Динамическая рекристаллизация

Динамическая рекристаллизация (DRX) — это тип процесса рекристаллизации , встречающийся в металлургии и геологии. При динамической рекристаллизации, в отличие от статической, зарождение и рост новых зерен происходит во время деформации, а не впоследствии, как часть отдельной термической обработки. Уменьшение размера зерна увеличивает риск скольжения границ зерен при повышенных температурах, а также снижает подвижность дислокаций внутри материала. Новые зерна менее деформированы, что приводит к снижению упрочнения материала. Динамическая рекристаллизация позволяет получить новые размеры и ориентацию зерен, что может предотвратить распространение трещин. Вместо того, чтобы деформация вызывала разрушение материала, деформация может инициировать рост нового зерна, поглощая атомы из соседних ранее существовавших зерен. После динамической рекристаллизации пластичность материала увеличивается. ^{[ 1 ]}

На кривой напряжение-деформация начало динамической рекристаллизации можно распознать по отчетливому пику напряжения течения в данных горячей обработки из-за смягчающего эффекта рекристаллизации. Однако не все материалы демонстрируют четко выраженные пики при испытаниях в горячих условиях. Начало DRX также можно обнаружить по точке перегиба на графиках зависимости скорости деформационного упрочнения от напряжения. Показано, что этот метод можно использовать для установления возникновения DRX, когда это невозможно определить однозначно по форме кривой течения.

Если колебания напряжений появляются до достижения установившегося состояния, то происходит несколько циклов рекристаллизации и роста зерен, и поведение напряжения называется циклическим или множественным пиком. Конкретное поведение напряжения до достижения устойчивого состояния зависит от начального размера зерна , температуры и скорости деформации .

DRX может проявляться в различных формах, в том числе:

Геометрическая динамическая рекристаллизация
Прерывистая динамическая рекристаллизация
Непрерывная динамическая рекристаллизация

Динамическая рекристаллизация зависит от скорости создания и движения дислокаций. Она также зависит от скорости восстановления (скорости аннигиляции дислокаций). Взаимодействие между наклепом и динамическим восстановлением определяет структуру зерна. Это также определяет склонность зерен к различным видам динамической рекристаллизации. ^{[ 1 ]} Независимо от механизма, чтобы произошла динамическая кристаллизация, материал должен подвергнуться критической деформации. Конечный размер зерна увеличивается с увеличением напряжения. Для получения очень мелкозернистой структуры напряжения должны быть высокими. ^{[ 2 ]}

Некоторые авторы использовали термин «постдинамический» или «метадинамический» для описания рекристаллизации, которая происходит во время фазы охлаждения процесса горячей обработки или между последовательными проходами. Это подчеркивает тот факт, что рекристаллизация напрямую связана с рассматриваемым процессом, признавая при этом отсутствие сопутствующей деформации.

Геометрическая динамическая рекристаллизация (GDRX)

Геометрическая динамическая рекристаллизация происходит в зернах с локальными зазубринами. При деформации зерна, подвергающиеся GDRX, удлиняются до тех пор, пока толщина зерна не упадет ниже порога (ниже которого границы зубцов пересекаются, и мелкие зерна отщепляются в равноосные зерна). ^{[ 1 ]} Зубцы могут предшествовать напряжениям, оказываемым на материал, или могут возникнуть в результате деформации материала. ^{[ 3 ]}

Геометрическая динамическая рекристаллизация имеет 6 основных характеристик: ^{[ 3 ]}

Обычно это происходит при деформации при повышенных температурах, в материалах с высокой энергией дефекта упаковки.
Стресс возрастает, а затем снижается до устойчивого состояния.
Формирование субзерен требует критической деформации.
Пик разориентации субзерен приходится на угол 2˚.
Немного изменена текстура
Закрепление границ зерен приводит к увеличению необходимой деформации.

