Dynamisk omkristallisering

Dynamisk omkristallisation (DRX) är en typ av omkristallisationsprocess som finns inom metallurgi och geologi. Vid dynamisk omkristallisation, i motsats till statisk omkristallisation, sker kärnbildning och tillväxt av nya korn under deformation snarare än efteråt som en del av en separat värmebehandling. Minskningen av kornstorlek ökar risken för att korngränsen glider vid förhöjda temperaturer, samtidigt som dislokationsrörligheten i materialet minskar. De nya kornen är mindre ansträngda, vilket leder till en minskning av härdningen av ett material. Dynamisk omkristallisering möjliggör nya kornstorlekar och orientering, vilket kan förhindra sprickutbredning. Istället för att töjning får materialet att spricka, kan töjning initiera tillväxten av ett nytt korn, vilket konsumerar atomer från närliggande redan existerande korn. Efter dynamisk omkristallisation ökar materialets duktilitet.

I en spännings-töjningskurva kan uppkomsten av dynamisk omkristallisation kännas igen av en distinkt topp i flödesspänningen i heta arbetsdata, på grund av omkristalliseringens mjukgörande effekt. Alla material uppvisar dock inte väldefinierade toppar när de testas under varma arbetsförhållanden. Uppkomsten av DRX kan också detekteras från inflektionspunkten i diagram av töjningshärdningshastigheten mot stress. Det har visat sig att denna teknik kan användas för att fastställa förekomsten av DRX när detta inte entydigt kan bestämmas utifrån formen på flödeskurvan.

Om spänningssvängningar uppträder innan de når det stabila tillståndet, inträffar flera omkristallisations- och korntillväxtcykler och spänningsbeteendet sägs vara av typen cyklisk eller multipeltopp. Det speciella spänningsbeteendet innan det når stabilt tillstånd beror på den initiala kornstorleken , temperaturen och töjningshastigheten .

DRX kan förekomma i olika former, inklusive:

Geometrisk dynamisk omkristallisation
Diskontinuerlig dynamisk omkristallisation
Kontinuerlig dynamisk omkristallisering

Dynamisk omkristallisering är beroende av hastigheten för att dislokation skapas och rörelsen. Det är också beroende av återhämtningsgraden (hastigheten med vilken dislokationer förintas). Samspelet mellan arbetshärdning och dynamisk återhämtning bestämmer kornstrukturen. Det bestämmer också kornens känslighet för olika typer av dynamisk omkristallisation. Oavsett mekanism måste materialet ha upplevt en kritisk deformation för att dynamisk kristallisation ska inträffa. Den slutliga kornstorleken ökar med ökad stress. För att uppnå mycket finkorniga strukturer måste spänningarna vara höga.

Vissa författare har använt termen "postdynamisk" eller "metadynamisk" för att beskriva omkristallisering som inträffar under avkylningsfasen av en varmbearbetningsprocess eller mellan på varandra följande passager. Detta understryker det faktum att omkristallisationen är direkt kopplad till processen i fråga, samtidigt som man erkänner att det inte finns någon samtidig deformation.

Geometrisk dynamisk omkristallisering (GDRX)

Geometrisk dynamisk omkristallisation sker i korn med lokala tandningar. Vid deformation förlängs korn som genomgår GDRX tills korntjockleken faller under en tröskel (under vilken serrationsgränserna skär varandra och små korn nyper av till likaxliga korn). Tandningarna kan föregå spänningar som utövas på materialet, eller kan vara resultatet av materialets deformation.

