Die dynamische Rekristallisation (DRX) ist ein Rekristallisationsprozess , der in der Metallurgie und Geologie Anwendung findet. Im Gegensatz zur statischen Rekristallisation erfolgt bei der dynamischen Rekristallisation die Keimbildung und das Wachstum neuer Körner während der Verformung und nicht im Anschluss im Rahmen einer separaten Wärmebehandlung. Die Verringerung der Korngröße erhöht das Risiko des Korngrenzengleitens bei hohen Temperaturen und verringert gleichzeitig die Versetzungsbeweglichkeit im Material. Die neuen Körner sind weniger verformt, was zu einer geringeren Verfestigung des Materials führt. Die dynamische Rekristallisation ermöglicht neue Korngrößen und -orientierungen, wodurch die Rissausbreitung verhindert werden kann. Anstatt dass Verformung zum Bruch des Materials führt, kann sie das Wachstum neuer Körner initiieren und dabei Atome benachbarter, bereits vorhandener Körner verbrauchen. Nach der dynamischen Rekristallisation erhöht sich die Duktilität des Materials. [ 1 ]

In einer Spannungs-Dehnungs-Kurve lässt sich der Beginn der dynamischen Rekristallisation (DRX) anhand eines deutlichen Maximums der Fließspannung in Warmumformdaten erkennen , bedingt durch die Erweichungswirkung der Rekristallisation. Allerdings zeigen nicht alle Werkstoffe unter Warmumformbedingungen klar definierte Maxima. Der Beginn der DRX kann auch anhand eines Wendepunkts in Diagrammen der Verfestigungsrate gegen die Spannung detektiert werden. Es hat sich gezeigt, dass diese Technik zur Feststellung des Auftretens von DRX eingesetzt werden kann, wenn dies nicht eindeutig anhand der Form der Fließkurve erkennbar ist.

Treten Spannungsschwankungen auf, bevor der stationäre Zustand erreicht ist, so finden mehrere Rekristallisations- und Kornwachstumszyklen statt, und das Spannungsverhalten wird als zyklisch oder mehrgipflig bezeichnet. Das spezifische Spannungsverhalten vor Erreichen des stationären Zustands hängt von der anfänglichen Korngröße , der Temperatur und der Dehnungsrate ab .

DRX kann in verschiedenen Formen auftreten, darunter:

Die dynamische Rekristallisation hängt von der Geschwindigkeit der Versetzungsbildung und -bewegung ab. Sie ist außerdem von der Erholungsrate (der Geschwindigkeit der Versetzungsannihilation) abhängig. Das Zusammenspiel von Kaltverfestigung und dynamischer Erholung bestimmt die Kornstruktur und die Anfälligkeit der Körner für verschiedene Arten der dynamischen Rekristallisation. [ 1 ] Unabhängig vom Mechanismus muss das Material für das Auftreten dynamischer Kristallisation eine kritische Verformung erfahren haben. Die endgültige Korngröße nimmt mit steigender Spannung zu. Um sehr feinkörnige Strukturen zu erzielen, müssen die Spannungen hoch sein. [ 2 ]

Einige Autoren verwenden die Begriffe „postdynamisch“ oder „metadynamisch“, um die Rekristallisation zu beschreiben, die während der Abkühlphase eines Warmumformprozesses oder zwischen aufeinanderfolgenden Umformstichen auftritt. Dies unterstreicht, dass die Rekristallisation in direktem Zusammenhang mit dem jeweiligen Prozess steht, wobei gleichzeitig anerkannt wird, dass keine weitere Umformung stattfindet.

Geometrische dynamische Rekristallisation (GDRX)

Die geometrisch-dynamische Rekristallisation (GDRX) findet in Körnern mit lokalen Zacken statt. Bei Verformung verlängern sich die Körner, bis ihre Dicke einen Schwellenwert unterschreitet (unterhalb dieses Schwellenwerts schneiden sich die Zackengrenzen, und kleine Körner schnüren sich zu gleichachsigen Körnern ab). [ 1 ] Die Zacken können vor der Belastung des Materials vorhanden sein oder durch dessen Verformung entstehen. [ 3 ]

Die geometrische dynamische Rekristallisation weist 6 Hauptmerkmale auf: [ 3 ]

