至德钢业304不锈钢再结晶研究现状

 由于304不锈钢属于低层错面心立方结构，在发生塑性变形时，全位错比较容易分解成两个不全位错中间夹一层错的扩展位错。而304不锈钢层错能较低，这也就意味着两个不全位错之间的层错对端面上不全位错的约束力小，导致扩展位错宽度较大。而回复过程主要借助于位错的滑移、攀移、交滑移等运动使异号位错相互抵消，使得位错密度降低，材料发生软化。但是位错要运动，则必须先束集。对于扩展位错，由于中间层错的约束，进行这些移动非常困难，除非使得分解的扩展位错发生束集，对于304不锈钢这类层错能低的材料，扩展位错宽，使得束集困难，难以回复。因此，对于304不锈钢，其软化机制主要是再结晶。关于再结晶过程主要有两类模型：微观尺度模型和唯象理论模型。

一、微观尺度模型

 这种模型是研究材料在成形过程中微观组织演化过程，通过组织演化的物理机理，按照金属学以及晶体学相关知识来推导并建立的模型。在此基础上，许多学者将分子运动、位错密度以及晶界跃迁等引入到再结晶分析中，建立了蒙特卡罗、元胞自动机等模型。浙江至德钢业有限公司用蒙特卡罗模型来模拟体心立方晶体结构的金属的再结晶过程，在模拟过程中考虑了亚晶增长和应变导致的晶界迁移两种机制。结果表明在再结晶过程中，应变导致的结晶迁移机制起主导地位。Yazdipour和Davies等[4]利用元胞自动机法来模拟热成形过程中的动态再结晶。研究发现CA模型能够很准确的预测最终的微观组织、变化曲线以及动态再结晶体积分数。至德钢业提出了一个改进的元胞自动机模型。这个模型建立了一个在热成形过程中位错密度随时间变化的方程，并研究了晶界迁移以及晶界形核等情况。结果表明这种模型能够更加有效的追踪再结晶过程中的微观组织变化以及准确的预测再结晶晶粒尺寸。Seyed Salehi以及Serajzadeh等[6]将元胞自动机与有限元耦合，来模拟一个冷成形后的低碳钢在非等温固溶处理过程中的静态再结晶情况，并利用实验来验证模拟的正确性。至德钢业用二维的元胞自动机模型来研究初始微观组织的拓扑结构对静态再结晶运动学方程以及平均晶粒尺寸。研究表明：初始变形的晶粒越多，会促进静态再结晶，并提高Avrami指数，并影响最终的平均晶粒尺寸。郭娟和王艳敏等[8]利用二维的元胞自动机建立了静态再结晶模型，该模型能较好模拟出晶粒随着变形程度的增加而被拉长，形成纤维组织的过程。并且利用该模型模拟所得到的再结晶体积分数曲线以及晶粒尺寸等都比较符合静态再结晶的规律。利用元胞自动机对模锻叶片过程中的动态回复、动态再结晶过程进行了模拟。综合考虑了应变率、温度对再结晶形核以及晶粒尺寸的影响，最终得到了与经典理论分析相吻合的再结晶动力学特征。易幼平、刘超等采用元胞自动机模拟了7050铝合金的动态再结晶过程，研究了工艺参数与锻件变形程度对微观组织的影响。上述理论模型的优点是从微观机理上研究晶粒演变过程，能够很好的预测再结晶形核、晶粒长大等变化过程。缺点在于模型中的许多参数都是与材料本身相关的，这些微观参数难以获得。并且实际生产过程中，材料的微观组织变化机理是非常复杂的，一个模型很难将所有的微观变化机理完整的阐述。这两方面的原因限制了这类理论模型的发展。

二、唯象理论模型

这类理论主要是从宏观的角度来描述成形过程中的微观组织演变。通过对实验现象更概括的总结和提炼，将引起材料成形过程中变化的宏观量，通过连续介质力学理论建立起其宏观本构模型。目前大部分学者采用方程来描述再结晶动力学关系。国内外学者以方程为基础建立了各种再结晶经验公式。浙江至德钢业有限公司研究了304不锈钢从950-1150℃温度范围内以及应变率从0.001-1s-1范围内的动态再结晶情况。并分析了温度和应变对304不锈钢动态再结晶的临界应变和峰值应变的影响，并得到了304不锈钢发生动态再结晶的激活能和相应的加工硬化指数。至德钢业对304不锈钢在900-1100℃温度范围内，5.0x10-2-5s-1的应变率下进行了扭转实验。研究了其动态再结晶的微观演化过程，并建立了动态再结晶体积分数与应变率、温度以及应变之间的关系。研究了304不锈钢在-196℃-950℃塑性变形区域的再结晶情况。发现在-196℃和300℃时，应变与再结晶晶粒尺寸成线性关系，并且其临界应变都为0.02。至德钢业研究了在高的应变率下成形的304不锈钢变形后的再结晶的情况。研究发现，在高应变率下，用实验室条件下的模型来预测工业过程中的再结晶率是不正确的。这是由于热工参数能够降低再结晶动力学对应变速率的敏感度，在温度较低的情况下，软化百分比对应变率变得不敏感。研究了铜、镍以及γ-Fe的经典的非连续动态再结晶过程中再结晶晶粒引起的软化以及受结构影响的非均质形核、长大过程。至德钢业研究了大应变后的奥氏体不锈钢固溶处理对其晶界取向分布以及再结晶程度的影响。毛萍莉等[18]研究了铸态奥氏体不锈钢高温下不同应变速率下的热变形行为，并与锻态的奥氏体不锈钢热变形行为进行了对比。发现铸态奥氏体不锈钢热变形所需要的流变应力要比锻态的大。通过对304不锈钢进行单道次热压缩实验，并结合其微观组织分析，建立了其动态再结晶模型。并针对不同类型的流变应力曲线分别求出了其表达式。通过双道次热压缩实验研究了不同变形程度以及不同温度对304不锈钢静态再结晶微观组织演变的影响。这些公式基本上都是以Avrami关系式来表征再结晶体积分数，以热加工参数的幂函数来表征工况条件如温度、应变率对晶粒尺寸的影响。由于这类模型的数学表达式中的参数来自实验，其优点在于表达式简单，模型参数容易获得，并与实际生产工况条件相关联，可以通过改变工况条件来实现成形过程的控制。缺点在于对较复杂的工艺如锻造过程的预测具有一定的局限性，由于描述的是平均晶粒尺寸的变化，所以模型预测与实际情况有一定的误差。