《Journal of Materials Research and Technology》：Dynamic recrystallizations and dislocation slips in AZ31 Mg alloy under high-strain-rate large-deformation hot extrusion: a FEM-informed VPSC study
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通过挤压-弯曲一体化成形制备的镁合金在轻量化汽车结构和高强度部件领域展现出显著的应用潜力，其中高温挤压诱导的再结晶微观组织控制着连续在线弯曲性能。然而，再结晶的中间演变过程及其相关的位错滑移行为无法完全通过原位表征，因此需要数值模拟方法。该研究采用自上而下的跨
通过挤压-弯曲一体化成形制备的镁合金在轻量化汽车结构和高强度部件领域展现出显著的应用潜力，其中高温挤压诱导的再结晶微观组织控制着连续在线弯曲性能。然而，再结晶的中间演变过程及其相关的位错滑移行为无法完全通过原位表征，因此需要数值模拟方法。该研究采用自上而下的跨尺度算法模拟热挤压过程中的微观组织演变。通过表征不同挤压速度和挤压比诱导的微观组织差异，建立了挤压参数、再结晶微观组织以及取向加权施密特因子（OWSF，与弯曲载荷相关）之间的定量关系。模拟结果表明，在较大挤压比下，降低挤压速度会增强锥面滑移，但会减少基面和柱面滑移；反之，更高的挤压速度产生更多具有软取向的完全再结晶结构，增加了基面和柱面滑移的施密特因子，并改善了变形协调性。跨尺度预测与实验数据吻合良好，大挤压比和高挤压速度的组合优化了挤压-弯曲一体化成形过程中基面和柱面滑移的变形协调性。
近年来，新能源汽车行业对轻量化材料的需求显著增长。镁合金型材构件因其低密度和高比强度，在车身结构和承载部件中具有广阔的应用前景。然而，镁的六方晶体结构导致其在室温下成形性较差。在高温条件下，六方晶体结构中更多的滑移系统被激活，显著提升了镁合金的成形性。传统热成形工艺流程冗长，反复的冷却和加热循环不仅增加能耗，还常常导致晶体结构发生变化，对成形过程不利。Kleiner等人提出了挤压-弯曲一体化成形工艺（EBIFP），将热弯曲直接集成到构件的热挤压过程中，显著提升了加工效率和质量。但大曲率弯曲变形常导致开裂，温度相关的动态再结晶（DRX）和滑移行为已被确认为控制镁合金高温成形性和抗裂性的关键因素。弯曲变形协调性和中性层偏移进一步决定了镁基结构的成形质量和抗裂性。
目前，有限元方法（FEM）已广泛应用于挤压、弯曲和失效预测的模拟，但其依赖于大量宏观唯象模型和复杂的参数校准，在模拟各向异性镁合金构件大变形加工过程中的缺陷/失效时，预测精度低且计算效率差。根本原因在于宏观唯象模拟与晶体结构演变和微观组织行为关联不紧密。目前流行的晶体塑性有限元方法（CPFEM）虽能考虑微观组织行为，但在模拟初始阶段使用固定的多晶体结构，导致在模拟具有DRX的大变形热挤压过程时出现不准确和显著计算成本。为弥补这一不足，黏塑性自洽（VPSC）模型应运而生。VPSC基于滑移和孪生的物理剪切机制，并考虑晶粒相互作用效应，除提供宏观应力-应变响应外，还能描述单个晶粒的硬化、重取向和形状变化，从而预测与塑性成形相关的硬化和织构演变。此外，VPSC模型的架构与FEM根本不同，不需要实际晶体结构或晶粒形貌，也无需在空间中求解大量偏微分方程，因此基于概率和体积分数概念的VPSC计算模型效率极高。
研究人员建立了自上而下的跨尺度模拟框架，将宏观尺度工艺参数与微观组织演变相联系（图2）。该框架不仅能捕捉挤压过程的热-力耦合行为，还能用单一组晶体硬化参数自洽计算不同挤压条件下的取向演变以及滑移和孪生行为。与CPFEM-PF相比，该框架自由度更少，计算效率大幅提高，且所需关键参数更少、可解释性更强。此外，基于OWSF评估了各种挤压参数下后续弯曲过程中不同变形模式的变形协调性，旨在分析不同工艺参数对取向演变及相应变形协调性行为的调控作用，为EBIFP的优化提供理论依据和指导。
该研究使用的关键技术方法包括：采用Gleeble 3500热机械模拟机进行单轴热压缩实验获取流变应力数据；在湖南大学XJ-800金属挤压机上进行热挤压实验，挤压参数包括两种挤压速度（1.0 mm/s和2.0 mm/s）和两种挤压比（18.9和8.4）；利用电子背散射衍射（EBSD）对铸态和挤压态样品进行微观组织表征；采用Deform 3D v11.0进行有限元模拟，建立半对称有限元模型，使用三维热-力耦合四面体单元；基于VPSC 7模型并结合DRX模型，以FEM模拟得到的速度梯度历史作为加载条件，模拟宏观变形响应、DRX诱导的取向演变以及滑移和孪生系统的活动；引入饱和应变替代原有能量准则以改进DRX模型；采用OWSF评估不同变形模式的变形协调性，通过Mathematica 9.0对500个不同取向进行加权平均计算。
研究结果部分如下：
铸态织构特征。铸态AZ31镁合金在挤压前呈随机织构，平均晶粒尺寸约158.21 μm，晶粒内无孪生。从初始织构中随机选取500个取向构建的极图（PF）证实其为随机织构。
