1、书书书模 具 技 术 文章编号：（）金属材料动态再结晶建模与模拟研究进展田昊天，田笑，陈飞（上海交通大学模具 国家工程研究中心，上海 ）摘要：金属及合金的动态再结晶过程一直以来是热加工领域的研究热点。文章综述了不连续动态再结晶、连续动态再结晶和几何动态再结晶等再结晶方式的物理演化机制和发生条件，并讨论了内变量法、元胞自动机法等模拟方法在金属材料再结晶领域的研究现状及发展前景。关键词：动态再结晶；演化机制；内变量法；元胞自动机中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言在工业生产中，为了获得不同特性的金属材料，通常采取热加工方式对其进行晶粒细化以及微观组织结构的控制，其中最常用的方法是对金属材料
2、进行冷变形并在高温下退火或直接进行热加工处理。在高温作用下，金属基体微观结构发生复杂演化，最终形成新的再结晶晶粒，取代原来的变形组织，这一过程称为静态再结晶（）或动态再结晶（）。动态再结晶作为控制晶粒形状和尺寸的重要机制，在很大程度上影响了金属材料的宏观力学性能及特性（如强度、导电性能、抗腐蚀性能、硬度、延展收稿日期：作者简介：田昊天，男，硕士，主要从事铝合金连续动态再结晶建模研究。性、抗疲劳能力等）。因此预测和控制不同工艺条件下金属材料发生 过程的微观组织结构演变，及其对宏观流动行为的影响具有重要意义，也是国内外学者研究的重点。根据 再 结 晶 晶 粒 形 成 过 程 中 是 否 有 形核长
3、大机制，可将 过程分为不连续动态 再 结 晶（）、连 续 动 态 再 结 晶（），以及几何动态再结晶（）（图）。等给出了经典的不连续动态再结晶理论以及铝合金中发生 和 的条件。等总结了在不同热加工条件下，不同金属材料发生的 类型、发生条件及微观结构特征，并从堆垛层错能、初始晶粒尺寸、热加工条件和第二相粒子等方面分 析 其 影 响 机 制，还 介 绍 了 相 应 的 建 模方法。图种类型动态再结晶 为了 研 究 金 属 及 合 金 过 程 中 微 观组织的演化机制，通常采用光学显微镜、电子背散射衍射（）、透射电子显微镜（）和扫描电子显微镜（）等实验方法对不同热加工条 件 下 金 属 的 微 观
4、结 构 进 行 表 征，但是其所需 时 间 长、成 本 高 且 无 法 直 接 观 测 到微观组 织 演 变。随 着 对 物 理 机 制 研 究的深入以 及 计 算 机 性 能 的 不 断 提 升，数 值 模拟方法开始广泛应用于对 现象的研究，综述了各种介观尺度上的连续介质力学模型和离散方法，并阐述了它们的优点及局限性。本文将对不同金属及合金的热变形过程中 的物理演化机制及相应的研究现状进行综述，并结合近年来提出的基于 的物理演化机制的各种数学模型及其模拟结果，对相关数值模拟方法进行了介绍。再结晶物理演化机制静态再结晶当金属 材 料 发 生 塑 性 变 形 时，外 部 做 功大部分能 量 以
5、热 能 形 式 耗 散，只 有 少 部 分 变形能量（）以 缺 陷 的 形 式 储 存 在 金 属 基 体中（由于 空 位 和 间 隙 的 原 子 在 低 温 下 的 扩 散能力也很强，对于变形储能的贡献很小，因此变形储 能 主 要 以 位 错 累 积 形 式 分 布 在 基 体中），晶 粒 内 部 通 过 弗 兰 克 里 德 位 错 源（）机制不断产生新的位错，用以协调变形产生的塑性应变，导致晶内位错密度不断增加，并伴随着晶粒拓扑结构转变，模 具 技 术 产生具有一定晶体学取向的变形织构。同时晶粒尺寸降低，总晶界面积上升，最终表现为金属材料强度、硬度不断提升，呈现出加工硬化的特点。由于位错和
6、界面等缺陷密度的增加会提高体系总能量，从而降低体系的热力学稳定性，因此在一定温度条件下，体系会朝着自由能下降的方向发生相应的微观组织结构和性能的变化。位错的有序重排和湮灭会使得缠结的位错重新排列，形成具有一定取向差的位错墙小角度晶界（），最终导致基体内部位错密度下降，材料强度、硬度有所下降，这一过程也被称为静态回复（）。回复过程发生在退火的早期阶段，主要为后续的再结晶过程作结构和能量方面的准备，通常不涉及大角度晶界的生成和迁移，因此回复过程并不改变基体的拓扑结构，只是降低晶粒内部的位错密度。在再结晶的早期，形核通常发生在原始晶界处，随着再结晶的进行，逐步消耗周围位错密度较大的原始晶粒，形成“项
