《Materials Science and Engineering: A》：Mechanisms of Hot Deformation and Surface Instability in Coarse-Grained IN625 with Data-Driven Predictive Modeling
编辑推荐：
郭硕|西尔维娅·巴雷拉|刘彩艺|安德烈亚·格拉塔达乌里亚|马尔科·贝尔菲|安德烈亚·佐亚雁山大学起重机技术国家重点实验室，秦皇岛，066004，中国摘要本研究针对IN625合金的热变形行为进行了探讨。在1000至1150°C的温度范围内以及0.01至10s-1引言由于镍基合金具有
郭硕|西尔维娅·巴雷拉|刘彩艺|安德烈亚·格拉塔达乌里亚|马尔科·贝尔菲|安德烈亚·佐亚
雁山大学起重机技术国家重点实验室，秦皇岛，066004，中国
摘要
本研究针对IN625合金的热变形行为进行了探讨。在1000至1150°C的温度范围内以及0.01至10s-1
引言
由于镍基合金具有优异的热稳定性、高温机械性能、耐腐蚀性和抗氧化性，它们被广泛用作能源和航空航天领域的关键部件[1]。镍基合金最经典的成型方法包括轧制、挤压和锻造等热机械加工技术[2]。镍基合金通过塑性变形获得所需的形状和尺寸。此外，在热激活作用下，镍基合金的微观结构和性能会通过一系列微观结构演变而得到同步提高[3][4]。
鉴于镍基合金具有较高的热变形抗性和狭窄的成型窗口，目前已有大量研究致力于探索变形条件、变形抗性与热加工性之间的关系。吴等人对GH4141镍合金的热加工窗口进行了研究，确定其最佳成型范围为1030°C-1060°C和1120°C-1180°C，以及1-10s-1-1-1-1
此外，由于镍基合金需要进行长时间的固溶处理，其晶粒尺寸通常非常粗大。粗晶粒材料可能导致尺寸效应，从而导致不同的宏观机械响应和变形不稳定性现象。研究表明，粗晶粒会降低材料的热加工性[9]。萨卡尔等人研究了铜合金的热变形行为，发现随着初始晶粒尺寸的增大，热加工图中的变形不稳定区域扩大[10]。李等人通过对GH907超级合金的原位拉伸测试发现，细晶粒试样比粗晶粒试样更容易激活滑移系，从而实现多个晶粒间的协调变形，稳定了应变传递[11]。张等人和王等人也研究了316L不锈钢和铜合金板材的变形行为，发现当晶粒尺寸与试样宏观尺寸接近时，变形机制和断裂模式会发生显著变化[12][13]。这些证据表明，当晶粒尺寸接近试样的宏观尺寸时，材料的变形机制可能会发生根本性变化，从而影响变形条件与热加工性之间的关系。然而，尽管镍基合金在热机械加工前通常具有粗晶粒尺寸，但这种尺寸对其热变形过程中的宏观和微观结构行为的影响往往被忽视。
此外，对具有粗晶粒尺寸的镍基合金的热变形行为进行建模较为少见，尤其是在建立变形条件与热加工性之间的定量关系方面。目前，人工智能（AI）在捕捉高度非线性参数关系方面表现出可靠的能力[14][15]。一些研究开始探索基于AI的热变形行为建模。陈等人利用人工神经网络（ANN）模型建立了Mg-Ga-Sn镁合金的变形条件、热加工图和流动应力之间的定量关系[16]。吴等人开发了一种神经网络模型来预测Mg-T-Re镁合金在各种变形条件下的流动应力[17]。龙等人应用多种机器学习模型建立了镁合金热变形的本构关系[18]。郭等人通过结合内部状态变量本构模型和神经网络模型，成功预测了热加工性的演变，其中变形条件和微观结构状态作为输入参数[19]。尽管AI在研究材料热变形行为方面表现出色，但在镍基合金中的应用仍然有限，特别是在建立变形条件与热加工性之间的定量关系方面。
因此，本研究探讨了具有粗晶粒的镍基合金的热变形行为。热变形试验的样品尺寸基于初始晶粒尺寸设计，确保试样沿单一方向分布有几十个晶粒。研究通过热变形实验、多尺度微观结构表征和基于AI的热变形行为建模来进行。试图建立变形条件、应力响应、变形机制、热加工性和变形不稳定性之间的定量关系。这项研究为优化具有粗晶粒尺寸的镍基合金的成型工艺提供了见解，也可能适用于其他材料。
章节摘录
实验与材料
本研究选择IN625作为代表性材料，因为它具有优异的机械性能和广泛的应用领域[20][21]。该材料的具体元素组成见表1。在热变形之前，将材料置于1150°C下保温5分钟以使微观结构均匀化。材料的平均晶粒尺寸约为280 μm。初始状态的微观结构表征见附录A。
结果
本节展示了各种变形条件下的应力-应变曲线、热加工图和微观结构表征结果。研究不仅分析了试样中心的变形机制和不稳定行为，还深入探讨了变形不稳定性如何表现为表面裂纹。最后，提出了一种基于神经网络的方法来预测流动应力和热加工性，并对其进行了训练。
讨论
本节基于第3节的所有结果，全面讨论了粗晶粒IN625的热变形机制和不稳定行为。建立了变形条件、变形机制、热加工性和不稳定性之间的定量关系，阐明了各种变形条件下表面裂纹形成的机制。最后，评估了所提出的流动应力和热加工性预测方法的适用性。
结论
本研究通过结合热机械测试、多尺度微观结构表征和基于AI的预测模型，系统地研究了具有粗晶粒的IN625合金的热变形行为。研究表明，异常粗糙的初始晶粒尺寸显著改变了DRX和变形不稳定性之间的平衡，从而对宏观应力响应和局部微观结构演变产生了明显的影响。
西尔维娅·巴雷拉：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。马尔科·贝尔菲：验证、调查。安德烈亚·格拉塔达乌里亚：撰写——审稿与编辑、调查。刘彩艺：验证、监督、资源提供。郭硕：撰写——初稿撰写、软件开发、资源提供、方法论研究。安德烈亚·佐亚：调查
[44], [45], [46], [47], [48], [49], [50]。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFE0114600）、中国留学基金委创新人才国际合作培养项目（CXXM20240010）、河北省自然科学基金的创新研究群体延续资助项目（E2025203237）、河北省自然科学基金的青年基金（E2023203007）以及河北省青年人才支持计划（BJ2025115）和雁赵金桥人才计划的支持。
