페라이트-마르텐사이트 이상조직강은 고강도와 고연성을 동시에 지니어 자동차 프레임 및 다양한 구조소재로서 많은 수요가 있다. 이상조직강은 페라이트 기지에 분산된 마르텐사이트로 구성된 고유한 비균질 미세조직을 가지고 있다. 금속 재료의 미세조직은 집합조직, 결정립 크기 및 분포, 상 분율 및 분포 등 다양한 요인으로 기계적 특성에 영향을 미치기 때문에, 재료 설계에 있어 미세조직에 대한 고려는 필수적인 요소이다. 그간 이상조직강의 우수한 기계적 물성과 그 미세조직의 관계를 규명하기 위한 많은 연구가 수행되었으나, 해당 소재의 변형 시 발생하는 비균질한 미세조직의 복잡한 거동은 아직 완전히 규명되지는 못하고 있다. 한편, 재료의 파괴를 예측하는 것은 구조 재료 분야에서 특히 중요한데, 금속 재료의 주요 파괴 기작인 연성 파괴 메커니즘은 미세조직과 밀접한 연관이 있기 때문에, 미세조직 인자를 고려하면 보다 정확한 파괴 예측이 가능할 수 있다. 최근에는 컴퓨터 성능의 발전으로 전산모사를 통하여 재료를 설계하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 미세조직 기반의 대표체적요소는 재료의 거시적 물성에 대한 미세조직의 효과를 규명하는 연구 등에 다수 활용되고 있다. 미세조직 기반의 대표체적요소는 결정립이나 방위 정보 등 미세조직 정보를 지니고 있기 때문에 재료 내부의 국부적인 변화를 다루는 데 효과적이다.
본 연구에서는 고강도강의 대표적인 소재인 780MPa급 페라이트-마르텐사이트 이상조직강에 대하여, 3차원으로 측정한 미세조직을 기반으로 대표체적요소를 구성하고 이를 결정소성 유한요소법을 사용하여 다양한 변형 모드로 변형 해석을 수행하였다. 이를 통하여 미세조직의 발달을 사실적으로 모사하였고, 미세조직 정보를 토대로 하여 재료의 파괴를 예측하기 위한 미세조직 기반 파괴 조건을 수립하였다. 소재의 대표체적요소를 구성하기 위한 3차원 미세조직은 PFIB/EBSD를 반복적으로 사용하여 단층 별로 측정하여 준비되었다. 미세조직 기반 대표체적요소의 변형을 모사하기 위하여 본 연구에서는 이중 스케일 유한요소 모델을 구성하였다. 매크로 스케일 모델에서는 시편들의 변형을 해석하기 위하여 Hill의 이방성 항복함수와 속도의존성 스위프트 타입 경화식을 사용하였고, 마이크로 스케일 모델에서는 대표체적요소의 변형을 모사하기 위하여 전위기반 결정소성 모델을 도입하였다. 매크로 스케일 모델을 통하여 소재가 변형할 때 미세조직 해석을 원하는 부분에서 국부적인 변형 이력을 추출할 수 있다. 이는 마이크로 스케일 모델로 전달되어 기 제작한 대표체적요소가 주어진 이력을 따라 변형하게 된다. 결정소성모델의 경화 관련 파라미터들은 인장 곡선과 상 별 나노인덴테이션으로 측정된 하중-변위 곡선을 사용하여 상 별로 최적 값을 정해주었다. 계산된 대표체적요소의 기계적 물성 및 다양한 미세조직 정보를 실험 결과와 비교하여 모델의 유효성을 검증하였다. 또한 미세조직 수준에서 응력삼축성과 누적전단변형률의 관계를 이용하여 이상조직강의 파괴 기준을 설정하였다. 이를 위해 일반적인 일축인장 시편뿐만 아니라 다양한 반경을 지닌 노치인장 시편이 사용되었다. 마지막으로, 수립한 파괴 기준을 동일 소재의 구멍확장비를 예측하기 위하여 적용하였다. 예측된 구멍확장비를 실험으로 측정된 값과 비교하여 제시된 파괴 기준의 타당성이 검증되었다. 본 연구에서 제안한 모델은 미세조직을 기반으로 재료의 물성을 예측할 수 있어 요구되는 기계적 물성을 지닌 재료를 설계하는 데에 활용될 수 있다고 여겨진다.