动态再结晶行为的实验研究与数值模拟研究报告

作者及出版信息

本文由 Zhipeng Wan、Yu Sun、Lianxi Hu 和 Huan Yu 等研究者共同完成，研究单位为哈尔滨工业大学国家金属精密热加工重点实验室（National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals, Harbin Institute of Technology, Harbin, China）。该研究发表于国际期刊《Materials and Design》，期刊卷号为122（2017年），文章在线发表时间为2017年3月1日。

研究背景

钛铝基（TiAl-based）合金因其轻量、高强度及耐高温能力，广泛应用于航空航天及汽车工业。然而，该类合金在低温条件下表现出较差的可塑性与有限的可成形性，这与其特有的晶体结构密切相关。为改善其成形性，常采用高温热变形工艺，而其中动态再结晶（Dynamic Recrystallization, 简称 DRX）是软化金属材料的主要机制。

动态再结晶不仅能够通过消除粗大的晶粒和成分偏析来提升合金的均匀性和力学性能，还能够形成精细均匀的等轴晶粒结构，从而优化材料的微观结构。因此，研究钛铝基合金在热变形过程中的动态再结晶行为及其特性，对于理解并改进该材料的加工和应用性能具有重要意义。

本文的研究目的在于构建钛铝基合金的动态再结晶动力学模型，研究其在不同热变形条件下的动态行为，同时结合实验和数值模拟技术，验证模型的预测能力，并进一步揭示动态再结晶的成核机制与组织演变特性。

行研究详细流程与实验设计

1. 材料与样品准备
   研究对象为通过粉末冶金工艺制备的 Ti-47Al-2Nb-2Cr 合金，其初始显微组织由等轴的 γ-TiAl 相和少量的 α2-Ti3Al 相组成，初始平均晶粒尺寸为 2.04 μm。压缩实验样品为直径 6 毫米，高度 9 毫米的圆柱形试样。

2. 实验方法与过程
   热压缩实验使用 Gleeble-1500D 热-机械模拟测试机在 1223–1473 K 的温度范围和 0.001–0.1 s⁻¹ 的应变速率下进行，试样经历最大高度压缩率 55%（相应于真应变 ε = 0.8），并在变形后立即淬火以保留变形的显微组织。电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）和透射电子显微镜（TEM）用于观察样品的显微组织和结晶学特性。

3. 动力学建模与数值模拟
   基于 Avrami 类型方程及流变应力数据，构建了动态再结晶动力学模型，该模型被嵌入有限元程序中。通过 DEFORM-3D 平台进行数值模拟，分析不同热变形条件下的等效应变分布和 DRX 体积分数的演变，并与实验结果进行对比。

4. 数据分析与处理
   对于实验获取的流变应力曲线，采用工作硬化率法和临界点分析方法确定 DRX 的起始应力和应变。此外，通过 EBSD 数据采用 GOS（Grain Orientation Spread）方法定量计算再结晶体积分数。

主要研究结果

1. 流变应力与动态再结晶行为
   实验发现，TiAl 基合金的流变应力高度依赖于变形温度和应变速率。高温与低应变速率能够显著降低流变应力，并且促进位错的湮灭与动态再结晶的发生。在高应变速率或低温的条件下，流变应力曲线的稳态阶段呈现延迟，这表明再结晶的软化效应不足。

2. 动态再结晶动力学模型
   基于实验数据推导出钛铝基合金的 DRX 动力学方程，其形式如下：

   X_DRX = 1 - exp(-0.141((ε - ε_c) / ε_p) ^ 1.863) (ε ≥ ε_c) 

   模型预测表明，DRX 的体积分数随应变显著增加，并且对温度与应变速率非常敏感。在较高温度与较低应变速率下，再结晶发生的驱动力更高，从而促进形成更多的 DRX 晶粒。

3. 显微组织演变与成核机制
   通过 EBSD 和 TEM 观测，动态再结晶的成核机制主要为不连续动态再结晶（Discontinuous DRX, DDRX），其特征为原始晶界的隆起与新的再结晶晶粒的形成。此外，变形过程中 γ 相的形变孪晶增加了再结晶的成核位点，有助于显著提高 DRX 的速率。

在不同温度和应变速率下，实验观察到 DRX 晶粒尺寸与分布的显著差异。在较低温度或较高应变速率下，晶粒尺寸较小，组织的不均匀性较高，而高温低应变速率条件下，晶粒尺寸增大且趋于均匀。

1. 数值模拟验证
   数值模拟表明，DRX 体积分数的分布具有明显的区域差异，最大值通常位于试样中心区域，最小值出现在试样与压头的接触表面附近。模型预测的 DRX 体积分数与实验结果吻合较好，相关系数 R 达到 0.99，平均绝对相对误差 AARE 为 0.111。

研究结论及意义

1. 本研究构建了适用于钛铝基合金的动态再结晶动力学模型，并通过实验验证和数值模拟显示出良好的预测能力。
2. 提出变形孪晶对动态再结晶成核的促进效应，为深入理解钛铝基合金的变形机制提供了重要依据。
3. 研究结果为优化钛铝基合金的热加工工艺及改善材料性能提供了理论支持，尤其是在航空航天等高端制造领域具有重要的应用价值。

研究亮点

1. 成功构建并验证了钛铝基合金的动态再结晶动力学模型。
2. 提出了 γ 相变形孪晶对动态再结晶成核的显著促进作用。
3. 通过结合实验与数值模拟技术，揭示了动态再结晶行为的温度与应变速率响应规律，为相关材料的工艺优化提供了新思路。

研究局限与展望

虽然本文重点研究了 Ti-47Al-2Nb-2Cr 合金的 DRX 行为，但当前对于该模型是否适用于其他体系的钛铝基合金尚未验证。此外，进一步的研究可以探索动态再结晶与材料疲劳性能及断裂韧性之间的耦合关系，为实际工程应用提供更加全面的理论基础。