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多晶钛合金因其极高的强度、轻质特性及优异的耐腐蚀性能，传统上广泛应用于海军和航空航天领域。通常，钛合金的常见加工工艺路线之一是热锻造，材料在该过程中经历一系列热轧工艺，随后通过退火进行热处理。退火前的变形会导致位错的增加，并提高晶粒的储能，这驱动了随后退火过程中新、无应变晶粒的形核与生长。在这一过程中，多晶材料的微观结构形态发生显著变化，伴随多个现象的出现，如静态再结晶（SRX）、晶粒生长、回复及多重相变，这些现象显著改变了微观结构特征、位错结构和晶粒取向。由于SRX和晶粒生长过程对钛合金的机械性能有重要影响，因此，理解并控制热机械工艺对SRX微观结构及相应材料性能的影响至关重要。美国德州农工大学Arunabha M. Roy等开发了一个三维计算框架，结合了晶体塑性（CP）和相场（PF）方法，能够有效地模拟钛合金在热成形过程中的静态再结晶（SRX）和晶粒生长。在该框架中，CP滑移系参数通过求解逆优化问题进行了精确校准，利用现有的拉伸和压缩应力-应变实验数据，结合基于取向分布函数（ODF）的计算模型进行CP模拟。通过CP模型，模拟了钛合金多晶体在塑性变形过程中不均匀局部变形、变形织构和晶粒位错密度的演变。随后，PF模型根据CP提供的位错密度预测退火阶段SRX的微观结构演变及动力学过程。实验数据中关于初始晶核分布的微观结构异质性信息被用于指导框架的开发，以更深入地了解各种晶粒接触类型的独特形态演变，并为SRX动力学提供实验验证。最后，通过实验测量的织构演变和SRX路径动力学对模型进行定量验证，结果显示出极好的一致性。本研究突出了一个系统的建模框架，能够预测SRX过程中的晶体学织构、微观结构演变和动力学，从而清晰地理解机械性能、各种微观结构描述符与材料设计中热机械过程之间的关系。![]()
图1所提出的CP-PF-SRX模型的总体流程图： (a) 实验表征； (b) 基于取向分布函数（ODF）的逆优化方法； (c) 用于位错演化的晶体塑性（CP）模拟； (d) 针对不同晶核排列的相场（PF）模拟； (e) 织构预测及静态再结晶（SRX）动力学的实验验证。
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图2创建用于模拟静态再结晶（SRX）的初始代表性体积元（RVE）的工作流程，其中 (a, b) 为来自相场模型的初始晶粒形态，(c, d) 为用于 (e) 织构匹配算法的电子背散射衍射（EBSD）晶粒取向和极图数据，以获得 (f, g) 来自晶体塑性（CP）模型的未变形和变形RVE中的相对位错密度分布。
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图3初始织构的极图比较： (a) 常温下母材样本的极图、 (b) 在变形前将织构初始化到晶体塑性（CP）输入模型中的初始代表性体积元（RVE）微观结构；变形后的最终织构比较： (c) 实验电子背散射衍射（EBSD）微观结构的极图与 (d) 在压缩应变下， CP模拟预测的织构。
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图4 Ti-7Al实验结果与CP-PF-SRX模拟的比较，CP-PF-SRX模拟结果与实验表现出极好的一致性。
相关成果以“Combining crystal
plasticity and phase field model for predicting texture evolution and the
influence of nuclei clustering on recrystallization path kinetics in Ti-alloys”为题发表在Acta Materialia (Volume 266, 1 March 2024,
119645), 第一作者和通讯作者为Arunabha M. Roy。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119645
