FSSWed TRIP 강재 접합부의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 온도, 변형률 및 변형률 속도의 영향에 관한 유한요소 및 실험적 연구

Finite element and experimental investigation on the effects of temperature, strain and strain rate on microstructure and mechanical properties of FSSWed TRIP steel joints

본 연구는 자동차 산업에서 수요가 증가하고 있는 변태 유기 소성(TRIP) 강의 마찰 교반 점 용접(FSSW) 공정 중 발생하는 열-역학적 파라미터가 접합부의 품질에 미치는 영향을 분석합니다. 유한요소 해석과 실험적 검증을 통해 최적의 회전 속도와 미세조직 변화 사이의 상관관계를 기술적으로 규명하였습니다.

Paper Metadata

• Industry: 자동차 산업 (Automotive Industry)
• Material: TRIP 강 (Transformation Induced Plasticity Steel)
• Process: 마찰 교반 점 용접 (Friction Stir Spot Welding, FSSW)

Keywords

• Friction stir spot welding
• TRIP steel
• Finite element modeling
• Microstructure
• Mechanical properties
• Strain rate

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 900, 1200, 1500, 1800 rpm의 네 가지 공구 회전 속도에서 FSSW 공정을 수행하였습니다. ABAQUS 소프트웨어를 활용하여 열 이력, 변형률 및 변형률 속도를 도출하기 위한 완전 결합형 3D 유한요소 모델을 개발하였으며, 이를 K-타입 열전대를 이용한 실측 데이터와 비교하여 검증하였습니다. 실험적으로는 광학 현미경(OM), 전계 방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM), 전자 후방 산란 회절(EBSD), X선 회절(XRD)을 통해 미세조직을 분석하고, 비커스 미세 경도 및 겹치기 전단 인장 시험을 통해 기계적 특성을 평가하였습니다.

Key Findings

유한요소 해석 결과, 최대 변형률은 회전 속도에 따라 7.2에서 9.9까지 증가하였으며, 최고 온도는 940°C에서 1150°C 범위로 나타났습니다. 접합부의 전단 강도는 1500 rpm에서 최대 9.9 kN을 기록하였으나, 1800 rpm에서는 8.4 kN으로 감소하는 경향을 보였습니다. 미세 경도는 교반부(SZ)에서 가장 높게 나타났으며, 회전 속도가 증가함에 따라 전반적인 경도 수치가 상승하였습니다. 잔류 오스테나이트 분율은 모재의 13%에서 교반부의 2-3%로 감소하였으며, 이는 마르텐사이트 변태 및 동적 재결정화의 결과로 분석됩니다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 자동차 구조용 고장력강인 TRIP 강의 접합 공정 설계 시 공구 회전 속도 최적화의 근거를 제공합니다. 특히 입자 미세화와 결정립 성장 사이의 임계점을 파악함으로써 접합부 강도를 극대화할 수 있는 공정 윈도우를 설정하는 데 기여할 수 있습니다. 또한 유한요소 모델을 통해 실제 실험 없이도 접합부 내부의 열-역학적 상태를 예측하여 공정 개발 비용을 절감할 수 있는 실무적 가치를 지닙니다.

Theoretical Background

TRIP 강의 다상 미세조직

TRIP 강은 페라이트, 마르텐사이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트로 구성된 복합 조직을 가집니다. 변형 과정에서 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되는 특성 덕분에 높은 강도와 우수한 연성을 동시에 확보할 수 있어 자동차 충돌 에너지 흡수 부품에 적합합니다. 용융 용접 시 이러한 고유의 미세조직이 파괴되는 한계가 있으나, FSSW와 같은 고상 접합 방식은 재료를 용융시키지 않고 접합하여 조대한 결정립 형성과 응고 결함을 방지할 수 있는 이론적 이점을 제공합니다.

