복합조직강의 미세조직-강도 상관성에 대한 나노역학적 분석

Abstract

철강재료는 가장 널리 사용되는 금속재료로써, 상대적으로 저렴하고 우수한 강도-연성의 조합을 가지는 것으로 알려져있다. 최근 개발되고 있는 고강도강(AHSS, advanced high strength steel)은 대부분이 복합상들로 미세조직이 구성되어 있으며, 우수한 물성의 AHSS 을 얻기 위해서는 구체적으로 미세조직을 제어하는 것이 매우 중요하다. 조성 및 공정조건으로부터 미세조직예측은 많은 연구에 의해 정립되어 있으며, 일부모델은 실제로 적용되고 있다. 그러나 미세조직으로부터 기계적 물성을 예측하려는 연구가 많이 수행되었음에도 불구하고, 정확한 물성을 예측하는데는 한계가 있었다. 복합조직강의 기계적 물성에 영향을 미치는 주요 인자는 구성상의 물성, 체적률, 분포상태, 결정립크기 등이 있으며, 미세조직 인자와 기계적 물성 간의 상관관계를 이해하는 것이 필수적이다. 또한, 복합조직강의 구성상의 강도 차이에 의해 불균일 변형거동이 나타나며, 이전의 연구에서는 미소역학모델(micromechanical model)로 불균일 변형 거동을 해석하려고 하였다. 비록 최근까지 이들과 관련하여 많은 기계적 거동 연구들이 수행되어 왔지만, 아직까지도 해결하지 못한 이슈들이 남아 있으며, 본 연구에서 주목하고 있는 이슈들을 살펴보면 다음과 같다. 첫째로, 기존의 연구에서는 복합조직강의 각 구성상의 유동곡선을 실험적으로 평가하는데 어려움이 있었다. 둘째로, 주요 강화요소인 결정립계의 영향을 항복강도와 유동응력 영역에서 구분지어 평가하는 연구가 거의 없었다. 셋째로, 복합조직강 미세조직의 형상이 극단적인 다층강(multi-layered steel)의 경우, 각 구성층이 전체 물성에 미치는 영향을 평가한 연구는 수행된 바 없었다. 따라서, 본 학위논문에서는 이러한 점을 염두에 두고 다양한 복합조직강에 대한 나노역학 거동(nano-mechanical behavior) 을 체계적으로 이해하기 위한 연구를 수행하였고, 주된 내용은 아래에 나타낸 바와 같이 크게 세가지로 나눌수 있다. 첫째, 복합조직강의 유동곡선은 압입자 반경이 다른 두개의 구형압입자를 이용한 나노압입시험을 통해 예측하였다. 그 방법은 크게 2단계로 나뉜다. 첫째, 나노압입 시험을 통해서 응력/변형율 물성을 얻을 수 있으며, 나노압입시험에서 발생하는 압입크기효과를 고려하여 각 상의 매크로한 유동곡선을 평가하였다. 둘째, 등변형율 방법(ISM, isostrain method)과 비등변형율 방법(NISM, non-isostrain method)으로 복합조직강의 유동곡선을 예측하였다. 두 가지 상으로 구성된 다양한 복합조직강(페라이트-펄라이트 및 페라이트-베이나이트)에 대해 구형 압입자를 이용한 나노압입 시험을 수행함으로써 유동곡선을 얻는 방법을 제안하였다. 예측된 유동곡선과 벌크 시편에 대해 표준 인장 시험으로부터 얻은 유동곡선과 직접 비교함으로써 타당성을 입증하였다. 흥미롭게도, 간단한 ISM과 더욱 정교하고 실제상태와 유사한 NISM을 통해 예측된 유동곡선이 거의 동일함을 확인하였고, 그 이유를 분석하였다. 둘째, 다결정재료의 결정립계 강화는 Hall-Petch 관계로 나타낼수 있으며, 나노압입시험을 통하여 복합조직강의 항복강도와 유동응력에 대한 Hall-Petch 상수, k, 를 쉽고 간편하게 평가하는 방법을 제안하고자 하였다. 첨단 압입자를 이용하여 유동응력에 대한 kf 를 평가하였으며, 구형압입시험에서 나타나는 탄-소성 전이 거동에 의한 팝인(pop-in) 현상으로부터 최대 전단 항복 강도를 측정함으로써 항복응력에 대한 ky를 평가하였다. 나노압입시험으로 측정된 값을 문헌에서 보고된 표준인장시험으로 얻은값과 비교함으로써 제안된 방법의 타당성을 입증하였다. 마지막으로, 다층강은 강도가 우수한 상 (420 마르텐사이트계 스테인레스 강)과 연성 또는 가공경화지수가 우수한 상(301 오스테나이 트계 스테인레스 강)을 서로 교대로 적층하여 압연공정을 통해 만든 강재로써, 우수한 인장강도(˃ 1.4 GPa)와 연신율(˃ 20%)을 나타낸다. 나노압입시험을 통해 각 구성층이 다층강의 인장강도와 연신율에 미치는 영향을 체계적으로 평가하고자 하였다. 먼저, 두개의 구형 압입자를 이용한 나노압입시험을 통해 다층강의 전체 인장강도에 어떻게 영향을 주는지 평가하였다. 다층강의 압연방향으로 인장응력이 가해질 경우, 등변형율 조건으로 가정할 수 있으며, 나노압입시험으로 얻은 유동곡선과 벌크시편에 대해 표준인장시험을 통해 얻는 유동 곡선과 비교함으로써, 각 층의 강도가 전체 강도에 동등하게 영향을 주는 것으로 나타났다. 다음으로, 첨단압입자를 이용한 나노압입시험을 통해 다층강의 전체 파단 연신율에 어떻게 영향을 주는지 평가하였다. 인장변형율을 다양하게 한 시편의 각 층에 나노압입시험을 수행 하였으며, 변형이 증가함에 따라 420 층의 경도는 거의 일정하게 유지 되는 반면, 301 층의 경도는 두드러지게 증가하였다. 301 층의 경도가 420 층의 경도에 거의 동일하게 되는 변형율에서 파단이 일어나는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 301 층의 변형유기 마르텐사이트 변태와 층간계면의 영향에 의한 것으로 추정되며 이에 대해 체계적으로 분석하였다.|Steel is the most widely used metal in construction and other applications because of its high tensile properties and low cost. In recent years there has been an increased demand for the development of new advanced high strength sheet steels (AHSS), which have usually a microstructure consisting of two or more constituent phases for an improved combination of strength and ductility. Controlling their microstructure is undoubtedly the most important aspect to optimize mechanical performance. Extensive research has been performed to establish proper models for predicting microstructures from chemical compositions and processing conditions, and now some models are practically applied in the industrial fields (especially, steel industries). However, despite significant effort, there is no established way to precisely predict the final mechanical properties from microstructural features. Various kinds of factors concerning metallography, mechanical properties of constituent phases and character of interfaces (or grain boundaries) influence the mechanical properties of the multi-phase steel in a complexed manner. In the present thesis, the contributions of microstructural units to the plastic deformation behavior of multi-phase steels are explored by performing a series of spherical and sharp nanoindentation tests on various multi-phase steels. Main topics examined are divided into three, as follows. First, a procedure is suggested to predict the flow curves of two-phase steels using data from nanoindentation experiments performed with two spherical indenters having different radii. The procedure incorporates two steps: First, the ‘‘macroscopic’’ (or size effect corrected) stress–strain relations of each constituent phase are estimated based on the concepts of indentation stress/strain and indentation size effect. Then, the ‘‘overall’’ (or composite) flow curve of