УДК 539.3

DOI 10.24411/1683-805X-2019-12002

 

Управление процессами неупругого деформирования поликристаллов с целью формирования требуемых рабочих характеристик готовых изделий невозможно без анализа эволюции структуры материала на различных масштабных уровнях. Актуальной задачей является создание физически обоснованных математических моделей для описания эволюции внутренней структуры материала, поскольку последняя определяет его свойства. Для решения этой проблемы эффективным представляется многоуровневый подход к описанию термомеханической обработки кристаллических материалов, где в явном виде рассматриваются носители и физические механизмы протекающих процессов. Термомеханическое воздействие позволяет управлять дефектной и зеренной (субзеренной) структурой материала в широких пределах, обеспечивая получение требуемых макрохарактеристик. В работе исследована субзеренная (зеренная) структура, формирующаяся в результате статической рекристаллизации, реализуемой по механизму движения исходных участков большеугловой границы. Моделирование проводится в два этапа. На первом рассматривается пластическое деформирование кристаллического материала при комнатной температуре, на втором - выдержка при заданной повышенной температуре, приводящей к рекристаллизации. Оба этапа моделируются в рамках единого многоуровневого подхода. Рассматривается постановка задачи моделирования статической рекристаллизации, описывается алгоритм ее численной реализации. Приводятся результаты моделирования для бикристалла, в котором каждое зерно представляется множеством элементов более низкого масштабного уровня - субзерен. Рекристаллизация приводит к глубоким изменениям геометрии субзеренной структуры: меняются средний размер субзерен и их форма. Рекристаллизованные субзерна имеют более вытянутую форму по сравнению с исходными. В процессе рекристаллизации происходит замена дефектных зерен менее дефектными, что приводит к уменьшению запасенной в материале энергии. Разработанная модель позволяет качественно описать процесс высвобождения запасенной энергии. В численных экспериментах установлено существование критического значения пластической деформации, до достижения которого при заданной температуре выдержки рекристаллизация не происходит.

Ключевые слова: статическая рекристаллизация, физические теории пластичности, зеренная/субзеренная структура

 

A model for static recrystallization occurring through strain-induced boundary migration

Control over the inelastic deformation of polycrystals with the aim of achieving required performance characteristics of finished products is impossible without an analysis of the structural evolution of the material at different scale levels. A major task in this respect is to develop physically sound mathematical models for describing the evolution of the internal structure because the latter determines the material properties. An effective tool for solving the above problem is a multilevel approach (crystal plasticity) to the description of the thermomechanical processing of crystalline materials, in which carriers and physical mechanisms of processes are considered explicitly. Thermomechanical processing allows a good control over the defect and grain/subgrain structure of the material to achieve desired macrocharacteristics. This paper explores the subgrain/grain structure evolution during static recrystallization that occurs through strain-induced boundary migration. Modeling is carried out in two stages. The first stage considers the plastic deformation of a crystalline material at room temperature. The second stage examines the process of aging at a given elevated temperature which leads to recrystallization. Both stages are modeled within a unified multilevel approach. The problem of modeling static recrystallization is formulated, and an algorithm for its numerical implementation is described. The modeling results are presented for a bicrystal in which each grain is represented by a set of lower-scale elements, or subgrains. Recrystallization causes profound changes in the subgrain structure geometry. The average size of subgrains and their shape change. Recrystallized subgrains have a more elongated shape compared to the original ones. During recrystallization more defective grains are replaced with less defective grains, and as a result the energy stored in the material decreases. The developed model qualitatively describes the release of stored energy. Numerical experiments revealed a critical plastic strain value below which recrystallization does not occur.

Keywords: static recrystallization, crystal plasticity, grain/subgrain structure

 

П.В. Трусов, Н.С. Кондратьев, А.Ю. Янц  Модель для описания статической рекристаллизации по механизму миграции участков исходной большеугловой границы // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 2. - С. 24-34