  • Sie tritt im Allgemeinen bei Verformungen unter erhöhten Temperaturen in Materialien mit hoher Stapelfehlerenergie auf .
  • Der Stress nimmt zunächst zu und sinkt dann auf einen stabilen Zustand ab.
  • Die Subkornbildung erfordert eine kritische Verformung
  • Die Subkorn-Fehlorientierung erreicht ihren Höhepunkt bei 2°
  • Es gibt nur geringe Texturveränderungen.
  • Die Fixierung von Korngrenzen führt zu einer Erhöhung der erforderlichen Dehnung

Während die geometrieabhängige thermische Rekristallisation (GDRX) primär von der anfänglichen Korngröße und der Verformung beeinflusst wird, erschweren andere Faktoren, die während der Warmumformung auftreten, die Entwicklung prädiktiver Modelle (die den Prozess tendenziell vereinfachen) und können zu unvollständiger Rekristallisation führen. [ 3 ]  Die Bildung gleichachsiger Körner erfolgt nicht sofort und gleichmäßig entlang des gesamten Korns, sobald die Schwellenspannung erreicht ist, da einzelne Bereiche unterschiedlichen Verformungen/Spannungen ausgesetzt sind. In der Praxis bildet sich allmählich eine im Allgemeinen sinusförmige Grenze (wie von Martorano et al. vorhergesagt), wenn die Körner beim Erreichen der Schwellenspannung abknicken. [ 4 ]   Ausgefeiltere Modelle berücksichtigen komplexe anfängliche Korngeometrien [ 5 ] , lokale Drücke entlang der Korngrenzen und die Warmumformtemperatur [ 4 ] , sind aber nicht in der Lage, genaue Vorhersagen über den gesamten Spannungsbereich und die Entwicklung des Gesamtgefüges zu treffen. Zusätzlich können Korngrenzen bei hohen Temperaturen und Krümmungen während der GDRX wandern, Subkorngrenzen mitziehen und so ein unerwünschtes Wachstum des ursprünglichen Korns verursachen. Dieses neue, größere Korn erfordert deutlich mehr Verformung für die GDRX, wodurch der lokale Bereich geschwächt statt verstärkt wird. [ 6 ]   Schließlich kann die Rekristallisation beschleunigt werden, wenn Körner verschoben und gestreckt werden, wodurch Subkorngrenzen zu Korngrenzen werden (der Winkel vergrößert sich). Die betroffenen Körner sind dünner und länger und lassen sich daher leichter verformen. [ 7 ]

Diskontinuierliche dynamische Rekristallisation

Die diskontinuierliche Rekristallisation ist heterogen; es gibt deutlich voneinander abgegrenzte Keimbildungs- und Wachstumsphasen. Sie tritt häufig in Materialien mit niedriger Stapelfehlerenergie auf. Dabei kommt es zur Keimbildung, wodurch neue, spannungsfreie Körner entstehen, die die bereits vorhandenen, verspannten Körner aufnehmen. Die Keimbildung erfolgt leichter an Korngrenzen, wodurch die Korngröße abnimmt und somit die Anzahl der Keimbildungsstellen zunimmt. Dies wiederum erhöht die Geschwindigkeit der diskontinuierlichen dynamischen Rekristallisation. [ 3 ]

Die diskontinuierliche dynamische Rekristallisation weist 5 Hauptmerkmale auf: [ 3 ]

  • Die Rekristallisation erfolgt erst nach Erreichen der Schwellenspannung.
  • Die Spannungs-Dehnungs-Kurve kann mehrere Maxima aufweisen – es gibt keine universelle Gleichung.
  • Die Keimbildung erfolgt im Allgemeinen entlang bereits vorhandener Korngrenzen.
  • Die Rekristallisationsraten steigen mit abnehmender anfänglicher Korngröße.
  • Es gibt eine konstante Korngröße, die sich im Verlauf der Rekristallisation annähert.

