온간성형에서 크리프 특성을 고려한 마그네슘 합금 판재(AZ31B)의 스프링백 특성 분석 :Analysis of springback characteristics of magnesium alloy sheet(AZ31B) considering creep characteristics in warm forming

유제형

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자료유형: 학위논문

저자정보: 유제형 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 이창환

발행연도: 2019

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2023

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온간성형에서 크리프 특성을 고려한 마그네슘 합금 판재(AZ31B)의 스프링백 특성 분석

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온도 및 시간을 고려한 마그네슘 합금 판재의 스프링백 특성 분석

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마그네슘 합금 판재의 비강도는 철의 5배, 알루미늄의 1.5배이다. 이러한 이유로 최근 환경문제, 연비절감 등의 문제로 경량화가 진행되고 있는 여러 운송산업에서 마그네슘 합금을 주목하고 있다. 하지만 마그네슘 합금은 일반적인 차량용 강에 비해 상온에서 성형성이 낮고 스프링백이 크게 발생한다.

이러한 문제로 마그네슘 합금 성형 시, 온간 성형 방법을 이용한다. 온간성형 시 소재의 쌍정 및 전위의 미끄러짐에 의해 변형 뿐 만아니라[1] 크리프 현상에 의한 변형이 나타난다. 이러한 이유로 마그네슘 합금의 굽힘 변형특성은 상온에서 나타나는 변형 특성과는 다르게 나타낸다.

본 연구에서는 고온에서 마그네슘 합금 판재의 크리프 거동특성을 분석하기 위해 크리프 및 응력완화 실험을 진행하였다. 크리프 실험은 사전변형과 일정하중을 유지하는 시간이 증가함에 따른 크리프 변형률 변화를 측정하였다. 응력완화 실험은 사전변형과 일정변위를 유지하는 시간이 증가함에 따른 하중의 감소를 측정하였다. 또한 마그네슘 합금의 크리프 거동특성을 L굽힘 및 V굽힘에 적용하여 금형 내 소재의 유지하는 시간이 증가함에 따른 스프링백 경향을 분석하였다. 크리프 실험을 통해, 마그네슘 합금 판재(AZ31B)는 재결정 온도(150℃) 이후 급격하게 크리프 속도가 빨라짐을 확인하였다. 응력완화 실험 또한 재결정 온도(150℃) 이후 급격하게 하중완화 시간이 빨라짐을 확인하였다. 이러한 마그네슘 합금 판재(AZ31B)의 크리프 거동 특성을 고려하여 L굽힘, V굽힘에 적용하였을 시, 금형 내에 소재의 유지시간이 증가함에 따라 스프링백이 감소하는 경향을 보였다.

온도, 변형경로, 금형 내 소재의 유지시간에 따른 마그네슘 합금의 미세구조 변화 특성을 분석하였다. 상온에 비해 재결정 온도 이상에서 결정립계 주변에 정적 재결정이 발생하는 것을 확인 하였으며 변형이 클수록 동적 재결정이 많이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 마그네슘 합금의 결정모양은 상온보다 고온에서 하중을 받는 방향으로 크게 변한다는 것을 확인 하였다. V굽힘 공정 결과에서 인장응력이 받는 영역에 비해 압축응력을 받는 영역에서 쌍정(Twinning)이 많이 관찰되었다. 또한 펀치 가압 시간이 길수록 쌍정(Twinning)의 적게 관찰되었다. 이러한 결과를 통해 마그네슘 합금의 경우 상온에 비해 고온에서 성형성이 좋아지는 것을 보였다.

The specific strength of the magnesium alloy sheet is five times that of steel and 1.5 times that of aluminum. Therefore, magnesium alloys have been attracting attention in the various commercial industries, which require light-weight and energy efficient products. However, magnesium alloys have lower formability and spring-back at room temperature than conventional ferrous metals. Therefore, the warm forming condition is generally utilized for forming magnesium alloy sheets. The deformation characteristics of magnesium alloy enhance as non-basal slip systems are activated.

In this study, creep and stress relaxation experiments were conducted to analyze the creep behavior of magnesium alloy sheet at high temperature. Creep experiment was performed to measure changing creep strain with increasing pre-strain and constant load holding time. Stress relaxation experiment was conducted to measure changing force with increasing pre-strain and the holding time. Also, the creep behavior of magnesium alloys was evaluated in L-bending and V-bending, and the spring-back was quantified according to the holding time. It was observed that the creep strain of the magnesium alloy sheet(AZ31B) rapidly increased after the recrystallization temperature (150℃). The stress relaxation experiment also confirmed that the load relaxation time rapidly increased after the recrystallization temperature (150℃). Considering the creep behavior of magnesium alloy sheet (AZ31B), the spring-back decreased in L-bending and V-bending as the holding time of the material increased.

In this study, the microstructure characteristics of magnesium alloy AZ31B were analyzed according to temperature, deformation type, and punch press time. It was noted that static recrystallization occurred around the grain boundary at a temperature higher than the recrystallization temperature of AZ31. While, at large strains, a high fraction of dynamic recrystallization is observed. Also, it was concluded that the grain shape of the magnesium alloy dramatically changes in the direction of receiving load at higher temperatures. The v-bending process indicated greater twins fraction in the compressive region compared to the tensile zone. Also, as the punch holding time increased, a decrease in the fraction of twins is observed. These results show that magnesium alloy has improved formability at high temperature compared to room temperature.

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 동향 2
3. 연구 목적 및 범위 5
Ⅱ. 이론적 배경 7
1. 소재의 변형 7
2. 탄소성 영역의 굽힘 이론 9
3. 크리프 및 응력완화 16
4. 미세구조 19
Ⅲ. 마그네슘 합금판재(AZ31B)의 온도별 변형 특성과 크리프 거동 특성 24
1. 온도별 인장시험 및 단축 인장 크리프 실험 24
2. 온도별 인장시험 및 단축 인장 크리프 실험 결과 30
3. 미세구조 관찰 결과 38
Ⅳ. L굽힘, V굽힘 공정에서 크리프 거동을 고려한 스프링백 특성 44
1. 온도 및 금형 내 소재의 유지시간에 따른 L굽힘 및 V굽힘 실험 44
2. 온도 및 금형 내 소재의 유지시간에 따른 L굽힘 및 V굽힘 실험 결과 48
Ⅴ. 결 론 56
참고문헌 58
Abstract 63

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