AA2139铝合金高温变形中连续动态再结晶的微观结构演化与物理建模研究

《ACTA MATERIALIA》：Characterization and modeling of continuous dynamic recrystallization (CDRX): Application to 2139 aluminum alloy

本文针对AA2139铝合金在高温变形过程中连续动态再结晶（CDRX）的微观结构演化机制开展研究。通过热压缩实验结合EBSD分析，系统揭示了不同热机械条件下动态回复（DRV）与CDRX的相互作用规律。研究人员构建了改进的物理本构模型，成功预测了流变应力、亚晶尺寸及小角度晶界（LAGB）演化等关键参数，为铝合金热加工工艺优化提供了理论依据。

　　

在航空航天和交通运输领域，高强铝合金的广泛应用对材料性能提出了更高要求。AA2139作为一种新型Al-Cu合金，其热加工过程中的微观组织演化直接影响最终产品性能。然而，高温变形过程中动态再结晶行为的复杂性，特别是连续动态再结晶（CDRX）与动态回复（DRV）的竞争机制，仍是当前研究的难点。传统模型在预测微观结构参数演变方面存在局限，难以准确指导工业生产工艺优化。

为深入揭示AA2139合金的CDRX机制，研究人员在《ACTA MATERIALIA》上发表了系统研究成果。该工作通过设计系列热压缩实验，结合精细的电子背散射衍射（EBSD）分析，构建了改进的物理本构模型，成功实现了从微观机制到宏观响应的多尺度预测。

研究团队采用的主要技术方法包括：热模拟压缩实验（温度范围410-450°C，应变速率0.01-1 s^-1）、EBSD微观结构表征、基于Gourdet-Montheillet模型的物理建模方法，以及考虑自热效应的有限元模拟。实验样本来源于工业生产的AA2139铝合金铸锭，经均匀化处理后加工成标准圆柱试样。

微观结构演化特征

通过EBSD分析发现，变形过程中首先形成高密度位错结构，随后通过DRV过程重组为小角度晶界（LAGB）。随着应变增加，LAGB通过吸收位错逐渐增大取向差，当超过15°临界值时转变为大角度晶界（HAGB），完成CDRX过程。这种"渐进式"转变机制与传统的间断动态再结晶有本质区别。

物理模型构建与验证

研究者在经典GM模型基础上进行了重要改进：引入亚晶能量依赖的取向演化速率、考虑LAGB迁移效应的面积演化方程、以及自热效应的温度修正。新模型能够更准确地描述LAGB密度随应变的演化规律，预测的稳态晶粒尺寸与实验结果吻合良好（R²>0.9）。

流变应力行为分析

模型成功预测了不同热机械条件下的应力-应变曲线，呈现出典型的动态软化特征。较高应变速率（1 s^-1）下，应力峰值显著提高，且稳态阶段出现更早，这与位错增殖与湮灭速率的竞争关系密切相关。引入自热效应后，模型在较大应变（ε>1）时的预测精度明显改善。

取向分布统计规律

通过对LAGB取向角的统计分析，发现其分布符合幂律特征，且随着应变增加，高角度（10-15°）LAGB比例显著上升。这表明CDRX过程中，高角度晶界的演化速率确实高于低角度晶界，支持了改进模型中关于取向演化速率与取向角相关的物理假设。

研究结论表明，AA2139合金的热变形软化主要受CDRX机制控制，而非传统认为的DRV主导。改进的物理模型通过引入取向相关的边界演化动力学，实现了对微观结构参数（LAGB密度、平均取向角、亚晶尺寸）和宏观流变应力的协同预测。该模型不仅深化了对铝合金CDRX机制的理解，还为工业热加工工艺参数优化提供了可靠的理论工具。值得注意的是，模型预测与实验数据在较大应变下的偏差提示，织构演化和微观结构不均匀性等因素可能在后续研究中需要进一步考虑。