Diskontinuierliche dynamische Rekristallisation entsteht durch das Zusammenspiel von Verfestigung und Erholung. Ist die Vernichtung von Versetzungen im Vergleich zu ihrer Entstehungsrate zu langsam, akkumulieren sich diese. Sobald eine kritische Versetzungsdichte erreicht ist, erfolgt die Keimbildung an Korngrenzen. Die Korngrenzenwanderung, d. h. der Übergang von Atomen von einem größeren, bereits existierenden Korn zu einem kleineren Keim, ermöglicht das Wachstum der neuen Keime auf Kosten der bestehenden Körner. [ 3 ] Die Keimbildung kann durch Ausbeulungen bestehender Korngrenzen erfolgen. Eine Ausbeulung entsteht, wenn die an eine Korngrenze angrenzenden Subkörner unterschiedliche Größen aufweisen, was zu einer Energiedifferenz zwischen den beiden Subkörnern führt. Erreicht die Ausbeulung einen kritischen Radius, wandelt sie sich erfolgreich in einen stabilen Keim um und wächst weiter. Dies lässt sich mithilfe von Cahns Theorien zur Keimbildung und zum Wachstum modellieren. [ 2 ]

Diskontinuierliche dynamische Rekristallisation führt häufig zu einer „kettenartigen“ Mikrostruktur. Da das Wachstum neuer Körner entlang von Korngrenzen energetisch begünstigt ist, erfolgt die Neubildung und das Ausbeulen neuer Körner bevorzugt entlang bereits vorhandener Korngrenzen. Dadurch entstehen zunächst Schichten neuer, sehr feiner Körner entlang der Korngrenze, während das Innere des bestehenden Korns unbeeinflusst bleibt. Mit fortschreitender dynamischer Rekristallisation wird der nicht rekristallisierte Bereich verbraucht. Bei weiterer Verformung bleibt die Kohärenz zwischen den Schichten neuer Keime nicht erhalten, wodurch eine zufällige Textur entsteht. [ 8 ]

Kontinuierliche dynamische Rekristallisation

Kontinuierliche dynamische Rekristallisation tritt häufig in Materialien mit hohen Stapelfehlerenergien auf. Sie entsteht, wenn sich Kleinwinkelkorngrenzen bilden und zu Großwinkelkorngrenzen weiterentwickeln, wodurch neue Körner entstehen. Bei der kontinuierlichen dynamischen Rekristallisation lässt sich nicht klar zwischen der Keimbildungs- und der Wachstumsphase der neuen Körner unterscheiden. [ 3 ]

Die kontinuierliche dynamische Rekristallisation weist vier Hauptmerkmale auf: [ 3 ]

  • Mit zunehmender Belastung steigt auch der Stress.
  • Mit zunehmender Dehnung steigt die Subkorngrenzenfehlorientierung.
  • Bei der Umwandlung von Kleinwinkelkorngrenzen in Großwinkelkorngrenzen nimmt die Fehlorientierung homogen zu.
  • Mit zunehmender Verformung nimmt die Kristallitgröße ab.

Es gibt drei Hauptmechanismen der kontinuierlichen dynamischen Rekristallisation:

Erstens kann eine kontinuierliche dynamische Rekristallisation auftreten, wenn sich aus innerhalb des Korns gebildeten Versetzungen Kleinwinkelkorngrenzen bilden. Wird das Material anhaltender Spannung ausgesetzt, vergrößert sich der Verkippungswinkel, bis der kritische Winkel erreicht ist, wodurch eine Großwinkelkorngrenze entsteht. Diese Entwicklung kann durch die Verankerung von Subkorngrenzen begünstigt werden. [ 3 ]

Zweitens kann eine kontinuierliche dynamische Rekristallisation durch Subkornrotationsrekristallisation erfolgen ; die Subkörner rotieren und vergrößern dabei den Fehlorientierungswinkel. Sobald der Fehlorientierungswinkel den kritischen Winkel überschreitet, gelten die ehemaligen Subkörner als unabhängige Körner. [ 3 ]

Drittens kann es aufgrund von Verformungen durch Mikroscherbänder zu kontinuierlicher dynamischer Rekristallisation kommen . Subkörner werden durch Versetzungen innerhalb des Korns gebildet, die sich während der Kaltverfestigung ausbilden. Bilden sich Mikroscherbänder innerhalb des Korns, erhöht die von ihnen eingebrachte Spannung rasch die Fehlorientierung von Kleinwinkelkorngrenzen und wandelt diese in Großwinkelkorngrenzen um. Da die Wirkung der Mikroscherbänder jedoch lokal begrenzt ist, betrifft dieser Mechanismus bevorzugt Bereiche mit heterogener Verformung, wie z. B. Mikroscherbänder oder Bereiche in der Nähe bereits vorhandener Korngrenzen. Mit fortschreitender Rekristallisation breitet sich diese von diesen Zonen aus und erzeugt ein homogenes, gleichachsiges Mikrogefüge. [ 3 ]

