■ Multi-material의 배경

➢새로운 재료를 개발하는 것은 큰 리스크와 비용적 문제가 발생하며 이를 개발하더라도 기반 시설의 재구성이 요구할 수 있음.

➢따라서 기존의 재료의 특성을 인정하고, 다양한 활용에 맞춰 다양한 재료를 이용하여 복합적으로 대응할 수 있는 multi-material이 오늘날 중요한 전략임.

■ Multi-material의 등장

➢ 여러 재료를 복합적으로 활용하는 Multi-material는, 낮은 비용으로 요구 물성을 달성해 관심도가 증대

➢ 다양한 차량 제조 수입선진사에서 Multi-Material를 통해 차체 뿐만 아니라 여러 구조용 부품에도 실현

■ 헤테로 구조의 특성

➢M/M와 같은 헤테로 구조는, 기존 단일재와 계면에서 다른 변형 메커니즘을 가짐

➢계면에서 발생하는 strain partitioning으로 geometrically necessary dislocations (GNDs) 축적이 발생

➢계면에서 추가적으로 발생하는 전위의 거동을 이해하고, 이에 맞는 설계가 필요

■ 헤테로 구조의 특성

➢헤테로 구조의 계면에서 축적된 GND가 back stress를 만들어 냄. 작용 응력과 반대 방향으로 작동하는 back stress는 연한 영역을 더 강하게 만드는 역할을 하며, 가공 경화 능력 향상에 기여

➢Rule of mixture (ROM) 보다 더 나은 기계적 물성을 지니게 만드는 메커니즘으로 작동

➢네킹 후 급격한 전위 쌓임으로 인해 계면에서 응력 집중 발생 및 보이드, 크랙 발생

■ 헤테로 구조의 연구 필요성

➢M/M의 헤테로 구조가 재료적 기계 물성에 대해 미치는 영향은 잘 연구되는 반면, 성형성에 대한 영향은 그 연구가 아직 미비함.

➢실 제품 제작에 있어 성형은 불가피하며, M/M의 실 제품 활용을 위해 이에 대한 연구가 필요로 함.

■ 연구 목표

➢ roll to roll 공정으로 접합된 multi-material 재료에 대한 계면 효과 및 성형성 영향 분석

■ 실험 과정

■ Al/Steel/Al 클래드 재료 제작 및 구성 재료 추출

➢Al1050/low carbon steel/Al1050 구성, roll to roll 공정을 통해 제작 (Korea clad tech Corp.)

➢500 도에서 열처리 진행, 0.2T-0.6T-0.2T의 일정한 두께 비를 지님

➢ROM 를 분석하기 위해 화학적 용해를 통해 각 구성 재료 추출 및 기계적 물성 평가

➢각 구성재료를 Al/Fe/Al에 추출함으로써 보다 더 정확하게 구성 재료에 대한 물성 평가 가능

■ 미세조직 분석

■ 성형성 시험

■ 재료에 대한 기계적 성질

➢Hardness profile 결과, 알루미늄 층과 스틸 층 간의 큰 mechanical incompability 존재

➢Al, Fe-extraction을 통한 ROM 보다, 강도와 연성 모두 더 높은 향상된 결과를 지님

➢Strain hardening rate curve에서 0~5 % 변형에서 ROM와 큰 차이 존재 → 계면에서의 추가 강화 효과 존재

■ GND의 축적

➢ 변형 조직에서 계면에 GND가 축적을 확인할 수 있으며, 0~5 % 변형에서 급격한 GND 축적이 발생

➢ 이는 SHR curve에서 ROM 대비 0~5 %에서 급격한 차이가 존재하는 것과 잘 일치함

■ back stress에 대한 기여도 분석

➢상대적으로 연한 재료인 알루미늄 층에서 GND가 축적이 일어나며, 이러한 GND는 back stress를 만들어 냄

➢ Loading/Unloading/Reloading test를 통해 back stress를 정량화 할 수 있으며, Al/Fe/Al은 기존 단일재보다 높은 back stress fraction을 가지고 있음

■ 네킹 후의 계면에 대한 거동

➢계면에 축적된 전위들은 높은 응력 집중이 만들어 냄.

➢네킹 이후의 급격한 변형으로 인해 더 많은 전위 축적 및 그로 인한 미세 크랙 및 보이드 형성.

➢결국, 파단에서는 이러한 크랙들이 성장하고 서로 합쳐져 delamination이 일어남.

■ Erichsen cupping test

➢가장 널리 사용되는 시험법으로 스탬핑을 모사한 것으로, stretchability를 평가.

➢크랙이 발생한 지점까지 펀치가 상승한 높이를 측정하여 지표로 삼음.

➢ISO 20482에 따라 load 드랍을 기준으로 하고, 본 실험에서는 5% drop을 크랙 발생지점으로 시험.

■ stretchability에 대한 평가

➢Al/Steel/Al의 경우 IE 9.26 mm를 획득하였으며, 스틸과 알루미늄에 대한 ROM보다 더 높은 값을 지님.

➢Back stress와 전위 축적으로 인한 Interface synergy로 인해 가공 경화 능력 향상이 index 향상시킴.

■ 성형 후 미세조직 분석

➢Erichsen cuppint test 된 시편에 대해 미세조직 결과, delamination이 파단 보다 선행하여 일어남.

➢이는 집중된 응력이 계면의 본딩 강도를 넘어서 크랙 발생 및 전파로 인해 발생.

➢크랙이 진전 중 delamination과 만나 계면에서 crack blunting되는 것을 확인.

■ 성형 중 파단 메커너즘 분석

➢Stage 1: 초기 조직에서 두 재료간 서로 다른 열팽창 계수로 인해 알루미늄의 변형 존재

➢Stage 2-3: 두 재료간 다른 기계적 물성으로 인해 strain partitioning이 발생하고 이는 GND 축적

➢Stage 4: 네킹 이후 불안전 변형으로 인해, 급격한 전위 발생 및 계면 간 미세 크랙 생성

➢Stage 5-6: 계면의 크랙이 delamination으로 이어지고, 이는 외부 crack blunting하는 역할 수행

■ 헤테로 구조가 성형성에 미치는 효과 분석