再結晶
關注創建者：精靈鼠小妹 創建時間：2018-10-18
再結晶的視頻教程
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【精品課】基于CA法的動態再結晶模擬
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再結晶的實例教程
再結晶過程
變形后的金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴散能力增大，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結晶。變形金屬進行再結晶后，金屬的強度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象被消除，此時內應力全部消失，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。
2. 再結晶溫度
變形后的金屬發生再結晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再), 通常用經大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經一小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度與該金屬的熔點有如下關系：
T再=(0.35～0.4)T熔點
式中的溫度單位為絕對溫度(K)。 最低再結晶溫度與下列因素有關：
（1）預先變形度 金屬再結晶前塑性變形的相對變形量稱為預先變形度。預先變形度越大, 金屬的晶體缺陷就越多, 組織越不穩定,最低再結晶溫度也就越低。當預先變形度達到一定大小后, 金屬的最低再結晶溫度趨于某一穩定值。
（2）金屬的熔點 熔點越高, 最低再結晶溫度也就越高。
（3）雜質和合金元素 由于雜質和合金元素特別是高熔點元素, 阻礙原子擴散和晶界遷移, 可顯著提高最低再結晶溫度。如高純度鋁(99.999%)的最低再結晶溫度為80 ℃, 而工業純鋁(99.0%)的最低再結晶溫度提高到了290 ℃。
（4）加熱速度和保溫時間 再結晶是一個擴散過程, 需要一定時間才能完成。提高加熱速度會使再結晶在較高溫度下發生, 而保溫時間越長, 再結晶溫度越低。
3.
展開 再結晶及其對組織性能的影響
1. 再結晶過程
變形后的金屬在較高溫度加熱時，由于原子擴散能力增大，被拉長（或壓扁）、破碎的晶粒通過重新生核、長大變成新的均勻、細小的等軸晶。這個過程稱為再結晶。變形金屬進行再結晶后，金屬的強度和硬度明顯降低，而塑性和韌性大大提高，加工硬化現象被消除，此時內應力全部消失，物理、化學性能基本上恢復到變形以前的水平。再結晶生成的新的晶粒的晶格類型與變形前、變形后的晶格類型均一樣。
2. 再結晶溫度
變形后的金屬發生再結晶的溫度是一個溫度范圍，并非某一恒定溫度。一般所說的再結晶溫度指的是最低再結晶溫度(T再), 通常用經大變形量(70%以上)的冷塑性變形的金屬,經一小時加熱后能完全再結晶的最低溫度來表示。最低再結晶溫度與該金屬的熔點有如下關系：
T再=(0.35～0.4)T熔點
式中的溫度單位為絕對溫度(K)。 最低再結晶溫度與下列因素有關：
（1）預先變形度 金屬再結晶前塑性變形的相對變形量稱為預先變形度。預先變形度越大, 金屬的晶體缺陷就越多, 組織越不穩定,最低再結晶溫度也就越低。當預先變形度達到一定大小后, 金屬的最低再結晶溫度趨于某一穩定值。
（2）金屬的熔點 熔點越高, 最低再結晶溫度也就越高。
（3）雜質和合金元素 由于雜質和合金元素特別是高熔點元素, 阻礙原子擴散和晶界遷移, 可顯著提高最低再結晶溫度。如高純度鋁(99.999%)的最低再結晶溫度為80 ℃, 而工業純鋁(99.0%)的最低再結晶溫度提高到了290 ℃。
展開 需要注意的是，作者模擬的兩類再結晶（動態和靜態）使用的機制是相同的，只是材料參數不同。
本構理論分成晶體塑性和再結晶兩部分，其中晶體塑性部分公式如下：