Mathematische Formeln

Basierend auf der von Poliak und Jonas entwickelten Methode wurden einige Modelle entwickelt, um die kritische Dehnung für den Beginn der dynamischen Rekristallisation (DRX) in Abhängigkeit von der maximalen Dehnung der Spannungs-Dehnungs-Kurve zu beschreiben. Die Modelle wurden für Systeme mit einem einzigen Maximum abgeleitet, d. h. für Materialien mit mittleren bis niedrigen Stapelfehlerenergien. Die Modelle sind in den folgenden Publikationen zu finden:

Das DRX-Verhalten von Systemen mit mehreren (und auch nur einem) Peak lässt sich durch die Berücksichtigung der Wechselwirkung mehrerer Körner während der Verformung modellieren. Das Ensemble-Modell beschreibt also den Übergang zwischen dem Verhalten mit einem und mehreren Peaks in Abhängigkeit von der anfänglichen Korngröße. Es kann auch den Einfluss vorübergehender Änderungen der Dehnrate auf die Form der Fließkurve beschreiben. Das Modell ist in der folgenden Publikation zu finden:

Literatur

Referenzen

  1. ^ a b c McQueen, HJ (8. Dezember 2003). „Entwicklung der Theorie der dynamischen Rekristallisation“. Materials Science and Engineering: A : 203– 208 – via Elsevier Science Direct.
  2. ^ a b Roberts, W.; Ahlblom, B. (28. April 1997). „Ein Keimbildungskriterium für die dynamische Rekristallisation bei der Warmumformung“. Acta Metallurgica . 26 (5): 801–813 . doi : 10.1016/0001-6160(78)90030-5 – via Elsevier Science Direct.
  3. ^ a b c d e f g h i j k Huang, K.; Logé, RE (29. August 2016). „A Review of Dynamic Recrystallization Phenomena in Metallic Materials“. Materials and Design . 111 : 548–574 . doi : 10.1016/j.matdes.2016.09.012 – via Elsevier Science Direct.
  4. ^ a b Martorano, MA; Padilha, AF (1. September 2008). „Modellierung der Korngrenzenwanderung während der geometrischen dynamischen Rekristallisation“ . Philosophical Magazine Letters . 88 ( 9–10 ): 725–734 . doi : 10.1080/09500830802286951 . ISSN 0950-0839 . 
  5. ^ Pari, Luigi De; Misiolek, Wojciech Z. (1. Dezember 2008). „Theoretische Vorhersagen und experimentelle Überprüfung der Entwicklung der Oberflächenkornstruktur für AA6061 während des Warmwalzens“ . Acta Materialia . 56 (20): 6174–6185 . doi : 10.1016/j.actamat.2008.08.050 . ISSN 1359-6454 . 
  6. ^ Pettersen, Tanja; Nes, Erik (1. Dezember 2003). „Zum Ursprung der Verformungserweichung bei der Torsion von Aluminium bis zu großen Dehnungen“ . Metallurgical and Materials Transactions A. 34 ( 12): 2727–2736 . doi : 10.1007/s11661-003-0174-1 . ISSN 1543-1940 . 
  7. ^ Gourdet, S.; Montheillet, F. (23. Mai 2003). „Ein Modell der kontinuierlichen dynamischen Rekristallisation“ . Acta Materialia . 51 (9): 2685–2699 . doi : 10.1016/S1359-6454(03)00078-8 . ISSN 1359-6454 . 
  8. ^ Ponge, D.; Gottstein, G. (18. Dezember 1998). „Kettenbildung während der dynamischen Rekristallisation: Mechanismen und Auswirkungen auf das Fließverhalten“. Acta Materialia . 46 : 69–80 . doi : 10.1016/S1359-6454(97)00233-4 – via Elsevier Science Direct.