Zener-Hollomon 파라미터와 재결정

마찰 교반 공정 중 발생하는 결정립 크기 변화는 Zener-Hollomon 파라미터(Z)를 통해 이론적으로 설명됩니다. 이는 변형률 속도와 온도의 함수로 정의되며, 교반부(SZ)에서 발생하는 불연속 동적 재결정(DDRX) 현상을 정량화하는 데 사용됩니다. 높은 회전 속도는 변형률 속도를 높여 Z 파라미터를 증가시키고 입자 미세화를 촉진하지만, 동시에 발생하는 과도한 입열은 결정립 성장을 유발하는 상충적인 효과를 가집니다. 따라서 이론적으로 최적의 Z 파라미터 범위를 찾는 것이 접합부 강도 확보의 핵심입니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 0.21 C, 1.5 Si, 1.68 Mn 성분의 1.2 mm 두께 TRIP 강판이 사용되었습니다. 텅스텐 카바이드 재질의 공구(숄더 직경 10 mm, 핀 직경 5 mm, 핀 길이 1.9 mm)를 사용하여 2초의 유지 시간과 2 mm의 압입 깊이 조건에서 용접을 수행하였습니다. ABAQUS를 이용한 시뮬레이션에서는 재료의 온도 의존적 물성을 반영하였으며, K-타입 열전대를 핀 중심에서 3, 5, 5.5, 6.5 mm 떨어진 지점에 배치하여 온도 이력을 정밀하게 측정하고 모델의 타당성을 검증하였습니다.

Visual Data Summary

단면 분석 결과, 접합부는 교반부(SZ), 열-역학적 영향부(TMAZ), 열 영향부(HAZ)의 세 영역으로 명확히 구분되었습니다. FE-SEM 관찰을 통해 SZ에서는 래스 마르텐사이트(lath martensite)가 주된 상으로 나타났으며, 회전 속도가 증가함에 따라 동종 페라이트(allotriomorphic ferrite)의 양이 증가하고 결정립 크기의 불균일성이 심화되는 것이 확인되었습니다. 파단면 분석에서는 1500 rpm까지는 균일한 딤플 패턴의 연성 파괴 양상을 보였으나, 1800 rpm에서는 연성이 감소한 파괴 형태가 관찰되었습니다.

Variable Correlation Analysis

회전 속도와 접합 강도 사이에는 비선형적인 상관관계가 존재합니다. 회전 속도가 900 rpm에서 1500 rpm으로 증가함에 따라 결합 계면 폭(bonding ligament width)이 210 µm에서 350 µm로 넓어지며 강도가 상승하였습니다. 그러나 1800 rpm에서는 변형률 속도 증가에 의한 미세화 효과보다 고온에 의한 결정립 성장 효과가 지배적으로 작용하여 강도가 하락하였습니다. 또한, 회전 속도 증가에 따라 냉각 속도가 감소하며 탄소 확산 시간이 늘어나 잔류 오스테나이트의 안정성 및 분율에 영향을 미치는 것으로 분석되었습니다.

Paper Details

Finite element and experimental investigation on the effects of temperature, strain and strain rate on microstructure and mechanical properties of FSSWed TRIP steel joints

1. Overview

• Title: Finite element and experimental investigation on the effects of temperature, strain and strain rate on microstructure and mechanical properties of FSSWed TRIP steel joints
• Author: Ali Ebrahimpour, Amir Mostafapour, Kaveh Samadian
• Year: 2018
• Journal: Materials Research Express

2. Abstract

FSSWed TRIP 강재 접합부를 900, 1200, 1500, 1800 rpm의 네 가지 회전 속도에서 조사하였습니다. 용접 중 열 이력, 변형률 및 변형률 속도를 얻기 위해 유한요소 모델을 개발하였으며, 결과는 실험 데이터로 검증되었습니다. 미세조직, 미세 경도 분포 및 전단 인장 강도를 검토하였습니다. FSSW 공정은 제안된 모든 용접 파라미터에서 결함이 없는 고품질의 접합부를 성공적으로 생성하였습니다. 공정에 의해 부과된 온도 및 변형률 분포의 결과로, 용접 영역에서 세 가지 다른 구역이 결정되었습니다: 재결정 구조를 가진 교반부(SZ), 마르텐사이트가 주요 상인 열-역학적 영향부(TMAZ), 그리고 열 영향부(HAZ)입니다. 최대 미세 경도는 교반부에서 달성되었으며 키홀에서 멀어질수록 감소하였습니다. 전반적으로 미세 경도는 회전 속도가 증가함에 따라 증가하였습니다. 접합부의 강도는 1500 rpm에서 최대값 9.9 kN까지 증가한 후 1800 rpm에서 8.4 kN으로 감소하는 것으로 나타났습니다. 회전 속도가 증가함에 따라 변형률 속도가 증가하여 이전 오스테나이트 결정립의 재결정화를 유발하지만, 높은 회전 속도에서는 더 높은 온도가 재결정된 결정립의 성장을 초래합니다. 접합부의 파단면은 인장 연신율이 낮은 1800 rpm을 제외하고 모든 경우에서 딤플 패턴의 연성 파괴를 보여주었습니다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비: 0.21 C-1.5 Si-1.68 Mn 조성을 가진 TRIP 강판을 준비하고 특정 열처리 경로를 통해 미세조직을 제어함.
3.2. 용접 공정: 텅스텐 카바이드 공구를 사용하여 900~1800 rpm 범위에서 FSSW를 수행하고, 2초의 유지 시간과 2 mm 압입 깊이를 유지함.
3.3. 수치 해석: ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 열-역학적 결합 3D 유한요소 모델링을 수행하고 변형률 및 온도 분포를 계산함.
3.4. 특성 평가: XRD를 이용한 잔류 오스테나이트 측정, FE-SEM 및 EBSD를 이용한 미세조직 분석, 100g 하중의 비커스 경도 시험 및 전단 시험을 실시함.

