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動的再結晶化(DRX) は、冶金学および地質学の分野で見られる再結晶化プロセスの一種です。静的再結晶化とは対照的に、動的再結晶化では、新しい粒子の核生成と成長は、変形後に別の熱処理の一部として起こるのではなく、変形中に起こります。粒径が小さくなると、高温での粒界滑りのリスクが高まり、材料内の転位可動性も低下します。新しい粒子は歪みが少なくなるため、材料の硬化が低下します。動的再結晶化により、新しい粒子サイズと配向が可能になり、亀裂の伝播を防ぐことができます。歪みによって材料が破壊されるのではなく、歪みによって新しい粒子の成長が開始され、隣接する既存の粒子の原子が消費されます。動的再結晶化後、材料の延性が向上します。[1]
応力-ひずみ曲線では、再結晶の軟化効果により、熱間加工データにおける流動応力の明確なピークによって動的再結晶の開始を認識できます。ただし、すべての材料が熱間加工条件下でテストしたときに明確なピークを示すわけではありません。DRX の開始は、応力に対するひずみ硬化率のプロットの変曲点から検出することもできます。この手法は、流動曲線の形状から DRX の発生を明確に判断できない場合に、DRX の発生を確立するために使用できることが示されています。
定常状態に達する前に応力振動が発生する場合、複数の再結晶と粒成長サイクルが発生し、応力挙動は周期的または多重ピーク型であると言われます。定常状態に達する前の特定の応力挙動は、初期の粒径、温度、およびひずみ速度によって異なります。
DRX は、次のようなさまざまな形で発生する可能性があります。
- 幾何学的動的再結晶
- 不連続動的再結晶
- 連続動的再結晶
動的再結晶は転位の生成と移動の速度に依存します。また、回復速度（転位が消滅する速度）にも依存します。加工硬化と動的回復の相互作用により、結晶構造が決まります。また、さまざまなタイプの動的再結晶に対する結晶の感受性も決まります。[1]メカニズムに関係なく、動的結晶化が発生するには、材料が臨界変形を経験している必要があります。最終的な結晶粒度は、応力が増加すると大きくなります。非常に微細な結晶構造を実現するには、応力が高くなければなりません。[2]
一部の著者は、熱間加工プロセスの冷却段階中または連続パス間で発生する再結晶化を説明するために、「ポストダイナミック」または「メタダイナミック」という用語を使用しています。これは、同時変形がないことを認めながら、再結晶化が問題のプロセスに直接関連しているという事実を強調しています。
幾何学的動的再結晶 (GDRX)
幾何学的動的再結晶は、局所的な鋸歯状の結晶粒で発生します。変形すると、GDRX を受ける結晶粒は、結晶粒の厚さが閾値を下回るまで伸長します (閾値を下回ると、鋸歯状の境界が交差し、小さな結晶粒が等軸の結晶粒に分かれます)。[1]鋸歯状構造は、材料に作用する応力よりも前から存在する場合もあれば、材料の変形によって生じる場合もあります。[3]
幾何学的動的再結晶化には6つの主な特徴がある: [3]
- これは通常、積層欠陥エネルギーの高い材料において、高温での変形で発生する。
- ストレスは増加し、その後安定状態まで減少する
- サブグレイン形成には臨界変形が必要
- サブグレイン配向のピークは2˚
- 食感の変化が少ない
- 粒界のピンニングにより必要なひずみが増加する
