In-situ/ex-situ EBSD 분석과 결정소성모델을 이용한 HCP계 금속의 변형거동

강주희1,*, 김지훈2, 오창석1

1재료연구소 재료설계분석연구실

2부산대학교 기계공학부

HCP계 금속인 변형시 여러 슬립 시스템이 작동하는 동시에 쌍정도 발달하여 입방정 금속에 비해 특이한 기계적 거동을 보인다. HCP계 합금은 초기 집합조직과 미세조직, 가공 방향에 따라 기계적 특성이 현저히 다른 강한 이방성을 나타내므로, 변형 중 미시집합조직과 미세조직의 변화를 정량적으로 도출하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 HCP계 금속 중 대표적인 합금인 마그네슘과 타이타늄의 ex-situ/in-situ 인장 EBSD 분석을 통해 변형율에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 결정소성모델 기반 유한요소해석(Crystal plasticity FE simulation, CP-FEM)으로 변형 거동을 예측하였다.

마그네슘 합금의 변형 거동을 예측하고자 결정립 개수가 다결정보다 적은 올리고 결정을 이용하여 실험과 유한요소해석 조건을 최대한 유사하게 제어하고자 하였다. AZ31B합금 잉곳으로부터 올리고결정 판상인장시편을 가공 후 인장시험 전의 게이지 영역을 대면적 EBSD분석하였다. 이후 250도에서 인장시험을 수행하고 변형 중 DIC (digital image correlation) 분석을 변형장을 해석하였다. 초기 EBSD 정보로부터 유한요소모델을 만들고 변형 후 CP-FEM으로 예측한 결과와 변형 시편의 EBSD 분석 결과를 비교하였다. 두 결과의 변형률 분포는 유사하였으며 조대한 결정립에서 변형률이 집중되었다. 한편 타이타늄 함금의 변형 거동은 Gr.2 순수 타이타늄을 이용하여 in-situ EBSD 분석과 CP-FEM 계산을 통해 살펴보았다. 변형율 0.2%에서부터 결정립 내부에 슬립선과 {1 0 –1 2} 인장 쌍정이 관찰되었다. CP-FEM으로 예측되는 슬립선을 비교하여 초기 소성 변형 시에는 prismatic 변형이 우선적으로 작동하는 것을 확인하였다.

Keywords: HCP metals, deformation, EBSD, CP-FEM