流動方程（經典的唯象流動）：
硬化方程使用的taylor位錯模型
位錯密度的演化使用經典的KM方程：
再結晶部分公式包含形核和晶界遷移兩部分，其中形核的理論公式是
晶界遷移速度為：
整體數值實現框架示意圖如下：
作者以OFHC銅為研究對象，對775K和875K的熱壓縮進行了研究，分析了溫度對再結晶的影響，以及定向形核和生長選擇兩類機制的差異，同時模擬了順序耦合的 DRX→SRX（退火）過程及異常晶粒長大（AGG），模擬效果如下：
根據作者提供的思路（相對簡單清晰），可以編寫對應的子程序，完整晶體塑性和元胞自動機的完全耦合，同樣使用隱式umat實現。數值案例如下：
建立一個包含20個晶粒8000個單元的RVE模型，如下所示
給定對應的初始形核臨界位錯密度和初始的形核率計算公式以及晶界遷移率公式，通過施加周期性邊界PBC沿著X方向壓縮45%（使用鎳基高溫合金的材料參數）。
根據FCC的取向差計算公式，得到初始的晶界分布：
初始的IPF圖如下：
初始的晶粒尺寸分布（mm）：
變形45%后的IPF圖如下：
變形45%后的晶界分布情況：
變形45%后的應力分布情況：
變形45%后的位錯密度分布情況：
變形45%后的晶粒尺寸分布情況：
感興趣的歡迎加入知識星球交流討論，當前效果是初步的建模分析結果：
展開 想知道軋制后 動態再結晶體積分數為什么會變化
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這里展示使用matlab實現對應的CPFFT方案，matlab的顯著優勢可以很容易和相場和再結晶去結合，因此后續非常容易擴展。
使用FFT作為邊值問題的求解器，使用固定點迭代完成內部的晶體塑性迭代。使用經典的位錯密度模型計算硬化和熱激活流動方程計算滑移系的剪切變形。
第二，溫度對織構演化的影響并不顯著，因此在未發生明顯動態回復或再結晶之前，室溫織構演化規律可近似用于高溫模擬。第三，熱軟化函數中指數參數取 4 時，能夠較好描述 AA5754 的溫度軟化行為。第四，溫度相關彈性常數雖然在大塑性應變階段影響有限，但會明顯影響彈性加載、初始屈服和回彈相關問題。
</p><p>錳（Mn）：細化晶粒，提高再結晶溫度（3系），兼顧強度與耐蝕性。</p><p><strong>說明: </strong></p><p>★ 元素交互作用：6系中的Mg?Si相是時效強化的核心，比例需嚴格控制（Mg:Si≈1.73:1），否則影響析出效果。 </p><p>★ 2系中Fe>0.5% → 韌性斷崖下跌。
熱軋是一種高于材料再結晶溫度的金屬成形過程。存在許多類型的熱軋工藝，包括結構形狀軋制，其中組件通過輥以獲得所需的形狀和橫截面。
結構鋼是最常見的熱軋材料。結構鋼的常見形狀包括工字鋼、h字鋼、t字鋼、u字鋼和槽鋼。工字梁具有工字形截面。橫截面的水平單元稱為法蘭，垂直單元稱為腹板
熱軋過程包括兩個基本階段：非穩態階段和穩態階段。
冷軋是一種在低于再結晶溫度（通常為室溫）的溫度下，通過輥子對金屬板材進行進給以壓縮其厚度的工藝。
本模擬演示了鋁材的冷軋過程。
本案例對彈性和塑料材料進行了對比模擬。
需要注意的是，作者模擬的兩類再結晶（動態和靜態）使用的機制是相同的，只是材料參數不同。
多數學者針對該部分本構進行修正，比如考慮再結晶的應變軟化，如下式，
當材料發生損傷時，滿足以下式子：
損傷起始的判定如下：
當滿足
時，材料進入損傷狀態，開始進行損傷演化。
umat與uexternal之間的變量調用（用于晶體塑性有限元中的析出物定義或再結晶）
軟件適配以及基礎程序理解 目前已做簡單的微觀動態再結晶模型 可按要求做代碼
圖5 EBSD分析的工作原理(Phase discriminated, Orientation determined)
通過步進間距將樣品表面劃分為m*n個采樣點，并依次獲得這m*n個采樣點菊池花樣和匹配的Phase、Orientation實驗數據，最后對m*n個采樣點的這些數據進行整理、匯總、計算等，可以進行晶粒尺寸分析、織構分析、相分析、應變分析、再結晶分析、晶界分析、斷裂分析等