Хотя на GDRX в первую очередь влияют начальный размер зерна и деформация (зависящие от геометрии), другие факторы, возникающие в процессе горячей обработки, усложняют разработку прогнозного моделирования (которое имеет тенденцию чрезмерно упрощать процесс) и могут привести к неполной рекристаллизации. ^{[ 3 ]} Формирование равноосного зерна не происходит сразу и равномерно по всему зерну после достижения порогового напряжения, поскольку отдельные области подвергаются различным деформациям/напряжениям. На практике, как правило, синусоидальный край (как предсказывал Марторано и др.) постепенно формируется, когда зерна начинают отщипываться, когда каждое из них достигает порога. ^{[ 4 ]} Более сложные модели учитывают сложную начальную геометрию зерен. ^{[ 5 ]} локальное давление вдоль границ зерен и температура горячей обработки, ^{[ 4 ]} но модели не способны делать точные прогнозы на протяжении всего режима напряжений и эволюции общей микроструктуры. Кроме того, границы зерен могут мигрировать во время GDRX при высоких температурах и кривизне GB, перетаскивая границы субзерен и приводя к нежелательному росту исходного зерна. Это новое, более крупное зерно потребует гораздо большей деформации для возникновения GDRX, и локальная область будет скорее слабой, чем усиленной. ^{[ 6 ]} Наконец, рекристаллизация может ускориться, поскольку зерна смещаются и растягиваются, в результате чего границы субзерен становятся границами зерен (угол увеличивается). Пораженные зерна тоньше и длиннее и, следовательно, легче подвергаются деформации. ^{[ 7 ]}

Прерывистая динамическая рекристаллизация.

Прерывистая рекристаллизация неоднородна; существуют различные стадии зарождения и роста. Это часто встречается в материалах с низкой энергией дефекта упаковки. Затем происходит зародышеобразование, в результате которого образуются новые свободные от напряжений зерна, которые поглощают ранее существовавшие напряженные зерна. Это происходит легче на границах зерен, уменьшая размер зерен и тем самым увеличивая количество мест зародышеобразования. Это еще больше увеличивает скорость прерывистой динамической рекристаллизации. ^{[ 3 ]}

Прерывистая динамическая рекристаллизация имеет 5 основных характеристик: ^{[ 3 ]}

Рекристаллизация не происходит до достижения пороговой деформации.
Кривая растяжения-деформации может иметь несколько пиков – универсального уравнения не существует.
Зародышеобразование обычно происходит вдоль уже существующих границ зерен.
Скорость рекристаллизации увеличивается с уменьшением исходного размера зерна.
Существует устойчивый размер зерна, который приближается по мере прохождения рекристаллизации.

Прерывистая динамическая рекристаллизация обусловлена взаимодействием наклепа и восстановления. Если аннигиляция дислокаций происходит медленно по сравнению со скоростью их образования, дислокации накапливаются. При достижении критической плотности дислокаций на границах зерен происходит зарождение кристаллов. Миграция границ зерен, или переход атомов из уже существующего большого зерна в меньшее ядро, позволяет расти новым ядрам за счет ранее существовавших зерен. ^{[ 3 ]} Зарождение может происходить за счет выпучивания существующих границ зерен. Выпуклость образуется, если субзерна, примыкающие к границе зерна, имеют разные размеры, что приводит к несоответствию энергии двух субзерен. Если выпуклость достигнет критического радиуса, она успешно перейдет в стабильное ядро и продолжит свой рост. Это можно смоделировать, используя теории Кана, касающиеся зарождения и роста. ^{[ 2 ]}

Прерывистая динамическая рекристаллизация обычно приводит к образованию микроструктуры «ожерелья». Поскольку рост новых зерен энергетически выгоден вдоль границ зерен, образование новых зерен и их выпуклость преимущественно происходят вдоль ранее существовавших границ зерен. Это приводит к образованию слоев новых, очень мелких зерен вдоль границ зерен, первоначально оставляя внутреннюю часть ранее существовавшего зерна незатронутой. По мере продолжения динамической рекристаллизации она поглощает нерекристаллизованную область. По мере продолжения деформации рекристаллизация не поддерживает согласованность между слоями новых зародышей, создавая случайную текстуру. ^{[ 8 ]}

Непрерывная динамическая рекристаллизация

Непрерывная динамическая рекристаллизация распространена в материалах с высокими энергиями дефектов упаковки. Это происходит, когда границы зерен с малым углом формируются и превращаются в границы с большим углом, образуя при этом новые зерна. При непрерывной динамической рекристаллизации нет четкого различия между фазами зарождения и роста новых зерен. ^{[ 3 ]}

Непрерывная динамическая рекристаллизация имеет 4 основные характеристики: ^{[ 3 ]}

По мере увеличения напряжения напряжение увеличивается
По мере увеличения деформации разориентация границ субзерен увеличивается.
По мере того как малоугловые границы зерен превращаются в большеугловые границы зерен, разориентация равномерно увеличивается.
По мере увеличения деформации размер кристаллитов уменьшается.

