基于两阶段物理本构模型的Al-Mg-Si-Sc合金热变形行为与动态再结晶机制研究

针对铝合金热加工过程中流变应力预测精度不足及微观机制解析不深入的问题，研究人员通过热压缩实验构建了Al-Mg-Si-Sc合金的两阶段物理本构模型（WH-DRV阶段与DRX阶段），揭示了Zener-Hollomon（Z）参数调控下DDRX与CDRX的竞争机制，模型预测精度达R=0.9976、AARE=1.63%，为铝合金热工艺优化提供了理论支撑。

　　

在汽车与建筑领域，6xxx系Al-Mg-Si合金因其优异的力学性能和耐腐蚀性成为关键材料，但高温变形过程中复杂的流变行为与微观组织演变制约了其加工精度。传统本构模型（如Arrhenius模型）虽能预测流变应力，却难以解析位错运动、动态再结晶等微观物理机制。更棘手的是，添加钪（Sc）的铝合金在热加工时，动态软化机制（如动态回复DRV、动态再结晶DRX）与加工参数的非线性关系尚未明确，导致工艺优化缺乏理论指导。

针对这一难题，广西科技计划项目支持的研究团队首次将两阶段物理本构模型应用于Al-Mg-Si-Sc合金，通过热压缩实验结合微观组织表征，揭示了Zener-Hollomon（Z）参数对动态再结晶机制的调控规律。研究发现，当lnZ较低时，不连续动态再结晶（DDRX）占主导；而lnZ升高会促使DDRX与连续动态再结晶（CDRX）共存。这一成果不仅将模型预测精度提升至AARE=1.63%，更通过Avrami方程定量描述了DRX体积分数随lnZ的变化规律，为铝合金热加工工艺的数字化设计提供了新范式。论文发表于《Materials Today Communications》。

研究采用三项关键技术：1）半连续铸造制备Al-Mg-Si-Sc合金（成分见表1）；2）Gleeble-3500热模拟机进行等温压缩实验（温度300-500°C，应变率0.001-1 s^-1
）；3）电子背散射衍射（EBSD）与透射电镜（TEM）分析DRX晶粒取向与位错结构。

【Flow behavior】
真应力-应变曲线显示，流变应力随温度降低或应变率升高而显著增加。典型曲线分为三阶段：快速加工硬化（WH）阶段、DRV/DRX主导的软化阶段、以及应力稳态阶段。值得注意的是，高lnZ条件下（如低温高应变率），应力曲线呈现单峰特征，表明DRX被抑制。

【Relationship between lnZ and DRX behavior】
通过Avrami方程拟合发现，DRX速率随应变呈现先增后减趋势，且峰值速率对应的应变值随lnZ增大而右移。EBSD分析证实，当lnZ=15.2时，DDRX在原始晶界处形核；而lnZ=24.1时，亚晶旋转诱导的CDRX成为主要机制，这与Z参数对位错迁移率的调控直接相关。

【Conclusions】
该研究通过两阶段模型成功量化了WH-DRV与DRX阶段的流变应力贡献，模型相关系数R达0.9976。微观机制分析表明：1）DRV是主要软化机制；2）lnZ<20时DDRX占优，lnZ>20时CDRX作用增强；3）DRX体积分数与lnZ呈负相关。这些发现不仅突破了传统经验模型的局限性，更为铝合金热加工参数的智能反演提供了物理基础。

讨论部分强调，该模型首次在铝合金中实现了从宏观流变应力到微观再结晶机制的跨尺度关联，尤其揭示了Sc元素通过钉扎位错影响CDRX动力学的新现象。未来研究可结合相场模拟进一步揭示Sc-Al₃
Sc析出相与再结晶晶界的相互作用机制。