two-phase steel is extracted in two different ways; an isostrain method (ISM) and a non-isostrain method (NISM). The appropriateness of the proposed procedure was examined by performing a series of spherical nanoindentation tests on various two-phase steels (consisting of ferrite–pearlite or ferrite–bainite). Reasonable accuracy of the prediction was validated by comparing the predicted curves to the tensile curves obtained from standard tests of bulky samples. In addition, interestingly, the predictions made by the simple ISM were almost identical to those by the more sophisticated NISM, although the NISM used more realistic assumptions. Second, a methodology to estimate the Hall-Petch coefficient k for yield strength and flow stress of steels through nanoindentation experiments is proposed. While the determination of kf for flow stress is on the basis of grain boundary strengthening evaluated by sharp indentation, ky for yield strength was computed with pop-in data from spherical indentations. Good agreement between estimated and literature data, validates the proposed methodology. Final topic is on the multi-layered steel (MLS) consisting of alternating soft/ductile austenitic and hard/brittle martensitic stainless steel layers. The contributions of each of the constituent layers to the overall strength and ductility of an MLS (having tensile strength > 1.4 GPa and ductility > 20 %) were examined by recourse to nanoindentation experiments on each of them. By adapting two different indenter tip radii for the spherical nanoindentation experiments, constituent layers’ stress-strain responses within the plastic regime were obtained and then compared with the macroscopic flow curve of the MLS that was obtained through tensile tests, to show that the strength contributions of the constituent steels to the global strength of MLS is as per the rule of mixtures. In order to examine the sources of tensile ductility of the MLS, sharp tip nanoindentation experiments were conducted on specimens extracted from tensile coupons that were subjected to predetermined plastic strains a priori. Results of these experiments show that the tensile failure occurs at a strain at which hardness of the austenitic layer, which is found to be dependent on the prior-plastic strain, is almost equal to the strain-independent hardness of the martensitic layer. The results are discussed in terms of martensitic transformation within austenitic layer and the role of the constraint of mechanical environment imposed by the neighboring martensite layers on it.; Steel is the most widely used metal in construction and other applications because of its high tensile properties and low cost. In recent years there has been an increased demand for the development of new advanced high strength sheet steels (AHSS), which have usually a microstructure consisting of two or more constituent phases for an improved combination of strength and ductility. Controlling their microstructure is undoubtedly the most important aspect to optimize mechanical performance. Extensive research has been performed to establish proper models for predicting microstructures from chemical compositions and processing conditions, and now some models are practically applied in the industrial fields (especially, steel industries). However, despite significant effort, there is no established way to precisely predict the final mechanical properties from microstructural features. Various kinds of factors concerning metallography, mechanical properties of constituent phases and character of interfaces (or grain boundaries) influence the mechanical properties of the multi-phase steel in a complexed manner. In the present thesis, the contributions of microstructural units to the plastic deformation behavior of multi-phase steels are explored by performing a series of spherical and sharp nanoindentation tests on various multi-phase steels. Main topics examined are divided into three, as follows. First, a procedure is suggested to predict the flow curves of two-phase steels using data from nanoindentation experiments performed with two spherical indenters having different radii. The procedure incorporates two steps: First, the ‘‘macroscopic’’ (or size effect corrected) stress–strain relations of each constituent phase are estimated based on the concepts of indentation stress/strain and indentation size effect. Then, the ‘‘overall’’ (or composite) flow curve of two-phase steel is extracted in two different ways