미세조직 예측을 위한 결정소성 유한요소해석 및 셀룰라 오토마타 기반의 멀티스케일 전산모사

Abstract

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.