The high strain rate properties of auto-body steel have been studied for accurate crashworthiness of vehicles. The mechanical properties at high strain rates show different characteristics from those at the quasi-static state. In order to seek for the physical phenomenon of the strain rate hardening, a microscopic investigation has been conducted for the texture evolution and dislocation behavior of auto-body steel.
Tensile tests were performed at strain rates ranged from 0.001/sec to 100/sec which is the common range in practical vehicle crashes to investigate the microstructural variation and dislocation behavior. Then, samples were extracted from elongated tensile specimens to investigate the microstructural variation and dislocation behavior of deformed materials. Microstructural changes such as the size, shape, and aspect ratio of grains in the deformation textures were investigated at various strain rates using an electron backscattered diffraction (EBSD) experiment. The effect of the dislocation density, behavior, and multiplication with the variation of strain rates was also observed to clarify the mechanism of the strain rate hardening with transmission electron microscopy (TEM) experiments. This research provides a method of constructing a general constitutive equation regarding the microscopic behavior of texture and dislocations at various strain rates.
The investigation was mainly focused on the dislocation behavior and mechanism. At a low strain rate of 0.001/sec, the dislocation density is low compared to that at high strain rates and dislocations show the half-loop and V-shape since they are influenced significantly by the other dislocations and precipitations. At a high strain rate of 100/sec, the dislocation density increases abruptly and the dislocation mechanism constructs the dislocation crossing-net with the specific angle based on the slip system of the BCC structure. Results show that the dislocation shape and behavior are not influenced significantly by dislocation interaction and precipitations while they can induce the strain rate hardening by acting as dislocation sources or obstacles. A large number of crossing dislocations and precipitations accelerate the dislocation tangling and activate the strain rate hardening. Experiments with TRIP steels, which have low strain rate sensitivity, were conducted to observe different results from the strain rate hardening of SPCC steel. The dislocation structure in a specimen at each strain rate shows similar characteristics regardless of strain rates since hard second phases of TRIP steel restrict the dislocation movement in ferrite grains as dislocation obstacles and barriers with deformation.
고정도 충돌해석을 수행하기 위하여 고 변형률속도 영역에서 차체강판의 동적물성에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 높은 변형률속도에서의 동적물성 값은 준정적 변형률속도에서의 물성값과 비교하여 유동응력과 파단 연신율 등에서 큰 차이를 보이게 된다. 본 논문에서는 차체강판의 변형률속도 경화의 물리적 현상을 규명하기 위하여 텍스쳐 발전과 전위 거동의 측면에서 미시적인 관찰을 수행하였다.
변형률속도 영역은 차량 충돌 시 국부적으로 발생하는 0.001/sec 에서 100/sec의 변형률속도를 선정하여 다양한 변형률속도에 대하여 인장실험을 수행하였다. 텍스쳐 발전과 전위 구조, 전위 거동의 미시적 관찰을 위한 시료는 다양한 변형률속도로 변형된 인장시편의 표점부로부터 채취하였다. 다양한 변형률속도0.001/sec, 0.1/sec, 1/sec, 10/sec, 100/sec 으로 변형된 시료내의 결정립 크기와 형상, 세장 비 등은 전자 후방산란 실험을 이용하여 측정되었다. 또한 변형률속도에 따라서 전위밀도, 전위 구조와 거동이 변형률속도 경화에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 투과전자현미경을 이용하여 전위를 관찰하였다.
준정적 변형률속도에서 변형한 시료의 경우 반루프 형태의 전위와 V-형태 전위가 주로 발달하고 있다. 이러한 형태의 전위들은 변형 중에 석출물이나 다른 가동전위에 의하여 전위 이동에 방해를 받게 되어 휘어져 생성되었거나 두 개의 가동전위가 교차하는 과정에서 생성된 것으로 판단된다. 전위밀도는 상대적으로 낮으며 전위 사이의 뒤엉킴과 셀 구조는 발견되지 않는다. 1/sec 변형률속도에서 변형된 시료의 경우 반루프 형태의 전위와 V-형태 전위뿐만 아니라 동시에 직선 형태로 이루어진 교차전위가 발달하고 있다. 변형률속도가 증가함에 따라 전위밀도가 증가할 뿐만 아니라 준정적 변형률속도에서 발견되었던 전위 형태와는 다르게 직선 형태의 교차전위가 급격하게 증가하여 전위망 구조를 형성하는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 교차전위는 특정한 내각을 이루며 분포하고 석출물과 다른 가동전위와 함께 뒤엉킴과 셀 구조를 형성하고 있음을 관찰할 수 있다. 높은 변형률속도에서 석출물과 주변의 가동전위는 전위 구조에 크게 영향을 주지 않는 것으로 관찰되지만 전위 소스와 전위이동의 장애물로 작용하여 전위밀도를 상승시키거나 변형률속도 경화를 가속화 시키는 것으로 판단된다.
또한 변형률속도 민감도가 상대적으로 큰 TRIP강을 이용하여 전위분석을 수행하였다. 모든 변형률속도 시료에 대하여 반루프, V-형태, 교차전위 등 여러 종류의 전위 구조가 동시에 발달하고 있다. 변형률속도가 증가함에 따라 교차전위의 비율이 증가하고 이러한 교차전위들의 집합에 의한 전위망 구조가 명확하게 형성되고 있지만 각 변형률속도에 따른 전위 구조는 서로 비슷한 경향을 보이고 있다. TRIP강의 경우 페라이트 주위에 분포하고 있는 잔류 오스테나이트와 변태한 마르텐사이트 등이 강한 장애물로 작용하여 낮은 변형률속도에서도 초기 변형 시 복잡하고 견고한 전위 구조를 형성하게 된다. 따라서 변형률속도의 증가에 따라서 전위 구조와 전위 분포가 크게 달라지지 않으며 SPCC강과 비교하여 낮은 변형률속도 민감도를 갖는 것으로 판단된다.
