Effect of annealing temperature on microstructural evolution and subsequent deformation behavior of pre-twinned AZ31 Mg alloy : Pre-twinned AZ31 Mg alloy의 어닐링 온도에 따른 미세조직 변화 거동 및 변형 거동
저자
발행사항
대구 : 경북대학교 대학원, 2023
학위논문사항
발행연도
2023
작성언어
영어
주제어
DDC
669.723 판사항(23)
발행국(도시)
대한민국
형태사항
iii, 197 p. : col. ill., charts ; 26 cm.
일반주기명
Thesis Advisor: 박성혁.
Includes bibliographical references.
UCI식별코드
I804:22001-000000104149
소장기관
마그네슘은 낮은 밀도와 높은 비강도로 수송기기 경량화를 위해 주목받는 금속이다. 마그네슘합금의 기계적 특성 향상을 위해 압연이나 압출과 같은 소성가공을 수행 시 강한 basal texture를 형성한다. 마그네슘 가공재의 강한 basal texture는 인장-압축 항복 이방성을 높이고 소재의 성형성을 감소시킨다는 단점이 있다. 이전에는 이러한 단점을 극복하기 위해 희토류 원소 첨가나 강소성가공과 같은 공정을 수행하였지만 높은 가격으로 인해 대안이 요구되고 있다. 마그네슘합금의 주된 변형 기구 중 하나인 쌍정은 방위를 재배열시키는 특징이 있어 저렴하고 간단한 공정으로 집합조직 변화가 가능하다. 변화된 집합조직을 가지는 소재는 in-plain 인장 시 {10–12} twinning 활성화가 용이하여 소재의 성형성을 향상할 수 있다. 하지만 쌍정 형성 중 축적된 잔류 변형량으로 성형성이 감소한다. 따라서 선변형으로 집합조직이 변화된 소재는 잔류 변형량을 제거하기 위한 어닐링 열처리가 요구된다. 본 연구에서는 마그네슘 압연재의 특성 향상을 위해 '쌍정+열처리(PTA) 복합처리 기술'을 도입하여 어닐링 온도에 따른 미세조직 변화 거동과 어닐링 열처리된 소재의 변형 거동을 분석하였다.
1. 상용 마그네슘 압연재를 압연방향(RD)으로 압축 시 {10–12} extension twin의 형성으로 c-축이 ND와 평행하게 배열된 집합조직이 RD로 배열되며 쌍정립계가 다수 형성된다. 이러한 시편을 어닐링 열처리 시 고각 결정립계(HAGB)의 변형 유기 입계 이동(SIBM)으로 결정립 성장이 발생한다. 그 결과 잔류 변형량이 감소하고 평균결정립 크기가 증가하며 집합조직 강도가 증가한다.
2. 결정립계 이동속도는 결정립계 이동성과 구동력에 비례하며, 어닐링 온도가 증가함에 따라 결정립계 이동성이 증가하여 어닐링 중 조직 변화가 활발하게 발생한다. 구동력은 잔류 변형량과 결정립계 에너지에 영향을 받으며 어닐링 온도가 증가할수록 구동력이 낮은 결정립계 이동이 가능하다. 200 ℃ 이하의 온도에서는 회복만 발생하여 twinned structure가 유지되는 반면 온도가 증가할수록 SIBM이 활발하게 발생하여 잔류 twin boundary와 잔류 변형량이 점차 감소한다. 400 ℃ 이상의 온도에서 는 안정한 strain-free, twin-free structure로 변화한다.
3. PTA 공정이 적용된 소재는 RD로 인장 시 c-축이 인장되는 응력을 받기 때문에 twinning이 변형수용에 기여한다. 어닐링 온도에 따라 twinned structure가 유지된 영역은 detwinning으로 변형을 수용하며 twin-free structure에서는 twinning으로 변형을 수용한다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 주된 변형수용 거동이 detwinning에서 twinning으로 변화하여 급격한 strain hardening rate 변화가 나타나지 않으며 연신율이 최대 56% 향상된다.
본 연구 결과를 통해 저렴하고 간단한 방법인 PTA 공정을 통해 마그네슘 압연재의 집합조직을 변화할 수 있었다. PTA 공정 중 조직 변화 거동과 PTA 공정이 적용된 소재의 변형거동을 규명함으로써 위 공정의 효과를 극대화할 수 있었으며 다양한 산업으로의 응용이 가능할 것으로 기대된다.
Mg alloys have received significant interest in the transportation industry due to their superior specific strength and lower density compared to other widely used structural metals, such as Al alloys and steels. Wrought Mg alloys have high strength but have a strong basal texture, resulting in high yield anisotropy and poor formability. Previous studies have modified the texture of wrought Mg alloys by adding rare earth elements or introducing severe plastic deformation process, but their high cost limits their practical application. Therefore, we have proposed the use of twinning as an economical and simple approach to modify the texture of wrought Mg alloys. Since residual strain formed by deformation for inducing twinning has a negative effect on ductility, a subsequent annealing process is added as a means to overcome this problem. This study aims to analyze the effect of annealing temperature on microstructural evolution and subsequent deformation behavior of pre-twinned Mg alloys. To achieve this objective, rolled AZ31 materials are precompressed along the rolling direction (RD) prior to annealing at various temperature. When pre-twinned samples are annealed at 200 ℃, their fully twinned microstructure remains unchanged. As the annealing temperature rises beyond 250 ℃, the proportion of twin-free grains in the microstructure also increases. This transformation leads to a change from a fully twinned grain structure to a grain structure that is entirely free of twins, as the annealing temperature increases. The primary mechanism driving microstructural evolution in pre-twinned samples during annealing is the migration of high angle grain boundaries induced by strain, leading to grain growth. When tension is applied in the RD, samples with a fully twinned grain structure exhibit detwinning of {10–12} twin. Samples with a grain structure completely free of twins experience the formation of several {10–12} twin variants when subjected to tension. On the other hand, samples with a partially twinned grain structure show simultaneous occurrence of formation of new {10–12} twins and detwinning during tension. As the annealing temperature increases, the deformation behavior gradually changes from detwinning to twinning. The yield strength, strain hardening rate, and elongation of the samples are noticeably impacted by the annealing temperature. As a result, the wrought Mg alloy texture is effectively changed by the 'pre-twinning and subsequent annealing' process, and it was confirmed that the annealing temperature has a great influence on the mechanical properties and microstructure. The process is expected to improve the bendability, damping capacity, formability, and other properties of wrought Mg alloys.
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