4. Key Results

회전 속도가 증가함에 따라 최고 온도는 940°C에서 1150°C로 상승하였으며, 이는 냉각 속도의 감소를 동반하였습니다. 교반부(SZ)의 미세 경도는 모재보다 높은 약 512 VHN에 도달하였으며, 이는 미세한 결정립 크기와 마르텐사이트 형성의 복합적인 효과입니다. 결합 계면 폭은 회전 속도에 비례하여 210 µm에서 350 µm로 증가하였으나, 1800 rpm에서는 결정립 조대화로 인해 실제 인장 강도는 감소하였습니다. 잔류 오스테나이트는 열 영향부에서 탄소 확산으로 인해 안정성이 변화하며, 회전 속도에 따라 그 분율이 민감하게 반응함을 확인하였습니다.

5. Mathematical Models

$$Z = \dot{\varepsilon} \exp\left(\frac{Q}{RT}\right)$$ $$d = k \left(\frac{Z}{A}\right)^{-p}$$ $$Q = 267000 – 2535 \%C + 1010 \%Mn + 33620 \%Si$$ $$A(s^{-1}) = (12.197 + 65.59 \%C) \exp(7.076 \times 10^{-5} Q)$$

Figure List

1. 시편 내 열전대 위치 및 FSSW 공구 개략도
2. 수치 해석과 실험적 최고 온도 비교 (1200 rpm)
3. 모재(BM)의 IPF 맵, HAGB 및 IQ 맵
4. BM, HAZ, TMAZ, SZ의 광학 현미경 미세조직
5. 실험적 접합부 단면 및 유한요소 모델의 온도/변형률 분포
6. TMAZ의 FE-SEM 미세조직 사진
7. 각 회전 속도별 교반부(SZ)의 FE-SEM 미세조직
8. 교반부의 열 이력 및 냉각 속도 곡선
9. 네 가지 용접 샘플의 비커스 미세 경도 프로파일
10. 1200 rpm 및 1800 rpm에서의 결합 계면 폭 비교
11. 회전 속도에 따른 온도, 변형률 속도, 결정립 크기 및 강도 응답
12. 1500 rpm 및 1800 rpm 접합부의 전단 파단면 SEM 사진

References

1. C. Mazzaferro et al. (2015). Microstructural and mechanical observations of galvanized TRIP steel after friction stir spot welding.
2. T. C. Lomholt et al. (2011). Microstructure characterization of friction stir spot welded TRIP steel.
3. W. M. Thomas et al. (1991). Friction-stir butt welding.
4. G. Pieta et al. (2014). Optimization of friction spot welding process parameters for AA2198-T8 sheets.
5. A. Mostafapour et al. (2017). Numerical and experimental study on the effects of welding environment and input heat on properties of FSSWed TRIP steel.

Technical Q&A

Q: 공구 회전 속도가 증가할 때 접합부 강도가 감소하는 임계점은 어디이며 그 이유는 무엇입니까?

