This thesis is concerned with developing anisotropic fracture forming limit criteria for the prediction of the material formability in sheet metal forming to predict the sudden fracture in complicated forming processes for advanced high-strength steel (AHSS) sheets. A new anisotropic ductile fracture criterion is developed to provide a phenomenological model in consideration of non-directionality of the equi-biaxial fracture strain as well as the effect of anisotropy at the macroscopic level particularly for sheet metal forming application. In developing the anisotropic ductile fracture criterion, the Hill’s 48 criterion is employed to take account of the influence of anisotropy on the equivalent plastic strain at the onset of fracture. For the derivation of the anisotropic ductile fracture criterion, the principal stresses are expressed in terms of the stress triaxiality, the Lode parameter, and the effective stress based on the Hill’s 48 criterion to include the effect of directionality of typical loading states on the material orientation. For determination of the parameters of the fracture criterion proposed, the two-dimensional Digital Image Correlation (DIC) method is utilized to measure the strain histories on the surface of three different types of specimens: the pure shear; the uniaxial tension; and the plane strain tension. The measurement results are investigated to quantitatively identify the anisotropy effect on the equivalent plastic strain at the onset of fracture. From the proposed fracture criterion, three different kinds of fracture forming limit criteria are introduced: a strain-based Fracture Forming Limit Diagram (FFLD); a stress-based FFLD; and a Polar Effective Plastic Strain (PEPS) FFLD. These fracture forming limit criteria are obtained with an assumption of the proportional loading under the plane stress condition.
A scaling method for a strain-based fracture forming limit criterion is also discussed in order to capture the onset of fracture using a single forming limit curve for an anisotropic material. Experimental validations are performed in the viewpoint of a structural and a specimen level through the square cup drawing and the tensile test at additional loading directions. In comparison of the experimental results with the ones predicted from the proposed fracture criterion, it is clearly concluded that the proposed fracture criterion has a sufficient capability to predict the fracture initiation over a wide range of stress states in consideration of the material anisotropy as well as non-directionality of the equi-biaxial fracture strain. Comparison of the strain-based FFLD and the PEPS FFLD reveals that the PEPS FFLD is able to predict the fracture initiation regardless of the strain path change whereas the performance of the strain-based FFLD can be valid only for the case that the material point is under the proportional loading condition. Consequently, the PEPS FFLD can play a key role in predicting the fracture initiation during complicated sheet metal forming processes of AHSS sheets in addition to its path independence and simplicity of measuring strains in real forming processes.
최근 자동차 산업 분야에서 차체의 충돌성능과 안전성을 위하여 차체에 사용되고 있는 재료 중 고강도강의 비율을 점차적으로 확대하고 있다. 그러나 고강도강(Advanced High Strength Steels, AHSSs)은 기계적 강도가 높은 반면 연성이 작기 때문에 성형공정에서 적은 량의 소성변형이 수반되는 경우에도 재료의 파단이 발생하는 현상이 관찰되었다. 네킹을 거의 동반하지 않고 파단이 발생하므로 기존의 네킹 기반의 성형한계도(Forming Limit Diagram, FLD)는 파단을 예측하기에는 한계가 있다. 파괴가 발생하는 하중경로 역시 기존 성형한계도가 다루지 않는 단축 압축에서 단축인장 사이의 하중경로에서 파괴가 발생하기 때문에 다양한 하중경로에 대한 파괴기반의 성형성 평가가 요구되고 있는 실정이다. 판재는 압연공정으로 인하여 일반적으로 두께방향 및 평면 상의 이방성을 가지며 이는 하중방향 및 하중경로와 더불어 재료의 파괴에 영향을 미친다. 고강도강을 이용한 차체 성형 시 재료 성형성의 정량적 평가를 위해서는 판재의 이방성이 파괴물성에 미치는 영향을 필수적으로 고려하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 하중경로 및 하중방향을 고려한 연성파괴조건을 개발하고 이를 바탕으로 자동차 산업의 파괴조건 적용을 위한 여러 파괴성형한계를 제시하고자 한다. 기존의 Lou--Huh 연성파괴조건을 기반으로 Hill’s 48 이방성 항복조건을 적용하여 판재의 파괴에 영향을 미치는 이방성을 고려할 수 있도록 하였고, 코시 응력 텐서(Cauchy stress tensor)의 좌표 변환을 통해 주응력 및 최대주응력 방향에 의존적인 이방성 파괴조건을 제안하였다. 제안된 파괴조건을 정량적으로 평가하기 위해 고강도강의 일종인 DP980 1.2t 판재 내 다양한 하중방향(rollding direction, diagonal direction, transver direction)에서 획득한 파괴물성을 이용하여 파괴조건식의 계수를 결정하였고, 개발된 파괴조건을 통하여 각 방향 별 파괴물성을 정량화하였다. 제안된 파괴조건은 로데 변수(Lode parameter)와 Hill’s 48 이방성 항복조건 기반의 응력삼축성 및 최대 주응력 방향으로 정의되며, 이 파라미터들의 조합을 통해 재료점이 겪는 다양한 하중경로를 고려할 수 있다. 또한, 판재의 평면 내 이방성이 특정 하중경로와 더불어 파단물성에 미치는 복합적인 효과가 최대 주응력 방향으로 연관되어 판재의 평면 내 이방성을 고려한 특정하중경로에서의 파단변형률을 정량적으로 평가할 수 있다. 사각 컵 드로잉 시험과 특정 하중경로를 구현한 시편의 인장시험 결과 및 제안된 파괴조건의 파괴예측결과의 비교를 통해 파괴조건의 파괴예측성능을 확인하였고, 고강도강의 파괴예측을 위한 이방성 연성파괴조건으로써의 유효성을 검증하였다.