Geometrisk dynamisk omkristallisering har 6 huvudegenskaper:

Det uppstår vanligtvis med deformation vid förhöjda temperaturer, i material med hög staplingsfelenergi
Stressen ökar och avtar sedan till ett stabilt tillstånd
Underkornsbildning kräver en kritisk deformation
Underkornets felorientering toppar vid 2˚
Det är liten konsistensförändring
Fastsättning av korngränser orsakar en ökning av den erforderliga belastningen

Medan GDRX främst påverkas av den initiala kornstorleken och töjningen (geometriberoende), komplicerar andra faktorer som inträffar under den heta arbetsprocessen utvecklingen av prediktiv modellering (som tenderar att förenkla processen) och kan leda till ofullständig omkristallisering. Den likaxliga kornbildningen sker inte omedelbart och likformigt längs hela kornen när tröskelspänningen har nåtts, eftersom enskilda regioner utsätts för olika belastningar/påkänningar. I praktiken bildas en generellt sinusformad kant (som förutspåtts av Martorano et al.) gradvis när kornen börjar nypa av när de når tröskeln. Mer sofistikerade modeller tar hänsyn till komplexa initiala korngeometrier, lokala tryck längs korngränserna och varm arbetstemperatur, men modellerna kan inte göra exakta förutsägelser genom hela spänningsregimen och utvecklingen av den övergripande mikrostrukturen. Dessutom kan korngränser migrera under GDRX vid höga temperaturer och GB-krökningar, släpa längs underkornsgränser och resultera i oönskad tillväxt av den ursprungliga kornen. Denna nya, större korn kommer att kräva mycket mer deformation för att GDRX ska uppstå, och det lokala området kommer att vara svagare snarare än förstärkt. Slutligen kan omkristallisation påskyndas när korn förskjuts och sträcks, vilket gör att underkornsgränser blir korngränser (vinkeln ökar). De drabbade kornen är tunnare och längre och deformeras därmed lättare.

Diskontinuerlig dynamisk omkristallisering

Diskontinuerlig omkristallisation är heterogen; det finns distinkta kärnbildnings- och tillväxtstadier. Det är vanligt i material med låg staplingsfelenergi. Nukleering inträffar sedan, vilket genererar nya stamfria korn som absorberar de redan existerande silade kornen. Det förekommer lättare vid korngränser, vilket minskar kornstorleken och ökar därmed mängden kärnbildningsställen. Detta ökar ytterligare hastigheten för diskontinuerlig dynamisk omkristallisation.

Diskontinuerlig dynamisk omkristallisering har 5 huvudegenskaper:

Omkristallisation sker inte förrän tröskeltöjningen har uppnåtts
Spännings-töjningskurvan kan ha flera toppar – det finns ingen universell ekvation
Kärnbildning sker i allmänhet längs redan existerande korngränser
Omkristallisationshastigheterna ökar när den initiala kornstorleken minskar
Det finns en jämn kornstorlek som närmar sig när omkristallisationen fortskrider

Diskontinuerlig dynamisk omkristallisering orsakas av samspelet mellan arbetshärdning och återhämtning. Om förintelsen av dislokationer är långsam i förhållande till den hastighet med vilken de genereras, ackumuleras dislokationer. När väl kritisk dislokationstäthet har uppnåtts sker kärnbildning på korngränserna. Korngränsmigrering, eller atomerna överförs från ett stort redan existerande korn till en mindre kärna, tillåter tillväxt av de nya kärnorna på bekostnad av de redan existerande kornen. Kärnbildningen kan ske genom utbuktning av befintliga korngränser. En utbuktning bildas om underkornen som ligger an mot en korngräns är av olika storlek, vilket orsakar en skillnad i energi från de två underkornen. Om utbuktningen uppnår en kritisk radie kommer den framgångsrikt att övergå till en stabil kärna och fortsätta sin tillväxt. Detta kan modelleras med hjälp av Cahns teorier om kärnbildning och tillväxt.

Diskontinuerlig dynamisk omkristallisering ger vanligtvis en mikrostruktur av "halsband". Eftersom ny korntillväxt är energetiskt gynnsam längs korngränser, sker ny kornbildning och utbuktning företrädesvis längs redan existerande korngränser. Detta genererar lager av nya, mycket fina korn längs korngränsen, vilket initialt lämnar det inre av det redan existerande kornet opåverkat. När den dynamiska omkristalliseringen fortsätter, förbrukar den det okristalliserade området. När deformationen fortsätter bibehåller inte omkristalliseringen koherens mellan skikt av nya kärnor, vilket ger en slumpmässig textur.

