镁合金热成形多晶体塑性－动态再结晶集成自洽计算模型

Dynamic recrystallization (DRX) is an important physical phenomenon as well as deformation mechanism during hot forming processes of metals. Crystalline plasticity based simulation of plastic deformation is an effective method for understanding physical essence and clarifying internal mechanism of deformation. The present DRX modelling methods cannot account for complex deformation path and texture evolution, while crystaline plasticity simulation cannot compute DRX process. In this project, taking AZ31, Mg-Al and Mg-Y alloys as study objects , the integrated computation method of crystalline plasticity and DRX will be established. Based on crystalline plasticity theory and DRX mechanism characterization, the modelling methods for crystal slip, twinning, DRX grain nucleation and growing, transition from low angle boundaries to high angle boundaries, etc. will be researched. The integrated models for polycrystal plasticity-discontinuous DRX and polycrystal plasticity-continuous DRX will be established respectively. The established model will be applied to simulation of magnesium alloy extrusion processes, and the evolution of stress-strain, grain size and texture will be simulated in a coupled way. Furthermore, the relationship between different DRX mechanisms, the influence of initial microstructure and deformation conditions on DRX, the formation mechanism of DRX texture and its impact on DRX will be explored. This research work will contribute to the development of crystalline plasticity computational methodology and plastic deformation theory of magnesium alloys.

动态再结晶（DRX）是金属热成形中的重要物理现象与变形机制，而多晶体塑性模拟是理解变形物理过程和揭示变形机理的有效方法。项目针对镁合金热变形研究中动态再结晶模型无法反映复杂变形路径和织构演化、晶体塑性模型不能计算再结晶过程的问题，以AZ31、Mg-Al和Mg-Y镁合金为对象，从宏微观结合的角度，基于晶体塑性理论与动态再结晶过程分析，研究DRX晶粒形核与长大、小角度晶界向大角度晶界转变等微观特征的建模与计算方法，在多晶体均匀化理论构架下，建立多晶体塑性-非连续动态再结晶和多晶体塑性-连续动态再结晶集成自洽计算模型；构建热挤压成形仿真模型，实现应力应变、晶粒细化与织构演变的耦合模拟；分析不同DRX机制之间的转换关系，揭示初始微观组织、变形条件等因素对DRX的影响规律，探索镁合金DRX织构的形成机理及其与DRX过程之间的相互关系。通过本项目研究，促进镁合金塑性变形理论和晶体塑性计算方法的发展。

镁合金作为工业产品中最轻的金属结构材料，在有广泛的应用前景，但通常室温变形能力差，需要通过热成形进行加工。热变形过程中，除了位错滑移之外，动态再结晶成为重要的微观变形机制，呈现出复杂的力学性能、微观组织、织构演化及动态再结晶耦合演化规律。.通过Mg-Al、Mg-Y、AZ31B等合金的热变形实验和微观组织表征对比，发现随着Y元素含量增加，动态再结晶临界应变和应力软化饱和应变均相应增大，再结晶体积分数和晶粒尺寸减小，表明固溶于Mg基体的Y对界面迁移产生阻碍，抑制动态再结晶的形成和长大。在压缩变形中，Mg-1Al再结晶晶粒的取向差旋转轴靠近母晶a轴，而Mg-6Y的取向差旋转轴更加随机。挤压变形中，Mg-1Al主要发生非连续动态再结晶（DDRX），再结晶晶粒虽与母晶形成取向差，但基面仍然与挤压方向平行；Mg-6Y主要发生连续再结晶（CDRX），再结晶晶粒基面不再平行于挤压方向。细晶AZ31B合金在200°C时发生明显的CDRX，从母晶中心到晶界区域不断累积的取向差致使再结晶形核，新晶粒不会随着变形而明显长大；在300°C时，主要变形机制是DDRX协调的晶界滑移机制。.分别建立了镁合金的DDRX和CDRX物理模型，进而引入晶体塑性自洽理论VPSC框架，并考虑塑性变形的热效应，建立了热力耦合晶体塑性-动态再结晶模型，实现了对镁合金热变形过程中应力应变响应、微观组织及织构演化和变形热温升效应的集成计算。模型应用于圆棒和型材挤压过程模拟和成形极限预测，分析了合金挤压变形中变形热效应、变形路径等对材料微观组织及织构演化规律的影响。模型能够合理地反映镁合金在塑性变形中应力应变行为，提高了模型对热变形再结晶织构预测的准确性，也解释了镁合金再结晶织构的形成原因。.该项研究工作对于发展镁合金热变形宏微观集成计算理论方法和成形工艺的控形控性具有重要理论价值和较好的实际意义。