动态再结晶及其机制

动态再结晶及其机制
动态再结晶及其机制
引言
工程上常将再结晶温度以上的加工成为“热加工”，而把再结晶温度以下而又不加热的加工称为“冷加工”。

至于“温加工”则介于二者之间，其变形温度低于再结晶温度，却高于室温。

高温进行的锻造，轧制等压力加工属热加工。

热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。

在金属冷形变后的加热过程中发生的，称为静态回复和静态再结晶。

若提高金属变形的温度,使金属在较高的温度下形变时，金属在热变形的同时也发生回复和再结晶，这种与金属热变形同时发生的回复和再结晶称为动态回复和动态再结晶。

一、动态再结晶定义
在热加工过程中，塑性变形使金属产生形变强化的同时发生的再结晶的现象。

这是在通常的热加工时发生的过程。

在发生回复和再结晶时，由形变造成的加工硬化与由动态回复，动态再结晶造成的软化同时发生。

二、动态再结晶的应力应变曲线
值得注意的是：温度为常数时，随应变速率增
加，动态再结晶应力应变曲线向上向右移动，
m ax 对应的应变增大：而应变速率一定时，温度升
高，曲线会向下向左移动，最大应力对应的应变减小.
三、动态再结晶的机制 3.1概述
在低应变速率下，动态再结晶通过原晶界的弓出机制形核。

与其对应的稳定态阶段的曲线呈波浪 第一阶段—加工硬化阶段：应力随应变上升很快，金属出现加工硬化（0<ε<εc ）。

第二阶段—动态再结晶开始阶段：应变达到临界值εc ，动态再结晶开始，其软化作用随应变增加而上升的幅度逐渐降低，当σ>σmax 时，动态再结晶的软化作用超过加工硬化，应力随应变增加而下降（εc ≤ε<εs ）。

第三阶段—稳定流变阶段：随真应变的增加，加工硬化和动态再结晶引起的软化趋于平衡，流变应力趋于恒定。

但当ε以低速率进行时，曲线出现波动，其原因主要是位错密度变化慢引起。

（ε≥εs ）
形变化，这是由于位错增殖速度小，在发生动态再结晶软化后，继续进行再结晶的驱动力减小，再结晶软化作用减弱，以致不能与新的加工硬化平衡，从而重新发生硬化，曲线重新上升。

等到位错再度积累到一定程度，使再结晶又占上风时，曲线又重新下降。

这种反复变化的过程将不断进行下去，变化周期大致不变，但振幅逐渐衰减。

因此这种情况下，动态再结品与加工硬化交替进行：使曲线呈波浪式。

层错能偏低的材料如铜及其合金，奥氏体钢等易出现动态再结晶。

故动态再结晶是低的层错能金属材料热交形的主要软化机制。

在高应变速率下，则通过亚晶聚集长大方式进行。

随变形量增加位错密度不断增高，使动态再结晶加快，软化作用逐渐增强，当软化作用开始大于加工硬化作用时．曲线开始下降。

当变形造成的硬化与再结晶造成的软化达到动态平衡时，曲线进入稳定阶段。

3.2 两种经典的动态再结晶机制
①应变诱发晶界迁移机制(也叫晶界弓出机制) 。

应变诱发晶界迁移机制是大角度晶界两侧存在着位错密度差的结果。

如图1所示,由于大角度晶界两侧亚晶含有不同的位错密度,致使两侧亚晶所
含的应变储能不同,在应变储能差这一驱动力的作用下,大角度晶界会向位错密度高的一侧迁移,继而形成无应变的再结晶晶粒;
②亚晶粗化机制。

如图2 所示,位相差不大的两相邻亚晶为了降低表面能而转动相互合并。

在这个过程中,为了形成新的晶界并消除两亚晶合并后的公共亚晶界,需要两亚晶小角度晶界上位错的滑移和攀移来实现,亚晶转动合并后,由于转动的作用会增大其与相邻亚晶之间的位向差,就这样形成大角度晶界,形成了新的再结晶晶粒。

3.3 新的动态再结晶机制的研究及进展
许多学者对高应变速率条件下材料的动态再结晶机制进行了研究。

McQueen等人认为,在应变速率很高的条件下,再结晶核心可以从位向差很大的胞状组织(或亚组织)直接发展而来,而不必从预先已经存在的大角度晶界中形成,这是与传统再结晶机制不同的地方,预示着其他动态再结晶机制的存在。

