마그네슘 합금은 높은 비강도, 낮은 밀도, 우수한 진동감쇠능, 그리고 뛰어난 재활용성 등의 경량 소재로써 다양한 장점들을 가지고 있어 수송기기, 전자기기, 구조재료 등 경량화가 요구되는 여러 분야에서 주목을 받고 있다. 집합조직이 무작위로 배열된 마그네슘 합금에 소성 변형을 가하게 되면, 가해준 응력 방향에 수직으로 기저면들이 정렬되면서 마그네슘 가공재는 강한 집합조직을 갖게 된다. 마그네슘 가공재의 경우, 강한 집합조직을 가지고 있고 HCP 구조 특성상 변형 시 상온에서 작동되는 슬립계의 수가 부족하여 상온 성형성이 좋지 않다. 하지만, 마그네슘 가공재가 구조재료 및 수송기기 부품으로 적용 범위를 확대하기 위해서는 상온 성형성의 향상이 필수적이다. 그러므로, 본 연구에서는 {10–12} 쌍정을 이용해 큰 공정 비용의 상승 없이 효과적으로 집합조직을 제어하여 상용 AZ31 합금과 AZXWMM91100 신합금의 굽힘성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.

제 3장에서는 상용 AZ31 압연 판재에 선압축 및 어닐링(PCA) 공정을 적용한 후, 미세조직 및 집합조직의 변화에 대해서 연구하였다. 압연 방향(RD)으로의 선압축을 통해 {10–12} 쌍정을 형성시켜 집합조직을 제어하고, 어닐링을 통해 소재 내부의 잔류 응력 에너지를 해소시켜 조직 안정화 및 결정립계 이동을 통한 조직 변화를 야기하였다. 선압축량이 3%인 경우, 모든 결정립들이 부분 쌍정 조직으로 이루어져 있지만, 선압축량이 6%와 9%인 경우, 결정립들이 부분 쌍정 조직과 완전 쌍정 조직으로만 이루어진다. 이후 어닐링을 하게 되면, 선압축량 9% 시편의 경우 쌍정 조직이 완전히 사라진 균일한 등축정립을 가지며, 강한 RD 집합조직을 갖게 된다. 즉, 선압축 및 어닐링을 통해 굽힘 성형에 유리한 형태의 미세조직 및 집합조직으로 제어가 가능하다. 제 4장에서는 PCA 공정이 상용 AZ31 압연 판재의 굽힘 성형성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 굽힘의 경우, outer zone에서의 변형 수용이 중요하다. 기존 AZ31 압연 판재의 경우, 두께 방향(ND)으로 강한 집합조직을 가지고 있기 때문에, 굽힘 시 outer zone에서 쌍정을 통한 변형 수용이 어려워 굽힘 성형성이 좋지 않지만, PCA 공정을 적용할 경우, 강한 RD 집합조직으로 제어되어 굽힘 시 outer zone에서 {10–12} 쌍정이 용이하게 발생하며 굽힘 변형을 대신 수용해줌으로써 굽힘 성형성이 향상된다. 즉, PCA 공정 적용을 통해 상온 굽힘 성형성을 대폭 향상시킬 수 있다. 제 5장에서는 AZ31 합금과 AZXWMM91100 합금에 다양한 조건의 PCA 공정을 적용하여 미세조직 및 집합조직 변화를 비교 및 분석하였다. PCA 공정 조건인 선압축량(2–9%)과 어닐링 온도(200–450 °C)에 따라서 AZ31 합금의 경우, 세가지 미세조직인 fully twinned, partially twinned, twin-free 조직으로 존재하고, 반면 AZXWMM91100 합금의 경우, 두가지 미세조직인 완전 fully twinned, twin-free 조직으로 이루어진다. 즉, 두 합금의 PCA 조직이 다른 이유는 고합금계인 AZXWMM91100 합금의 경우에는 저합금계인 AZ31 합금과는 달리, 어닐링 온도에 따라 불연속 석출물 및 연속 석출물의 석출이 발생하면서 결정립계의 이동에 영향을 미치기 때문에, PCA 조직 양상이 다르게 나타난다. 제 6장에서는 AZXWMM91100 압출 판재에 PCA 공정을 적용하여 상온 굽힘 성형성을 향상시켰다. AZXWMM91100 합금에는 열적 안정상들을 포함한 많은 이차상들이 존재하고 있어, 굽힘 시 크랙을 유발하여 굽힘성이 크게 저하된다. 그럼에도 불구하고, AZ31 합금과 마찬가지로, PCA 공정 적용을 통해서 결정립 크기, 전위 밀도, 집합조직 등을 제어하여 상온 굽힘 성형성을 크게 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 PCA 공정을 적용하여 {10–12} 쌍정을 이용한 초기 집합조직 제어를 통해, 굽힘 시 outer zone에서 {10–12} 쌍정의 발생을 용이하게 하여 상온 굽힘 성형성을 효과적으로 향상시켰다. 본 연구의 결과는 큰 공정 비용의 상승 없이 {10–12} 쌍정을 활용하여 초기 집합조직 제어를 통한 상온 굽힘 성형성을 대폭 향상시켰음에 의의가 있다.