Kontinuerlig dynamisk omkristallisering

Kontinuerlig dynamisk omkristallisation är vanlig i material med höga staplingsfelenergier. Det uppstår när lågvinklade korngränser bildas och utvecklas till höga vinkelgränser, vilket bildar nya korn i processen. För kontinuerlig dynamisk omkristallisation finns det ingen tydlig skillnad mellan kärnbildnings- och tillväxtfaser för de nya kornen.

Kontinuerlig dynamisk omkristallisering har fyra huvudegenskaper:

När belastningen ökar, ökar stressen
När spänningen ökar, ökar subkorngränsens felorientering
När korngränser med låg vinkel utvecklas till korngränser med hög vinkel, ökar felorienteringen homogent
När deformationen ökar, minskar kristallitstorleken

Det finns tre huvudmekanismer för kontinuerlig dynamisk omkristallisering:

För det första kan kontinuerlig dynamisk omkristallisation inträffa när korngränser med låg vinkel sätts samman från dislokationer som bildas i kornen. När materialet utsätts för fortsatt påfrestning ökar felorienteringsvinkeln tills den kritiska vinkeln uppnås, vilket skapar en korngräns med hög vinkel. Denna utveckling kan främjas genom att fästa underkornsgränser.

För det andra kan kontinuerlig dynamisk omkristallisation ske genom omkristallisation med subkornrotation ; subkorn roterar och ökar felorienteringsvinkeln. När väl felorienteringsvinkeln överstiger den kritiska vinkeln, kvalificerar de tidigare subkornen som oberoende korn.

För det tredje kan kontinuerlig dynamisk omkristallisation uppstå på grund av deformation orsakad av mikroskjuvningsband . Underkorn sätts ihop genom dislokationer i kornen som bildas under arbetshärdning. Om mikroskjuvningsband bildas i kornen, ökar spänningen de inför snabbt felorienteringen av korngränser med låg vinkel, vilket omvandlar dem till korngränser med hög vinkel. Effekten av mikroskjuvband är emellertid lokaliserad, så denna mekanism påverkar företrädesvis regioner som deformeras heterogent, såsom mikroskjuvningsband eller områden nära redan existerande korngränser. När omkristallisationen fortskrider sprider den sig från dessa zoner och genererar en homogen, likaxlig mikrostruktur.

Matematiska formler

Baserat på den metod som utvecklats av Poliak och Jonas, utvecklas några modeller för att beskriva den kritiska töjningen för uppkomsten av DRX som en funktion av topptöjningen i spännings-töjningskurvan. Modellerna är härledda för system med enkel topp, dvs för material med medel till låga staplingsfelenergivärden. Modellerna finns i följande tidningar:

DRX-beteendet för system med flera toppar (och enstaka toppar också) kan modelleras med hänsyn till interaktionen mellan flera korn under deformation. Dvs. Ensemblemodellen beskriver övergången mellan enkel- och multitoppbeteende baserat på den initiala kornstorleken. Den kan också beskriva effekten av transienta förändringar av töjningshastigheten på formen av flödeskurvan. Modellen finns i följande papper:

En ny enhetlig metod för modellering av omkristallisation under varmvalsning av stål

Litteratur

En en-parmenter metod för att bestämma de kritiska villkoren för initiering av dynamisk omkristallisering, början av DRX
Flödeskurvaanalys av 17–4 PH rostfritt stål under varmkompressionstest, omfattande studie av DRX
Konstitutiva relationer för att modellera det heta flödet av kommersiell ren koppar, kapitel 6 , doktorsavhandling av VG García, UPC (2004)
En recension av dynamiska omkristallisationsfenomen i metalliska material , Senaste recensionsartikel om DRX
En cellulär automatmodell för dynamisk omkristallisering: introduktion och källkod , programvara som simulerar DRX av CA: introduktion, video av programvara som körs