Существует три основных механизма непрерывной динамической рекристаллизации:

Во-первых, непрерывная динамическая рекристаллизация может происходить, когда малоугловые границы зерен собираются из дислокаций, образовавшихся внутри зерна. Когда материал подвергается постоянному напряжению, угол разориентации увеличивается до тех пор, пока не будет достигнут критический угол, создавая границу зерна с большим углом. Этой эволюции может способствовать закрепление границ субзерен. ^{[ 3 ]}

Во-вторых, непрерывная динамическая рекристаллизация может происходить посредством рекристаллизации с вращением субзерен ; субзерна вращаются, увеличивая угол разориентации. Как только угол разориентации превышает критический угол, бывшие субзерна квалифицируются как независимые зерна. ^{[ 3 ]}

В-третьих, может происходить непрерывная динамическая рекристаллизация из-за деформации, вызванной полосами микросдвига . Субзерна собираются дислокациями внутри зерна, образующимися при наклепе. Если полосы микросдвига образуются внутри зерна, напряжение, которое они создают, быстро увеличивает разориентацию малоугловых границ зерен, превращая их в большеугловые границы зерен. Однако воздействие полос микросдвига локализовано, поэтому этот механизм преимущественно воздействует на области, которые деформируются неоднородно, такие как полосы микросдвига или области вблизи ранее существовавших границ зерен. По мере рекристаллизации она распространяется из этих зон, образуя однородную равноосную микроструктуру. ^{[ 3 ]}

Математические формулы

На основе метода, разработанного Поляком и Йонасом, разработано несколько моделей для описания критической деформации возникновения DRX как функции пиковой деформации кривой растяжения-деформации. Модели построены для систем с одним пиком, т.е. для материалов со средними и низкими значениями энергии дефекта упаковки. Модели можно найти в следующих статьях:

Поведение DRX для систем с несколькими пиками (а также с одним пиком) можно смоделировать, учитывая взаимодействие нескольких зерен во время деформации. Я. е. Модель ансамбля описывает переход между одно- и многопиковым поведением в зависимости от начального размера зерна. Он также может описывать влияние переходных изменений скорости деформации на форму кривой течения. Модель можно найти в следующей статье:

Новый унифицированный подход к моделированию рекристаллизации при горячей прокатке стали

Литература

Однопарментерный подход к определению критических условий начала динамической рекристаллизации , возникновения DRX
Анализ кривой течения нержавеющей стали 17–4 PH при испытании на горячее сжатие , комплексное исследование DRX
Определяющие соотношения для моделирования горячего потока меди технической чистоты, глава 6 , докторская диссертация В.Г. Гарсиа, UPC (2004).
Обзор явлений динамической рекристаллизации в металлических материалах , Последняя обзорная статья по DRX
Модель клеточного автомата динамической рекристаллизации: введение и исходный код , программное обеспечение, имитирующее DRX от CA: введение, видео запуска программного обеспечения