挤压态织构特征。d20-V1.0挤压样品呈现典型挤压织构，微观组织中不仅包含主晶粒，还存在少量TDRX衍生晶粒，尽管孪晶界已完全消除但仍保留项链状结构。此外，观察到大量GBBDRX晶粒，表现为从软取向晶粒向硬取向晶粒的晶界 bulging，表明样品经历了粗晶孪生、TDRX和GBBDRX的序贯微观组织演变。平均晶粒尺寸约2.83 μm。大多数晶粒的c轴在挤压变形后几乎垂直于挤压方向（ED），这是热挤压镁合金的典型挤压织构，由沿ED的大量基面滑移激活所致。再结晶晶粒、亚结构晶粒和变形晶粒分别占58.5%、29%和12.5%。d20-V2.0样品同样呈现挤压织构特征，平均晶粒尺寸3.22 μm。与d20-V1.0相比，d20-V2.0观察到更高的DRX分数和增加的基面ESF。定量分析表明，图8b中再结晶体积分数相比图7b显著增加（63.5% vs. 58.5%），而变形晶粒（9.5% vs. 12.5%）和亚结构（27% vs. 29%）比例均有降低。虽然V2.0严重挤压变形中未观察到典型项链状结构，但GBBDRX晶界 bulges 密度大幅增加。
有限元模拟结果。挤压力-位移曲线显示，变形开始时挤压力迅速增加，但随位移增加而略有下降，主要原因是坯料长度减少导致摩擦力相应降低，以及塑性变形引起的温升和DRX导致的软化效应。除可解释误差外，模拟力-位移曲线与实验结果吻合良好，验证了FEM模拟的有效性。跟踪点P1的等效应力随挤压行程u的变化呈现先增后变的趋势：在u=1.68 mm时达到峰值，然后逐渐降低，当挤压行程增至u=5.2 mm时再次上升。而d30的等效应力先增后降，无二次上升，这种差异主要由两种挤压比引起的应变速率差异导致。
VPSC模拟结果。参数校准方面，基于FEM点跟踪获得的应力-应变曲线校准VPSC的硬化和DRX参数。应力-应变曲线和硬化率曲线可分为两个特征阶段：硬化阶段（TDRX饱和应变前）和软化阶段（TDRX饱和应变后）。在硬化阶段，应力开始时迅速增加，归因于粗晶中大量ETW和CTW引起高加工硬化率；随着应变增加至TDRX饱和应变，TDRX软化机制使硬化率快速单调降至零。DRXs和onlyTDRX模型的硬化率显著低于noDRXs模型。在软化阶段，d20-V1.0-FEM和d20-V1.0-DRXs经历软化、再硬化和最终卸载过程，而d30-V1.0-FEM和d30-V1.0-DRXs未出现再硬化，因为d30条件变形程度低得多，GBBDRX产生的软化效应仍占主导。d20-V1.0-DRXs和d30-V1.0-DRXs模型准确再现了挤压过程中的加工硬化、DRX软化和再硬化行为。
变形模式活动性演变方面，在硬化阶段初期，主要变形机制为基面（0.289）和柱面（0.34）滑移，伴有锥面
滑移（0.15）、ETW（0.056）和CTW（0.165）协调应变。当应变增至0.28时，TDRX消耗大量孪晶，导致ETW（0.014）和CTW（0.031）活动性快速下降，对应V1.0-DRXs曲线中的TDRX诱导软化。在软化阶段，ETW和CTW罕见，GBBDRX广泛激活，产生大量软取向新晶粒，进一步促进基面和柱面滑移，其最大值分别为0.44和0.34。
取向加权施密特因子分析。比较d20样品在V=1-10 mm/s的OWSF演变，验证了双峰结构特征和单峰线性趋势的调控机制。大挤压比V7C3-V10C3工况下，基面滑移m因子快速上升，柱面滑移m因子单调递增，锥面滑移m因子逐渐降低。综合所有工况，基面和柱面滑移OWSF随挤压速度增加同步上升，最大值分别提高18.5%和28.7%，平均值分别提高19.8%和27.4%。而锥面滑移OWSF随挤压加速呈下降趋势。基面滑移OWSF平均值与EBSD测量值接近：d20-V1.0为0.1718，d20-V2.0为0.1785。d30样品的OWSF对应变速率的响应呈非单调性，与d20不同，凸显了DRX诱导取向调控效果的应变和应变速率依赖性。
跨尺度模拟优势。与元胞自动机（CA）和CPFEM-PF相比，FEM-VPSC-DRX在计算效率和力学响应预测精度之间取得平衡，避免了CA物理模型过度简化的缺点，也克服了CPFEM-PF的成本和时间限制，可高效应用于镁合金热挤压等工程工艺的多参数优化模拟，在揭示微观组织演变规律和开发高性能构件制备工艺方面具有显著应用优势。
不确定性与局限性。包括：坯料与模具间存在无润滑粘着摩擦，模拟中采用剪切摩擦模型（f=0.9）；TDRX饱和应变为常数唯象参数；VPSC模型基于体积平均和自洽近似，未考虑晶粒形貌、尺寸和空间分布等几何信息；TDRX晶粒旋转假设为围绕母晶c轴-30°至30°随机旋转；采用核心材料点代表全截面力学和微观组织响应，忽略了径向织构梯度和横截面各向异性变化。
研究结论部分翻译如下：
（1）DRX诱导的取向分散增强基面和柱面滑移活动性，但降低锥面滑移。
（2）高挤压比下，更高挤压速度增加应变速率，导致更高再结晶晶粒分数和更低硬取向晶粒分数，因为高应变能区域转变为低应变能区域。因此，从V1.0到V10.0，基面和柱面滑移弯曲拉伸OWSF平均值分别增加19.8%和27.4%。
（3）FEM-VPSC-DRX框架通过力-位移数据和EBSD测量得到验证，桥接了复杂宏观加工和严重微观组织演变，揭示了实验无法捕捉的内在机制。