본 연구에서 강도의 임계점은 1500 rpm으로 나타났습니다. 1500 rpm까지는 회전 속도 증가에 따라 입열량이 늘어나 결합 계면 폭이 넓어지고 강도가 상승하지만, 1800 rpm에 도달하면 과도한 입열로 인해 재결정된 이전 오스테나이트 결정립이 급격히 성장하게 됩니다. 이러한 결정립 조대화는 마르텐사이트 패킷 크기를 키워 미세조직적 강도를 저하시키는 결과를 초래합니다.

Q: 유한요소 모델링을 통해 도출된 최대 변형률과 온도의 범위는 어떻게 됩니까?

시뮬레이션 결과, 회전 속도가 900 rpm에서 1800 rpm으로 증가함에 따라 최대 변형률은 7.2에서 9.9까지 점진적으로 증가하는 것으로 계산되었습니다. 최고 온도는 동일한 회전 속도 범위에서 940°C에서 1150°C까지 상승하였으며, 이러한 열-역학적 데이터는 실제 열전대 측정값과 높은 일치성을 보여 모델의 신뢰성을 입증하였습니다.

Q: 교반부(SZ)에서 잔류 오스테나이트 분율이 급격히 감소하는 이유는 무엇입니까?

모재(BM)의 잔류 오스테나이트 분율은 약 13%였으나 교반부에서는 2-3% 수준으로 크게 감소하였습니다. 이는 교반부의 온도가 Ac3 변태점 이상으로 상승하여 조직이 완전히 오스테나이트화된 후, 냉각 과정에서 강한 소성 변형과 함께 마르텐사이트로 변태되었기 때문입니다. 또한 동적 재결정 과정에서 발생하는 높은 전위 밀도가 오스테나이트의 기계적 안정성에는 기여할 수 있으나, 최종적으로는 대부분 마르텐사이트나 페라이트로 변태됩니다.

Q: TMAZ 영역에서 관찰되는 주요 미세조직적 특징과 형성 메커니즘은 무엇입니까?

TMAZ(열-역학적 영향부)는 Ac1과 Ac3 사이의 온도 영역으로 가열되어 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 구역입니다. FE-SEM 분석 결과, 이 영역에서는 페라이트, 잔류 오스테나이트, 베이나이트 및 래스 마르텐사이트가 혼재된 다상 조직이 관찰됩니다. 형성 메커니즘으로는 동적 회복, 동적 재결정 및 변형 유기 페라이트 변태가 주요하게 작용하며, FSSW의 기계적 교반에 의해 상대적으로 큰 변형을 겪은 상태로 유지됩니다.

Q: Zener-Hollomon 파라미터가 결정립 크기 예측에 어떻게 활용되었습니까?

Zener-Hollomon 파라미터(Z)는 변형률 속도와 온도를 결합하여 재료의 변형 에너지를 나타냅니다. 본 연구에서는 유한요소 해석으로 얻은 변형률 속도와 온도를 식 (1)에 대입하여 Z 값을 산출하고, 이를 식 (2)의 결정립 크기(d) 관계식에 적용하였습니다. 이를 통해 1500 rpm에서 이전 오스테나이트 결정립 크기가 4.5 µm로 최소화됨을 이론적으로 예측하였으며, 이는 실험적으로 관찰된 강도 최대값과 일치하는 결과를 보여주었습니다.

Conclusion

본 연구는 FSSW 공정 파라미터가 TRIP 강 접합부의 열-역학적 상태와 미세조직에 미치는 영향을 통합적으로 규명하였습니다. 유한요소 모델은 접합부 내부의 온도와 변형률을 정확히 예측하였으며, 이를 통해 1500 rpm이 강도와 미세조직 미세화 측면에서 최적의 회전 속도임을 확인하였습니다. 회전 속도 증가에 따른 결합 폭 확대와 결정립 성장 사이의 균형이 최종 접합 품질을 결정하는 핵심 요소임을 밝혀냈으며, 이는 향후 고장력강의 고상 접합 공정 최적화에 중요한 지침을 제공합니다.

Source Information

Citation: Ali Ebrahimpour, Amir Mostafapour, Kaveh Samadian (2018). Finite element and experimental investigation on the effects of temperature, strain and strain rate on microstructure and mechanical properties of FSSWed TRIP steel joints. Materials Research Express.

DOI/Link: https://doi.org/10.1088/2053-1591/aae8f3

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