Magnesium (Mg) is a lightweight material with high specific strength, low density, excellent vibration-damping capacity, castability, and recyclability. The demand for lightweight materials has rapidly increased due to recent regulations tightening greenhouse gas emissions. However, Mg''s hexagonal close-packed structure leads to an insufficient number of slip systems during plastic deformation, resulting in poor formability at room temperature (RT). Furthermore, the strong texture of wrought Mg alloy sheets presents difficulties in accommodating deformations along the thickness direction, ultimately limiting their formability. As a result, the current applications using Mg alloys primarily rely on cast products. However, it becomes crucial to address the formability limitations of wrought Mg alloys at RT to achieve a more substantial weight reduction.

Numerous methods have been employed in the industrial sector for metal sheet forming. In particular, seaming, hemming, beading, and press-brake techniques are used to bend specific regions of the metal sheets. Furthermore, stamping, deep-drawing, hydro-forming, and blow-forming methods are implemented to comprehensively shape the metal sheets. The majority of metal sheet forming processes entail the application of bending. Consequently, extensive investigations are underway to improve formability via texture weakening or tilting, through adding rare earth (RE) elements and applying severe plastic deformation (SPD) methods. However, these approaches have drawbacks, such as the high cost associated with RE elements and the complexity of SPD processes, which can increase the final product price. Nonetheless, through the utilization of twinning to control the texture, it becomes feasible to address these drawbacks in a cost-efficient manner effectively. On the other hand, the extent of research on improving bending formability by introducing twinning in Mg alloys has been insufficient. Accordingly, this thesis aims to introduce research on employing twinning in Mg alloys to manipulate texture and enhance the bending formability of wrought Mg alloys at RT.

In chapter 3, the microstructural changes of a rolled AZ31 (Mg–3Al–1Zn–0.5Mn, wt.%) alloy plate during precompression and subsequent annealing (PCA) were investigated. By applying 3% compression, the average grain size decreased due to the formation of twin bands. However, as the compressive strain increased to 9%, the average grain size increased due to the coalescence of twin bands. The compression also strengthened the rolling direction (RD)-oriented twin texture. Annealing treatment increased the grain size and decreased the fraction of twin-induced boundaries. The grain coarsening was less pronounced in the 9% compressed material due to a more homogeneous distribution of internal strain energy. Appropriately, combining PCA treatment effectively modified the texture without changing the twin-free grain structure.

In chapter 4, PCA treatment significantly enhanced the bending formability of a rolled AZ31 alloy at RT. This treatment created a new grain structure with specific texture components aligned along the RD and normal directions (ND). The activation of {10–12} twinning and basal slip in the outer zone effectively accommodated tensile deformation during bending, leading to a remarkable improvement in formability.

In chapter 5, the changes in the microstructure of two Mg alloys, commercial AZ31, and newly-developed AZXWMM91100 (Mg–9Al–0.8Zn–0.9Ca–0.6Y–0.5Mischmetal, wt.%) alloys, were examined by applying PCA treatment. In the AZ31 alloy, annealing at temperatures above 225 °C led to an increase in twin-free grains with higher precompression amounts. The microstructure evolution map showed three regions: fully twinned, partially twinned, and twin-free grain structures. However, the AZXWMM91100 alloy maintained its twinned microstructure even at higher annealing temperatures. Only at temperatures above 350 °C, the transition to a fully twin-free microstructure without a partially twinned region was observed. The presence of Al solute atoms and second-phase particles in the AZXWMM91100 alloy inhibited grain-boundary movement during annealing, resulting in different microstructural evolution compared to the AZ31 alloy.

In chapter 6, the bending formability of an extruded AZXWMM91100 alloy was improved through PCA treatments. Increasing the precompression amount along the extrusion direction (ED) resulted in a higher fraction of ED-oriented grains, enhancing the bending formability by accommodating larger tensile strain during bending. Additionally, higher annealing temperatures led to increased ED-oriented grain fraction, average grain size, and reduced residual dislocation density. As a result, the bending formability improved with increasing annealing temperature for both 4% and 6% precompressed samples. However, annealing at 300 °C resulted in lower bending formability compared to the extruded alloy due to the presence of remaining dislocations from precompression.