Chen等人认为动态再结晶的激活能跟应力密切
相关,扩散过程不是决定动态再结晶的唯一因素。

然而,传统动态再结晶机制实质上是一种扩散控制机制(如图2) ,再结晶过程的完成都必须依靠空位迁移等扩散过程来实现。

这种扩散控制机制太慢,不能在高速动态变形的过程中形成大角度亚晶界完成再结晶过程,因此,这种大角度的亚晶界可能是通过其他途径形成的。

后来许多学者认为,大应变速率下晶粒的机械转动可能是这种再结晶机制的关键。

由此提出以下机制:
①晶粒机械破碎及晶界迁移、亚晶粗化的混合机制。

在大变形条件下,晶粒被拉长。

如果再受到冲击载荷的作用,被拉长的亚晶会逐渐破碎成微小的再结晶核心。

这种再结晶核心一旦形成,晶界迁移机制便开始起作用。

最后形成稳定的再结晶晶粒。

图3 说明了这种再结晶整个过程。

这种再结晶模型的缺点是它只是一种粗略的、定性的过程说明,没有考虑到宏观大变形速率的影响;
②机械辅助亚晶(转动) 粗化再结晶模型。

Flaqtier等人提出了适于低温、大塑性变形条件的机械辅助亚晶粗化再结晶机制。

认为在低温时,变形是滑移系活化的结果。

当材料达到临界分解剪切应力时,为了使亚晶中的内能最低,在不同的亚晶中,选择活化的滑移系也不相同。

为了使亚晶界上的能量最低,位向差不大的相邻亚晶会转动合并,产生亚晶粗化而完成再结晶过程。

这种再结晶机制的缺点是未考虑到宏观大应变速率条件的影响;
③渐进式亚晶位向差再结晶( PriSM) 。

亚晶的机械转动及随后由扩散控制的位错攀移和湮没是这种机制的实质。

在剪切变形开始阶段,在剪切方向上开始形成被拉长的胞状组织。

为了滞留应变,原始晶粒开始破碎成亚结构,而在这些亚晶区域之间存在着较小的位向差。

当变形继续进行时,为了进一步滞留应变,这些被拉长的胞状组织开始变窄、变细,分为更为等轴的胞状结构,并随着应变速率
或应变的增加,亚晶尺寸也会减小。

当亚晶到一定的临界尺寸时,亚晶尺寸不再减小。

到了这一阶段,继续变形已不能再减小亚晶尺寸,只有靠亚晶的转动来滞留应变。

这样,在晶粒内部形成了相互间有着较大位向差的等轴化区域。

在亚晶转动的过程中,由于亚晶墙上存在着大量的位错,防止了在亚晶转动时相邻亚晶间空洞的出现。

在变形完成之后的冷却过程中,位错通过攀
移,亚晶界上的异号位错相互抵消,形成大角度晶界,再结晶过程完成。

整个过程如图4 所示。

在此过程中,应变速率和温度的影响主要表现在他们对材料的流变应力的影响上;应变速率越高,材料的流变应力越大;而温度和应变速率的影响恰好相反。

四、动态再结晶与静态再结晶相比的特点
①动态再结晶要达到临界变形量和在较高的变形温度下才能发生；
②与静态再结晶相似，动态再结晶易在晶界及亚晶界形核；
③动态再结晶转变为静态再结晶时无需孕育期；
④动态再结晶所需的时间随温度升高而缩短。

五、动态再结晶组织结构
动态再结晶在应变速率较低时通晶界弓出形核，这是由于晶界局部被缠结位错构成的亚晶界钉扎，同时弓出段两侧存在着较大的应变能差；在应变速率较高时以亚晶合并长大方式形核，这是由于位错缠结形成较多的亚晶粒，使晶界被钉扎点间的距离缩小，可弓出段长度太小，以致弓出形核难以实现。

再结晶后晶粒尺寸
其长大是通过新形成的
大角度晶界及随后移动的方
式进行。

特点：反复形核、有限长
大，晶粒较细。

动态再结晶
的晶粒为等轴晶粒组织，晶
流变应力粒较为细小，大小不均匀，
晶界呈锯齿状，等轴的等轴
晶内存在被缠结位错所分割
成的亚晶粒，其尺寸取决于
应变速率和变形温度。

由于
具有较高的位错密度和位错
缠结存在，这种组织比静态
再结晶组织具有较高的强度
和硬度。

应用：采用低的变形终止
温度、大的最终变形量、快
的冷却速度可获得细小晶
粒。

六、动态再结晶模型的建立过程
6.1 临界应变模型
当应变量达到发生动态再结晶的临界应变时,动态再结晶才能发生。

因此,对整个动态再结晶模
型来说,临界应变模型的确定至关重要,建立临界应变模型关键是峰值应变模型的确定。

因此,峰值应变模型是应变速率和温度的函数,随着变形温度的升高,应变速率的降低,应力也随之下降。

峰值应变随着温度的降低应变速率的升高而显著增加,临界应变数学模型采用如下公式:
式中,εc 为动态再结晶发生的临界应变;εp 为峰值应变; Q1 为材料热变形激活能; Û ε为应变速率, R 为气体常数; T为绝对温度; a1、a2、m1 为材料常数(由实验确定) 。

6.2 动态再结晶体积分数模型
为避免传统观测金相试样组织时人为因素的干扰,本文按下式确定动态再结晶量:
式中, Xd rex ———动态再结晶体积分数;σwh ———加工硬化- 动态回复阶段的应力;σs ———加工硬化- 动态回复达到平衡时的饱和应力;σss ———加工硬化- 动态再结晶达到平
衡时的稳态应力;σ———加工硬化- 动态再结晶阶段的应力。

6.3 动态再结晶晶粒模型
为建立动态再结晶晶粒模型,分别取不同的变形温度、应变速率、应变量进行压缩,变形后立即淬火制成金相试样,测定动态再结晶终了的晶粒尺寸。

在稳定变形阶段,独立于原始晶粒尺寸d0 的动态再结晶晶粒尺寸可描述为:
式中, dd rex为动态再结晶晶粒尺寸; Q4 为激活能;Û ε为应变速率,ε为应变, h4、m4、a4 为材料常数, 由实验数据回归得到。

七、未来的发展趋势
金属成形过程中的动态再结晶是一种重要的冶金现象,它在很大程度上决定了最终的微观组织和力学性能,因此,动态再结晶的研究应朝以下几点发展。

①加强对动态再结晶的物理机制的研究,从理论高度上进一步完善和理解动态再结晶的发生机制;
②借助模拟方法如CA,MC等对动态再结晶的微观组织演化进行研究,成功模拟正常晶粒长大、异常晶粒长大、颗粒钉扎情况下的晶粒长大以及焊接热影响区中的晶界钉扎等现象,从而更好的了解其动态再结晶的变化过程;
③通过数学模拟以及其他动态再结晶的物理机制,得出更能反映其具体变化过程的各种动力学方程和数学模型以及动态再结晶的临界判据。