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с МакКуин, HJ (8 декабря 2003 г.). «Развитие теории динамической рекристаллизации». Материаловедение и инженерия: A : 203–208 – через Elsevier Science Direct.
^ Jump up to: ^а ^б Робертс, В.; Альблом, Б. (28 апреля 1997 г.). «Критерий зарождения динамической рекристаллизации при горячей обработке». Акта Металлургика . 26 (5): 801–813. doi : 10.1016/0001-6160(78)90030-5 – через Elsevier Science Direct.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Хуанг, К.; Логе, RE (29 августа 2016 г.). «Обзор явлений динамической рекристаллизации в металлических материалах». Материалы и дизайн . 111 : 548–574. doi : 10.1016/j.matdes.2016.09.012 – через Elsevier Science Direct.
^ Jump up to: ^а ^б Марторано, Массачусетс; Падилья, AF (1 сентября 2008 г.). «Моделирование миграции границ зерен при геометрической динамической рекристаллизации» . Письма философского журнала . 88 (9–10): 725–734. дои : 10.1080/09500830802286951 . ISSN 0950-0839 .
^ Пари, Луиджи Де; Мисиолек, Войцех З. (1 декабря 2008 г.). «Теоретические прогнозы и экспериментальная проверка эволюции зеренной структуры поверхности AA6061 во время горячей прокатки» . Акта Материалия . 56 (20): 6174–6185. дои : 10.1016/j.actamat.2008.08.050 . ISSN 1359-6454 .
^ Петтерсен, Таня; Нес, Эрик (1 декабря 2003 г.). «О происхождении размягчения деформаций при деформировании алюминия при кручении до больших деформаций» . Металлургические и сырьевые операции А . 34 (12): 2727–2736. дои : 10.1007/s11661-003-0174-1 . ISSN 1543-1940 .
^ Гурде, С.; Монтейе, Ф. (23 мая 2003 г.). «Модель непрерывной динамической рекристаллизации» . Акта Материалия 51 (9): 2685–2699. дои : 10.1016/S1359-6454(03) 00078-8 ISSN 1359-6454 .
^ Понге, Д.; Готтштейн, Г. (18 декабря 1998 г.). «Формирование ожерелья при динамической рекристаллизации: механизмы и влияние на поведение потока». Акта Материалия . 46 : 69–80. doi : 10.1016/S1359-6454(97)00233-4 – через Elsevier Science Direct.

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с МакКуин, HJ (8 декабря 2003 г.). «Развитие теории динамической рекристаллизации». Материаловедение и инженерия: A : 203–208 – через Elsevier Science Direct.

[:1-2] Jump up to: ^а ^б Робертс, В.; Альблом, Б. (28 апреля 1997 г.). «Критерий зарождения динамической рекристаллизации при горячей обработке». Акта Металлургика . 26 (5): 801–813. doi : 10.1016/0001-6160(78)90030-5 – через Elsevier Science Direct.

[:2-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к Хуанг, К.; Логе, RE (29 августа 2016 г.). «Обзор явлений динамической рекристаллизации в металлических материалах». Материалы и дизайн . 111 : 548–574. doi : 10.1016/j.matdes.2016.09.012 – через Elsevier Science Direct.

[:3-4] Jump up to: ^а ^б Марторано, Массачусетс; Падилья, AF (1 сентября 2008 г.). «Моделирование миграции границ зерен при геометрической динамической рекристаллизации» . Письма философского журнала . 88 (9–10): 725–734. дои : 10.1080/09500830802286951 . ISSN 0950-0839 .

[5] Пари, Луиджи Де; Мисиолек, Войцех З. (1 декабря 2008 г.). «Теоретические прогнозы и экспериментальная проверка эволюции зеренной структуры поверхности AA6061 во время горячей прокатки» . Акта Материалия . 56 (20): 6174–6185. дои : 10.1016/j.actamat.2008.08.050 . ISSN 1359-6454 .

[6] Петтерсен, Таня; Нес, Эрик (1 декабря 2003 г.). «О происхождении размягчения деформаций при деформировании алюминия при кручении до больших деформаций» . Металлургические и сырьевые операции А . 34 (12): 2727–2736. дои : 10.1007/s11661-003-0174-1 . ISSN 1543-1940 .

[7] Гурде, С.; Монтейе, Ф. (23 мая 2003 г.). «Модель непрерывной динамической рекристаллизации» . Акта Материалия 51 (9): 2685–2699. дои : 10.1016/S1359-6454(03) 00078-8 ISSN 1359-6454 .

[8] Понге, Д.; Готтштейн, Г. (18 декабря 1998 г.). «Формирование ожерелья при динамической рекристаллизации: механизмы и влияние на поведение потока». Акта Материалия . 46 : 69–80. doi : 10.1016/S1359-6454(97)00233-4 – через Elsevier Science Direct.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]