TC4钛合金在热变形过程中的动态再结晶及织构演变行为：实验与建模

《Materials Science and Engineering: A》：Dynamic recrystallization and texture evolution behavior of TC4 titanium alloy during hot deformation: Experiment and modeling

TC4钛合金在750-900°C及0.001-1 s?1应变速率下的热压缩行为研究表明，基于FE-VPSC-DRX耦合模型可准确预测动态再结晶（DDRX）主导的微观组织演变与织构弱化现象（<0001>织构），揭示棱柱滑移与金字塔型滑移的竞争机制，并证实高温变形中金字塔型滑移主导塑性变形。该模型为钛合金热加工工艺优化提供了理论支撑。

　　

李东红|董向雷|赵宏亮|沈一豪|袁倩倩|徐瑞航|李静婷|范宇恒|郭春文|张书雅

郑州大学材料与工程学院，中国河南省郑州市450001

摘要

TC4合金在热变形过程中的织构形成与演变与动态再结晶（DRX）和滑移活性密切相关。本研究通过Gleeble热压缩试验，在750°C至900°C的温度范围内以及0.001 s^-1至1 s^-1的应变率下，系统地研究了TC4合金的高温变形行为。基于实验结果，开发了一个耦合的有限元-粘塑性自洽动态再结晶（FE-VPSC-DRX）框架，用于模拟变形过程中的微观结构演变和织构发展。模拟结果准确预测了热压缩后的织构演变，成功再现了实验中观察到的（0001）//CD织构的减弱现象。此外，该模型预测的力学响应与实验数据高度吻合。更重要的是，研究表明，在高温条件下，金字塔形滑移系在塑性变形中起着关键作用。在热压缩的初始阶段，变形主要由棱柱形滑移和金字塔形滑移来适应；在后期阶段，金字塔形滑移逐渐活跃起来，并与棱柱形滑移共同显著促进了变形的进行。在整个变形过程中，基面滑移的活性始终较低，活性水平始终低于0.2。电子背散射衍射（EBSD）结果表明，在热变形过程中，TC4合金的主要再结晶机制是不连续动态再结晶（DDRX），同时伴随着少量的连续动态再结晶（CDRX）和几何动态再结晶（GDRX）。本研究为高性能钛合金组件的热机械加工和织构控制提供了有效的建模框架和理论基础。

引言

TC4钛合金（Ti-6Al-4V）由于其优异的比强度、耐腐蚀性和高温性能，在航空航天、海洋工程、化工和能源领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。然而，由于其六方密排（HCP）晶体结构以及有限数量的易激活滑移系[5]、[6]、[7]，TC4在室温下的成形性较差，这严重限制了其在高塑性和高韧性要求部件中的应用[8]、[9]。为了提高其塑性，热变形是最常用的加工方法之一[10]。然而，TC4合金在热机械加工过程中通常会经历复杂的变形机制和织构演变，强烈的织构会导致明显的各向异性[11]。这种织构的形成和演变主要受动态再结晶（DRX）和特定滑移系的激活控制，而这些过程强烈依赖于变形温度、应变率和加载路径[12]、[13]、[14]。为了预测塑性变形过程中的微观结构演变，揭示潜在的变形机制并优化成形过程，数值模拟已成为重要的研究方法。

目前，关于钛合金热变形行为的数值模拟研究主要集中在本构模型模拟上，这些模型大致可以分为三类[15]、[16]：现象学本构模型、数据驱动的人工智能模型和基于物理的本构模型。现象学模型，如Arrhenius模型[17]、[18]、[19]和Johnson-Cook模型[20]、[21]、[22]，使用显式数学表达式描述外部参数（如温度和应变率）对材料流动行为的影响。这些模型构建简单，易于与有限元模拟集成，因此在工程实践中得到广泛应用[23]、[24]。人工智能模型，如人工神经网络（ANN），也因其强大的非线性拟合能力而在流动行为建模中得到广泛应用[25]、[26]、[27]、[28]。然而，ANN模型严重依赖于大量的实验数据，尽管其预测精度较高，但泛化能力相对有限[29]、[30]。为了解决这些问题，研究人员转向了基于物理的模型，如粘塑性自洽（VPSC）模型。VPSC多晶塑性模型将宏观变形行为与微观结构演变结合起来，能够更准确地预测钛合金在热加工条件下的复杂变形机制[31]、[32]、[33]、[34]。该模型包含了位错密度演变和晶粒相互作用等关键机制[16]、[32]、[35]，提供了清晰的物理解释，并在模拟钛合金加工过程中的力学响应和织构发展方面表现出强大的预测能力。因此，VPSC模型已成为先进材料工艺建模研究的焦点。

