트윈 유도 소성 강
트윈 유도 소성(TWIP 강) 강은 상온에서 단일 오스테나이트로, 높은 강도와 높은 소성, 그리고 높은 변형 경화 능력으로 차세대 자동차 강판으로 주목받고 있습니다. Fe-Mn-Si-Al TWIP 강은 25% Mn, 3% Al, 3% Si를 함유할 때 안정적인 오스테나이트 조직과 적절한 적층 결함 에너지를 얻을 수 있어 TWIP 효과가 발생합니다. 이러한 TWIP 강은 큰 변형율에서도 우수한 특성을 보이며, 인장 강도와 연신율의 곱이 60,000 MPa%를 초과합니다. 또한 높은 에너지 흡수 능력과 파괴 외관 전이 온도(FATT)가 없다는 특징이 있습니다.
TWIP 강 평가 방법
이번 글에서는 GLEEBLE 3500 기계를 사용하여 저탄소 Fe-Mn-Si-Al TWIP 강의 고온 기계적 특성을 조사했습니다. 실험 재료는 유도로-아르곤 산소 탈탄(AOD) 용해-성형-ESR 공정을 통해 제조된 저탄소 Fe-Mn-Si-Al TWIP 강입니다. 실험 샘플은 ESR 후 Φ1,080 mm의 원통형 주괴에서 채취했습니다. 인장 샘플의 길이는 120 mm, 직경은 10 mm로 제조했습니다.
고온 인장 시험은 GLEEBLE 3500 시험기를 이용하여 수행되었습니다. 실험 조건은 연속 주조 생산 과정에서 변형률 속도를 1×10-3/s로 대표값으로 설정했습니다. 시험 샘플은 10°C/s의 속도로 1,250°C까지 가열하여 3분간 유지한 후, 5°C/s의 속도로 냉각하거나 가열하여 650°C에서 1,275°C까지 다양한 온도에서 시험을 진행했습니다. 인장 시험은 650°C에서 1,200°C까지는 50°C 간격으로, 1,200°C에서 1,275°C까지는 25°C 간격으로 수행되었습니다.
자동차 강판 실험 결과
인장 강도 변화
650°C에서 1,275°C 사이의 다양한 온도에서 최대 인장 응력의 변화를 Figure 3에 나타냈습니다. 인장 시험 온도가 1,275°C일 때 Rm은 0이었으며, 이는 ZST가 약 1,275°C임을 나타냅니다. 온도가 낮아질수록 샘플의 인장 강도는 점차 증가했습니다. 650°C에서 가장 강한 인장 강도(472.5 MPa)를 보였습니다. 금속의 소성 변형은 전위의 이동에 기인하며, 온도가 낮아질수록 원자 간의 힘이 증가하고 원자 에너지가 감소하여 전위 이동이 억제됩니다. 따라서 온도가 낮아짐에 따라 인장 강도가 증가하는 것을 확인했습니다.
고온 소성
다양한 온도에서의 소성 변화를 Figure 4에 나타냈습니다. 1,225°C, 1,250°C, 1,275°C에서 소성 값이 0으로 떨어지며, 이는 ZDT가 약 1,225°C임을 나타냅니다. TWIP 강의 소성은 온도가 낮아질수록 급격히 증가하며, 1,200°C에서 ψ 값은 70.8%였습니다. 900°C에서 1,000°C 사이에서는 소성이 매우 좋아서 ψ 값이 79% 이상이었고, 최대값은 87.9%였습니다. 그러나 900°C 이하에서는 온도가 낮아질수록 TWIP 강의 소성이 감소하였고, 750°C에서 최소 ψ 값은 14.2%였습니다.
변형 곡선
다양한 온도에서의 진응력-진변형 곡선을 Figure 5에 나타냈습니다. 750°C에서 변형 과정 중 경화율이 지속적으로 감소하지만, 동적 회복의 연화 효과보다는 경화 효과가 더 컸습니다. DRX 과정에서는 결정립 경계의 이동이 일어나며, 이는 미세균열의 성장을 억제합니다. 900°C와 1,000°C에서 DRX 현상이 뚜렷하게 나타났습니다.
파단 분석
1,250°C에서의 파단 형태는 과열로 인해 암염 모양의 입계 파단을 보였습니다. 1,100°C에서는 파단 형태가 입계 취성 파단에서 딤플 파단이 혼합된 형태로 변했습니다. 900°C에서는 딤플 파단이 나타났으며, 이는 우수한 소성을 의미합니다. 800°C 이하에서는 입계 균열과 횡단 균열이 모두 나타나 전형적인 취성 파단을 보였습니다.
파단 주변 구조
다양한 온도에서 인장 파단 근처의 미세 구조를 나타냈습니다. 800°C 이상에서는 DRX 현상이 뚜렷하게 나타났으며, 1,000°C에서 DRX 영역이 더 넓었습니다. 그러나 취성 온도 구간 III에서는 DRX와 상 변화 현상이 명확하지 않았습니다. 650°C에서 800°C 사이의 온도 구간에서는 미세한 페라이트가 발견되었습니다. 이는 변형으로 인해 전위 밀도가 증가하고 탄소 확산이 강화되어 오스테나이트에서 페라이트로의 상 변화를 촉진한 결과입니다. 페라이트는 강도를 약화시키며, 변형 유도 페라이트 변형이 주요한 취성 파단 원인으로 작용했습니다.
결론
이번 글의 주요 결과는 다음과 같습니다:
- 저탄소 Fe-Mn-Si-Al TWIP 강의 ZST는 약 1,275°C, ZDT는 약 1,225°C입니다. ZST와 ZDT가 다른 강보다 낮으며, 이 TWIP 강은 높은 균열 민감성을 가집니다.
- 저탄소 Fe-Mn-Si-Al TWIP 강의 취성 온도 구간 I은 1,200°C에서 용융점까지, 취성 온도 구간 III는 650°C에서 800°C까지입니다.
- 우수한 소성 온도 구간에서는 트윈이 주요한 소성 원인이 아니며, DRX 과정이 결정적인 역할을 합니다.
- 취성 온도 구간 III에서는 소수의 AlN 입자가 취성 원인이 아니며, 강한 변형 경화와 변형 유도 페라이트 변형이 주요 취성 파단 원인입니다.
이번 글에서는 TWIP 강의 고온 기계적 특성에 대한 이해를 높이고, 관련 분야의 공정 제어에 유용한 이론적 근거를 제공합니다.
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