7、链状“特征的无畸变再结 晶 晶 粒，直 至 完 全 取 代 原 始 变 形 组 织（图），这种通过形核长大方式产生再结晶晶粒的过程称为不连续静态再结晶。此外，在一些含有弥散相的应变硬化铝合金中的高温退火过程中，分布在亚晶界晶界上的细小沉淀相逐渐粗化，造成钉扎效应减弱，导致在亚晶长大的同时亚晶界取向差不断增大，直到所有的 转变为大角度晶界（）（图），使整个再结晶组织在基体中均匀发展。这种非分阶段进行的再结晶方式被称为原位或连续静态再结晶（）。图加工硬化金属退火过程中发生不连续静态再结晶示意图 （）图由颗粒粗化控制的连续静态再结晶的示意图 （）动态再结晶金属及合金的动态再结晶的发生条件及微观组织演
8、化机制与静态再结晶十分相似，都是在变形储能的驱动下，通过形核长大或亚晶旋转、迁移及合并机制形成再结晶晶粒，取代原始变形组织，并且迁移过程会受到第二相粒子和溶质原子等的影响。区别在于 发生在金属冷变形后的退火过程中，而 发生在再结晶温度以上的塑性变形过程中。在金属基体内部 同 时 进 行 着 形 变 造 成 的 加 工 硬 化，以 及 、造成的软化过程。其中具有明确的形核长大过程称为不连续动态再结晶，通过亚晶旋转机制形成再结晶晶粒的过程称为原位或连续动态再结晶，在一般情况下，通常说的动态再结晶是指不连续动态再结晶。除了变形温度、应变量以及材料本身性质等影响因素外，发生 的金属及合金的最终组织结构
9、还与变形速率有关。为了描述金属塑性成型过程中流变应力、温度以及应变速率之间的定量关系，等 提出包含动态再结晶激活能和变形温度的双曲正弦数学模型，并且认为在材料热变形过程中流动应力曲 线 达 到 稳 态 平 衡 状 态 下，稳 态 应 力 和 参数（值）具有以下关系：?（）（），（）式中，为气体常数（.（），为动态再结晶激活能，?为应变速率，、和均为材料常数。如图（）所示，通常来说动态再结晶的流 动应力曲线由个阶段组成。第一阶段：材料的初始塑性变形很小，随着应变量增加，金属基体内部的位错密度不断上升，材料的变形抗力不断上升，也就是材料的加工硬化过程；另一方面，基体变形产生的位错可以通过螺型位错交
10、滑移、刃型位错攀移及位错节点的脱钉等形式运动，以及异号位错相互湮灭，从而使部分位错消失并发生重排，形成位错胞壁（动态回复过程），造成材料的软化，并且随着变形量的增加，动态回复软化速度逐渐接近 加 工 硬 化 速 度，直 至 流 动 应 力 达 到 最大值。（）不连续动态再结晶（）动态回复及连续动态再结晶图 铝合金热变形过程中的微观组织演化过程 第二阶段：随着金属变形程度的增加，基体内部畸变能不断增大，直至达到临界应变量 后，将发生动态再结晶形核长大，在形核及大角度晶界迁移过程中将消耗大量位错，使基体内部畸变能和位错密度显著下降，流动应力曲线在达到峰值应力后呈现下降趋势。第三阶段：当材料发生不连
11、续动态再结晶时，引起的材料软化与基体持续变形引起的硬化作用相互交替进行，使得流动应力曲线呈现波浪形特征，随着基体内部再结晶体积分数不断增大，最终流动应力曲线趋于平稳，称为动态再结晶型曲线。如图（）所示，当材料发生以 为主要机制的软化行为时，其流动应力由于应变量增加产生的加工硬化在变形初期急速上升，在达到一定变形量后在 和 的软化作用发生下降，并稳定在峰值应力和屈服应力之间的区域，而非 中可能出现的 波 浪 形 特 征，这 与 晶 粒 不 同 于 的形成机制有关。在这个过程中，组成亚晶界的 不断吸收位错，发生亚晶旋转，和 消耗的位错与加工硬化始终保持平衡，导致基体内部位错密度变化相对连续。因此