在过去十年中，研究人员不断改进实验方法和数值模型，以揭示金属热变形过程中的微观结构演变机制。例如，李等人[36]利用晶体塑性有限元模型（CPFEM）模拟了双相钛合金中的DRX，有效捕捉了应力-应变响应。川等人[37]将元胞自动机（CA）与CPFEM结合，可视化了IMI834钛合金中的不连续DRX，揭示了等温压缩过程中的晶粒细化机制。为了解决效率问题，周等人[38]将现象学DRX准则与粘塑性自洽模型结合，实现了铜在热变形过程中的有效织构预测，同时保持了多晶建模的均质化优势。泽塞维奇等人[39]通过引入晶内取向扩散，进一步增强了VPSC框架，显著提高了立方金属再结晶织构的预测精度。安等人[40]基于考虑动态再结晶的位错晶体塑性模型，通过模拟验证了DRX是高速变形中诱导剪切局部化的主导机制，并揭示了加载模式和织构对这一过程的重要影响。周等人[41]通过引入基于位错密度的混合硬化模型和Rice分叉准则，改进了CPFE模型，实现了立方金属延展极限应变和织构的准确预测。对于六方密排（HCP）合金（如AZ31），Riyad等人[42]开发了一种场波动VPSC（FF-VPSC）模型，有效模拟了孪晶辅助的DRX，并通过拉伸试验验证了温度依赖的各向异性。最近，吴等人[16]提出并验证了一个集成的VPSC-DDRX多尺度模型，该模型结合了粘塑性自洽塑性、不连续动态再结晶和元胞自动机（CA），准确预测了AZ31B镁合金在热变形过程中的微观结构和织构演变。José Victoria-Hernández等人[43]研究了高可变形性Mg-Zn-Nd-Y-Zr合金的各向异性和温度依赖的变形行为。通过EBSD表征结合基于位错密度硬化的ΔEVPSC晶体塑性模拟，他们确认了非基面位错的静态恢复过程同时主导了流变应力的演变及其与织构相关的各向异性特征。

尽管在晶体塑性有限元建模和金属变形的实验研究方面取得了显著进展，但将VPSC模型应用于TC4合金的热变形过程仍面临若干关键挑战。目前，TC4合金在热机械加工过程中的滑移机制和织构演变模式尚未完全明了，现有模型难以定性和定量描述再结晶影响下的织构演变。为了解决这些问题，本研究提出了一个耦合建模框架，该框架将有限元宏观应变场与粘塑性自洽多晶模型相结合，并引入了动态再结晶动力学模型。与CPFE-DRX方法相比，该框架能够同时捕捉HCP合金中的滑移竞争、动态再结晶动力学以及在真实热机械条件下的空间非均匀变形，同时由于其平均场均质化方案而显著提高了计算效率。因此，该模型特别适用于模拟钛合金中的复杂非均匀变形过程，并为基于微观结构的工艺优化提供了可靠的支持。

实验部分

实验

本研究选择了热轧退火的TC4钛合金，其化学成分如表1所示。根据ASTM E209-18标准，使用线切割方法制备了直径为10 mm、高度为12 mm的圆柱形样品，用于Gleeble热模拟和微观结构分析。图1(a)展示了热压缩实验的路径。样品以10°C/s的速率加热到预设温度，保持300秒，然后

FE-VPSC-DRX模型的构建

在TC4钛合金的热压缩模拟中，采用有限元（FE）模拟来捕捉每个变形增量下的材料非均匀宏观变形行为。它输出特定元素的速度梯度张量（L）。该张量的对称部分（L）经过坐标变换后，作为晶体塑性分析的边界条件传递给VPSC模型，从而驱动微观结构机制的演变

FE-DRX-VPSC模拟结果

如图6所示，展示了在750°C和0.1 s^-1应变率下，TC4钛合金热压缩有限元模拟过程中的再结晶体积分数和再结晶晶粒尺寸的分布轮廓。在初始变形阶段，再结晶体积分数较低，微观结构主要由原始晶粒组成。随着变形的进行，应变积累促进了晶核的形成和生长，加速了动态

结论

本研究通过Gleeble热压缩实验、FE-VPSC-DRX建模和EBSD表征，系统研究了TC4钛合金在热压缩过程中的动态再结晶行为和织构演变。主要结论如下：

• (1)
  基于TC4合金热压缩过程中获得的应力-应变曲线，建立了应变补偿的Arrhenius本构模型和动态再结晶动力学模型

CRediT作者贡献声明

赵宏亮：监督、资源获取、资金筹集。沈一豪：写作 – 审稿与编辑、软件使用、实验研究。李静婷：方法论、实验研究。徐瑞航：软件使用、形式分析。李东红：写作 – 初稿撰写、可视化、验证、方法论、实验研究、数据管理、概念化。董向雷：写作 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。范宇恒：资源管理、项目协调、资金筹集。

未引用参考文献

[56]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省自然科学基金重点项目（编号242300421180）、中原关键金属实验室杰出青年科学家项目（编号GJJSGFYQ202404）、国家重点研发计划（编号2023YFB3710000）和河南省自然科学基金（编号242300420007）的支持。