铝合金热机械加工中的取向竞争与热力学：一种模拟方法

《Journal of Materials Research and Technology》：Orientation Competition and Thermodynamics in Thermomechanical Processing for Aluminum Alloy: Simulation Approach

　　

本研究采用全流程模拟方法，探讨取向竞争对铝合金热机械加工（TMP）过程中织构及微观组织演变的影响。研究人员采用平均场粘塑性自洽（VPSC）模型与全场元胞自动机（CA）模型，分别预测冷轧及再结晶过程中的织构与微观组织演变。同时，研究人员引入热力学概念，评估立方（Cube）取向在TMP过程中的演变路径。在冷轧过程中，Cube取向的平均位错密度高于铜（Copper）、S及黄铜（Brass）取向，而高斯（Goss）取向的整体位错密度最低；此外，Copper、S及Brass取向的位错密度呈现高度离散性。在再结晶过程中，经60%及75%压下量后，Brass取向强度增强，而Copper及S取向强度减弱，其中Copper与S取向的减弱促进了Brass取向的增强。关于取向演变路径的热力学分析，Goss与Cube取向的吉布斯自由能随退火时间增加呈持续上升趋势。

论文解读文章

一、研究背景与意义

立方（Cube）织构在包装、汽车工业、变压器铁芯及高温超导体基底等领域具有广泛应用。在饮料罐及汽车工业的深冲压过程中，尖锐的Cube织构会带来不利影响；然而，在高温超导体外延生长所需的铜及镍基底中，以及降低铁镍软磁体磁芯损耗方面，Cube织构又是必需的。科学而言，热机械加工（TMP）过程中尖锐Cube织构的形成会引发板材力学行为的强烈各向异性。Cube织构的形成机制通常以再结晶过程中的定向形核（ON）与定向生长（OG）机理解释。ON模型认为Cube晶粒从变形微观组织中的预先存在Cube区域形核，而OG模型则认为Cube晶粒的择优生长由Cube晶粒与周围变形基体间高迁移率取向差晶界所决定。因此，Cube织构的形成与预先存在的Cube区域及高迁移率取向差晶界密切相关，而这两者均取决于TMP过程。然而，当前仍缺乏对Cube取向在TMP全流程中演变历史的系统性揭示。为此，研究人员创新性地采用贯穿式模拟方法，结合VPSC模型与CA模型，探究取向竞争对织构演变的影响，并引入热力学概念评估Cube取向的演变路径。

二、研究方法概述

研究人员采用平均场粘塑性自洽（VPSC）模型与全场元胞自动机（CA）模型开展模拟研究。VPSC模型用于模拟冷轧过程中的织构演变，将518个随机取向的晶粒在30%、60%及75%压下量条件下进行冷轧变形。CA模型则用于模拟再结晶过程，采用Gottstein提出的三个失稳判据作为转变规则，包括热力学失稳判据（临界半径）、动力学失稳判据（形核迁移速度）及力学失稳判据（净驱动力）。VPSC模型输出的取向、应变及应力数据作为CA模型的初始输入，取向被随机分布在210×210的二维矩形单元中。模拟退火条件为250°C，退火时间分别为10秒、20秒及30秒。研究人员还引入路径系综热力学概念，通过计算焓、熵及吉布斯自由能等参数，评估取向演变路径的热力学特征。

三、主要研究结果

3.1 冷轧过程中Cube的演变历史

VPSC模拟结果表明，随着压下量从30%增加至75%，β纤维织构的整体强度增大。具体而言，Copper取向强度从1.87增至17.45，S取向从3.04增至12.38，Brass取向从3.61增至6.31。通过取向分布函数（ODF）中的通量方向分布分析，研究人员发现Copper、S及Brass取向附近呈现汇聚方向，表明这些取向具有稳定性；而Goss取向的通量方向呈发散状态，表明其向邻近取向旋转。Cube取向在不同位置表现出发散与汇聚并存的复杂行为。位错密度分析显示，Cube取向的平均位错密度高于Copper、S及Brass取向，而Goss取向的整体位错密度最低。Copper、S及Brass取向的位错密度呈现高度离散性。由于形核成功高度依赖于应变能，Cube取向较高的平均位错密度意味着其具有更大的形核成功概率。

3.2 再结晶过程中Cube的演变历史

CA模拟结果表明，60%压下量条件下的再结晶曲线Avrami指数n值为3.15，75%压下量条件下为2.49。退火10秒时，60%与75%压下量条件下的再结晶分数分别为28.1%和50.8%；退火20秒以上时，再结晶过程基本完成。75%压下量条件下再结晶微观组织呈现更多粗大晶粒。取向演变分析显示，经60%压下量及30秒退火后，Copper、S、Brass及Cube取向仍可观察到，但Goss取向消失，Cube与Goss的分数分别约为3.8%和0%。织构演变分析表明，经60%及75%压下量后，Brass取向强度增强，而Copper与S取向强度显著减弱，Copper与S取向的减弱促进了Brass附近两个峰值的形成。值得注意的是，研究人员未在再结晶后直接观察到Cube织构的形成。

3.3 热机械加工过程中路径演变的热力学

研究人员追踪了5种取向在冷轧及退火过程中的演变路径，绘制了桑基图以可视化取向演变。结果表明，最终Cube晶粒主要源自t₃状态的Copper晶粒转变。Copper、S及Brass取向晶粒具有高位错密度及大取向差，两者共同促进其向Cube转变的概率。热力学分析显示，冷轧过程中，随着压下量增加，Copper、S及Brass取向的吉布斯自由能降低，而Cube取向的吉布斯自由能升高。吉布斯自由能的降低意味着Copper、S及Brass取向形成的可能性增大。退火过程中，焓与熵在退火20秒前持续增加，之后保持恒定，这与再结晶在20秒后基本完成的现象一致。Goss取向在60%压下量条件下，其吉布斯自由能在退火20秒内持续增加；Cube取向在70%压下量条件下，其吉布斯自由能在退火10秒内持续增加。这些观察结果表明，Goss与Cube分别在60%与70%压下量条件下的退火过程中呈现不稳定性。

四、结论总结

本研究通过VPSC模型与CA模型的结合，成功模拟了TMP过程中的织构演变。冷轧过程中，Copper、S及Brass取向附近呈现汇聚旋转，而Goss取向呈发散旋转。Cube取向具有高于Copper、S及Brass取向的平均位错密度，Goss取向的整体位错密度最低。再结晶过程中，Brass取向强度增强，而Copper与S取向显著减弱，Copper与S取向的减弱促进了Brass附近峰值的形成。热力学分析表明，Goss取向在60%压下量条件下退火20秒内吉布斯自由能持续增加，Cube取向在70%压下量条件下退火10秒内吉布斯自由能持续增加，揭示了两者在相应条件下的不稳定性。该研究为理解Cube织构在TMP中的演变机制提供了贯穿式模拟方法及热力学分析框架，对铝合金织构控制具有重要参考价值。