12、的流动应力曲线相对稳定。而 的形核需要基体内的位错密度累积达到发生 形核所需的临界位错密度（累积位错密度的过程对应流动应力曲线的上升），一旦晶内位错密度达到临界位错密度，即发生形核过程，会消耗大量位错（对应流动应力曲线的下降），因此 过程造成基体内位错密度有所起伏，所对应的流动应力曲线出现“波浪形特征”。此外，材料在不同热加工条件下发生的诸如沉淀相、织构变化等现象也会对流动应力曲线产生复杂的影响。在实际生产过程中，金属材料发生的 类型往往是非常复杂的，不同 之间并不存在明显界限，往往同时发生或交替进行。甚至对于同种材料，不同的热加工条件或初始晶粒尺寸也会导致 和 之间相互转化。对于中、低堆垛层
13、错能（）金属来说，其流动应力曲线在高变形温度、低应变速率（低值）条件下呈现多峰值特征，在低变形温度、高应变速 率（高值）条 件 下 呈 现 单 峰 值 特 征。发 现 铝 合 金 在 中 温（）和高温（）条件热压缩下，分模 具 技 术 别发生 和 为主的再结晶微观组织演 化 过 程。等 发 现 不锈钢在轧制条件下会发生 。等 发现在不同热加工条件下，镁合金同时存在 和 ，并且随着值不断降低，锻态镁合金再结晶百分比更高，且再结晶晶粒平均尺寸更小。因此，在考虑 具体类型时，要结合 ，热加工条件（值）、初始晶粒尺寸、第二相粒子等多种影响因素综合分析。不连续动态再结晶在金属及合金的塑性变形过程中，微观
14、组织演化机制是以 为主还是以 为主在很大程度上取决于其自身的 水平（表）。在、及奥氏体钢等低、中 金属及合金变形过程中，由于层错能较低容易造成扩展位错宽度较大，难以集束，使得螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移行为受到限制，难以发生异号位错之间的相互湮灭，从而使基体内部位错密度容易达到临界位错密度，发生再结晶形核过程。表室温下常见金属及合金的堆垛层错能（）金属 （）金属 （）（）：形核过程：在多晶体金属材料的塑性变形过程中，由于不同晶粒的晶体学取向不同，部分晶粒处于变形有利取向，其内部几何位错密度明显高于其他处于变形不利取向的晶粒，在原始晶界附近形成了一定的位错密度梯度，导致晶界两侧存在变形储存能
15、差，如图（）所示。原始平直晶界在非均匀应变作用下发生滑动，配合基体变形，以局部迁移的方式形成起伏的“锯齿状”结构，并且阻碍晶界的进一步滑移或剪切，导致局部位错累积并形成位错梯度。当晶界两侧的储能差足以克服晶粒间的界面作用力时，晶界将从低储能一侧向高储能一侧弓出，并在迁移过程中吸收附近的位错，形成部分无畸变区域，如图（）所示。在弓弯区域出现新的亚晶界（低温或高应变速率）或孪晶界（高温或低应变速率），形成新的 晶粒。随着变形量的增加，原始晶界处会不断通过弓弯方式形成新的 晶粒，最终在原始晶粒周围形成大量新的细小等轴晶粒，呈现出“项链状”特征。等在相关研究的基础上，将不连续动态再结晶的特征总结为以下
16、几点：（）低应变条件下晶粒 和 晶 粒 晶界 附 近 的 高 密度位错（）随着应变量增加，晶粒 的晶界向晶粒 弯曲（）高应变下形成的再结晶晶粒图晶界弓出机制形成再结晶形核 ）的发生需要满足临界应变条件，并且临界应变值会随着值的下降而下降；）变形温度、变形速率以及材料的初始晶粒尺寸决定了其材料流动应力曲线呈现“多峰值”还是“单峰值”形状，并且材料的稳态流动应力值水平与值有关；）的形核位点通常在原始晶界处，当初始晶粒尺寸和再结晶晶粒尺寸之间存在较大差异时，会形成等轴晶的项链结构；）再结晶动力学随着初始晶粒尺寸和应变速率的降低，以及变形温度的升高而加快；）再结晶晶粒尺寸存在一个稳定值，并且不受初始晶粒尺寸的影响，但与值有关。连续动态再结晶 过程一般发生在铝、镍等高 金属及合金的高温变形过程，或低温大塑性变形（）过 程 中。不 同 于 的 形 核 方 式，的亚晶形成方式仍存在争论，其原因主要是在 技术出现之前，缺乏能够快速标定材料晶粒取向的实验观测手段。此外，很多 过程需要在 过程中才能发生或全部完成，因此在很长一段时间并没有被观测到。由于 过 程 还 涉 及 到 的 转 化 及 迁移，因此相