하는 데 이 과정에서 재료는 재결정 및 상변태를 수반하게 된다. IF강의 경우 재결정에 의해 결정립 크기 분포가 좌우되고, 열역학적 안정화에 의해 결정립들이 회전하여 재결정 집합조직 (recrystallization texture)이 발달하게 되어 재료의 기계적 성질이 결정된다. 이러한 미세조직 변화를 예측하기 위한 기존의 전산모사 연구는 경험식 기반의 수식 모델을 사용하였으나, 이 경우 제한된 공정변수의 도입으로 인하여 예측 범위에 한계가 있으며, 보다 더 복잡하고 다양한 미세조직적 현상을 고려하는 데 있어 확장성이 떨어진다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 결정립단위의 격자에 물리적 모델을 적용한 셀룰라 오토마타 (cellular automata, CA) 프로그램을 개발하고자 하였다. 이와 같이 자동차 강판의 생산과정은 전체 프로세스가 연계되어 있기 때문에 소성변형과 후속 열처리에 따른 미세조직 변화에 대한 포괄적인 고찰이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 결정립단위에서 열가공처리에 따른 미세조직 변화를 예측할 수 있는 멀티스케일 전산모사 (multi-scale simulation) 기법을 제시하고자 한다. 개발된 CPFEM-CA 해석 기법을 활용하여 IF 강의 열가공처리 시에 미세조직 변화를 예측하고, 실험결과와의 비교 검증을 통해 개발된 해석 기법의 적용가능성을 평가하고자 한다. 이와 같은 연구를 통해 고강도 및 고성형성의 우수한 기계적 성질을 가지는 자동차용 강판의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 나아가서는 원하는 기계적 성질을 갖는 소재 및 부품을 생산하는 데 있어 전주기적인 프로세스의 전산모사를 통한 공정설계 혁신 실현을 위한 전기를 마련할 수 있을 것이라 사료된다.


청구기호 {DME 14045
형태사항 xi, 169 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Dong-Kyu Kim
지도교수의 한글표기 : 임용택
지도교수의 영문표기 : Yong-Taek Im
부록 수록
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 160-169
주제 결정소성유한요소해석
셀룰라 오토마타
Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM)
Cellular Automata (CA)
Thermo-Mechanical Control Processing (TMCP)
Plastic Deformation
Crystallographic Texture
Interstitial Free (IF) Steel
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