Page 137 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第四章 高温合金锻造过程数值模拟

金属及合金在不同条件下的 26 组流动应力曲线数据进行分析，成功用修饰后的
Arvami 方程用来描述 DRX 的动力学行为。但是这些模型通常不考虑基于物理
机制的形核规律和储存能差驱动的晶界迁移，而是采用 Avrami 形式的或修正的

Avrami 方法来描述 SRX 和 DRX 动力学过程，且无法观测其演变过程。此外，
由于不同条件下材料的流动应力曲线的复杂程度的差异，一个加工步骤的建模可
能需要多个本构函数，对于多道次加工过程，不同道次可能需要改变本构常数。
为了解决这一问题，同时也为了简化模拟流程、提高模拟精度，同时实现材料微

观组织演化机制与宏观流动行为的一一对应，将微观结构概念纳入本构模型是十
分必要的。
（二）内变量模型
内部状态变量模型（ISV）是将彼此独立，且具有明确物理意义的内部状态

变量纳入本构方程中（如位错密度、LAGBs/HAGBs 百分数、再结晶晶粒尺寸、
亚晶尺寸及取向差等），通过计算一系列复杂的微分方程追踪不同内变量的演
变来描述微观结构的变化，从而建立微观组织演化模型。根据金属材料在热加
工过程中的微观组织演化过程，可以将其分为 3 个阶段规律：基于加工硬化及

DRV 位错密度演化规律、（亚晶）形核规律及晶界迁移规律。由于 CDRX 的物
理演化机制相对 GDRX 和 DDRX 更加复杂，因此相关数值模型数量较少，其中
最为著名的是 Gourdet 和 Montheillet 提出的 Gourdent-Montheillet（GM）模型，
其核心内容包括：①在 DRV 过程中位错的聚集和重排形成新的 LAGBs；②部分

LAGBs 吸收周围位错导致取向差的增加，并逐渐转变为 HAGBs；③位错密度可
以通过 HAGBs 的迁移而降低。最终通过 GM 模型预测了 6060 铝合金的流动应力、
亚晶尺寸和位错密度等相关的微观结构演变，但预测值与实验结果不能很好验证，
其主要原因在于忽视了 LAGBs 可以通过位错的迁移和重排发生湮灭，并且没有

考虑晶粒尺寸、位错密度和（亚）晶界取向对（亚）晶粒旋转速度的影响。
HALLBERG 等基于位错动力学和晶粒细化准则提出了纯铝的 CDRX 本构
模型，并且在新的 CDRX 模型中增加了晶粒尺寸和位错密度作为内变量参数，
通过与有限元思想结合的方法成功预测出商业纯铝在等通道挤压过程中的流动

行为和微观组织演化过程；SUN 等基于挤压态 AA7075 铝合金的热压缩变形过
程中的 CDRX 演化，研究发现位错密度、亚晶尺寸及取向差与亚晶界储存能有
关，进而发现亚晶界储存能是影响亚晶旋转速度的关键因素，在传统 GM 模型的

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