多晶金属在高应变速率下的剪切局部化现象常见于高速加工、金属成形和弹道穿透等现代工业应用中，是金属材料在高应变速率下的主要失效模式之一。剪切局部化的形成涉及复杂的力学行为，其核心机制长期以来一直被认为是热软化引起的塑性不稳定。然而，近年来的研究表明，动态再结晶（DRX）也是剪切局部化的一个重要驱动因素。动态再结晶是指金属材料在高温高应变下，通过晶粒细化和位错消耗实现的微观组织演化过程。传统上，剪切局部化的研究多集中在热软化、应变硬化和应变速率硬化的竞争关系上，而较少涉及微观组织的演化过程，尤其是动态再结晶的影响。随着实验技术的进步，研究者发现再结晶可能会在剪切局部化发生之前启动，其可能是剪切局部化的一个关键诱因，而不是其结果。因此，理解动态再结晶如何影响剪切局部化，对高应变速率变形下金属材料的预测和设计具有重要意义。Huazhong
University of Science & Technology的Wen An等开发了一个基于位错的晶体塑性本构模型，结合了动态再结晶这一关键机制，来解释高应变速率下的剪切不稳定性。该模型通过引入位错密度和晶粒尺寸的演化方程，预测动态再结晶的发生，并采用晶体中存储能量的临界值作为动态再结晶的判据。此外，研究还通过模拟Cu-Al合金在动态压缩、拉伸和剪切下的行为，验证了该模型，并讨论了织构对剪切局部化的影响。![]()
图1 (a)剪切局部化形成示意图;(b) DDRX、(c) CDRX和(d) TDRX三种DRX试样在增加应变时的微观结构演变。
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图2 理论模拟结果与实验数据的比较(J. Li et al .，2017)。(a) 300 K时的应力-应变曲线;(b) 473 K;(c) 573 K;(d)加工硬化速率曲线。应力和应变分别由所有单元的应力和应变的平均值得到。
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图3 (a)不加DRX， (b)加DRX两种模型(300 K)在0.1 ~ 0.63真应变范围内的等效塑性应变随y的变化规律。y的路径如图4(a)所示，其中y = 0对应剪切局部化的中心。(c)无DRX和(d)有DRX两种模型在应变为0.63时的等效塑性应变分布。
图3展示了随着应变增加，剪切局部化区域逐渐变窄且应变显著增大，特别是在有动态再结晶（DRX）的模型中。DRX使得剪切局部化区域的应变高度集中，明显影响了塑性变形的局部化特征。没有DRX的模型中，剪切局部化区域较宽且应变分布较为平缓，表明DRX对剪切局部化的显著促进作用。![]()
图4 (a) 300 k变形时剪切局部化与储存能量的关系(b) y = 1.5 mm处，在x轴真应变为0.52时的等效塑性应变、激活滑移系数及各滑移体系的滑移率。
图4进一步显示了随着应变增加，储存能量在剪切局部化区域快速上升，当储存能量超过临界值时，DRX启动并导致局部晶粒细化，同时应力出现明显下降，表明DRX是促成剪切局部化的重要机制。这些图表直观展示了DRX不仅降低了位错密度，还使得局部区域出现应力塌陷，推动了剪切局部化的形成。![]()
图5 300 K剪切局部化区域的重要状态变量，(a)有效应力、温度、晶粒尺寸和总位错密度与真应变的曲线，(b)总滑移阻力与滑移阻力四分量的堆叠柱状图。
分析图5可以发现在应变开始阶段，温度、晶粒尺寸和位错密度变化较小。随着塑性变形的进行，储存能量和位错密度快速上升，但当应变超过某个临界值时，晶粒尺寸显著减小、位错密度骤降，表明动态再结晶启动并主导了材料的软化。温度随应变增加而急剧上升，特别是在剪切局部化区域，表明塑性变形的剧烈程度。储存能量的急剧增加则是DRX发生的前兆，因为DRX依赖于储存能量的积累。当储存能量达到临界值时，DRX开始，导致局部晶粒的显著细化，这也是剪切局部化形成的重要原因。![]()
图6 (a)动态压缩下5种织构的真应力-应变曲线;(b)真应变为0.59时5种织构等效塑性应变的分布。
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图7 (a)五种织构在动态拉伸下的真应力-应变曲线;(b)在(a)真应变下的有效塑性应变的空间分布，用橙色叉标记。
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图8 (a)动态剪切作用下5种织构的剪应力-应变曲线，(b)用橙色叉标记的(a)剪切应变下等效塑性应变的分布。
图6显示了不同织构在动态压缩下的应力-应变曲线和有效塑性应变的空间分布。Goss和Copper织构表现出显著的剪切局部化现象，特别是在Goss织构中，剪切局部化发生的应变较小，局部化更为明显。这是因为这类织构中的特定晶体取向使得滑移系更容易激活，从而导致剪切局部化更早发生。而Cube织构的应变分布相对均匀，几乎没有出现剪切局部化，这可能与Cube织构的滑移系对称性有关，导致难以形成塑性不稳定。图7展示了动态拉伸下的应变分布，表明不同织构在拉伸条件下的剪切局部化模式与压缩模式下有所不同。Goss织构在压缩条件下容易形成剪切局部化，而在拉伸条件下则没有明显的局部化，反映了加载模式对剪切局部化的影响。图8则展示了动态简单剪切条件下的结果，表明所有织构在剪切条件下都出现了明显的剪切局部化，但剪切局部化的宽度和强度依赖于具体的织构特性。Cube织构由于其硬取向导致最早发生局部化，而Copper织构则较晚发生局部化，显示出其软取向的特性。相关成果以“Shear localization
in polycrystalline metal at high-strain rates with dynamic recrystallization:
Crystal plasticity modeling and texture effect ”为题发表在International Journal of Plasticity（2023）上，论文的第一作者是Wen An，通讯作者为Qi-lin Xiong。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103616