GDRX は主に初期の結晶粒サイズとひずみ（形状に依存）の影響を受けますが、熱間加工プロセス中に発生する他の要因により、予測モデルの開発が複雑になり（プロセスが過度に単純化される傾向にある）、不完全な再結晶化につながる可能性があります。[3] 個々の領域が異なるひずみ/応力を受けるため、閾値応力に達すると、等軸粒の形成は、結晶粒全体にわたって直ちに均一に起こるわけではありません。実際には、（Martorano らが予測したように）一般的に正弦波状のエッジが徐々に形成され、各粒子が閾値に達するとピンチオフが始まります。[4] より洗練されたモデルでは、複雑な初期の結晶粒形状、[5]粒界に沿った局所的な圧力、および熱間加工温度が考慮されていますが、モデルでは、応力状態全体と全体的な微細構造の進化全体にわたって正確な予測を行うことはできません。さらに、高温および粒界曲率での GDRX 中に粒界が移動し、サブグレイン境界に沿って引きずられ、元の結晶粒の望ましくない成長を引き起こす可能性があります。この新しい、より大きな粒子は、GDRXが発生するためにはるかに大きな変形を必要とし、局所領域は強化されるのではなく弱くなります。[6] 最後に、粒子がシフトして引き伸ばされると、再結晶が加速され、亜粒界が粒界になります（角度が増加）。影響を受ける粒子はより薄く長くなり、したがって変形を受けやすくなります。[7]
不連続動的再結晶
不連続再結晶は不均一であり、明確な核形成段階と成長段階があります。これは、積層欠陥エネルギーが低い材料でよく見られます。その後、核形成が起こり、既存のひずみ粒子を吸収する新しいひずみのない粒子が生成されます。これは粒界でより容易に起こり、粒子サイズを減少させ、それによって核形成サイトの量を増加させます。これにより、不連続動的再結晶の速度がさらに増加します。[3]
不連続動的再結晶化には5つの主な特徴がある: [3]
- 再結晶は閾値ひずみに達するまで発生しない
- 応力-ひずみ曲線には複数のピークがある可能性があり、普遍的な方程式は存在しない。
- 核形成は一般的に既存の粒界に沿って起こる
- 初期粒径が小さくなると再結晶速度が上昇する
- 再結晶が進むにつれて、一定の粒径に近づく。
不連続動的再結晶は、加工硬化と回復の相互作用によって引き起こされます。転位の消滅が転位の発生速度に比べて遅い場合、転位が蓄積します。臨界転位密度に達すると、粒界で核形成が発生します。粒界移動、つまり既存の大きな粒から小さな核への原子の移動により、既存の粒を犠牲にして新しい核の成長が可能になります。[3]核形成は、既存の粒界の膨らみによって発生する可能性があります。粒界に接するサブグレインのサイズが異なり、2 つのサブグレインからのエネルギーに差が生じると、膨らみが形成されます。膨らみが臨界半径に達すると、安定した核に正常に移行し、成長を続けます。これは、核形成と成長に関するカーンの理論を使用してモデル化できます。[2]
不連続な動的再結晶化は、一般的に「ネックレス」状の微細構造を生成します。新しい粒子の成長は粒界に沿ってエネルギー的に有利であるため、新しい粒子の形成と膨らみは、既存の粒界に沿って優先的に発生します。これにより、粒界に沿って新しい非常に微細な粒子の層が生成され、最初は既存の粒子の内部は影響を受けません。動的再結晶化が続くと、再結晶化されていない領域が消費されます。変形が続くと、再結晶化は新しい核の層間の一貫性を維持せず、ランダムなテクスチャを生成します。[8]
連続動的再結晶
連続動的再結晶は、積層欠陥エネルギーの高い材料でよく見られます。これは、低角粒界が形成されて高角粒界に進化し、その過程で新しい粒子が形成されるときに発生します。連続動的再結晶では、新しい粒子の核形成段階と成長段階の間に明確な区別はありません。[3]
連続動的再結晶化には4つの主な特徴がある: [3]
- 緊張が増すとストレスも増す
- ひずみが増加すると、粒界の配向ずれが増加する
- 低角粒界が高角粒界に進化するにつれて、方位差は均一に増加する。
- 変形が大きくなると結晶子のサイズが小さくなる
連続動的再結晶化には主に 3 つのメカニズムがあります。
まず、粒内に形成された転位から低角粒界が組み立てられると、連続的な動的再結晶化が発生する可能性があります。材料が継続的な応力を受けると、ミスオリエンテーション角が増加し、臨界角に達し、高角粒界が形成されます。この進化は、亜粒界のピンニングによって促進されます。[3]
第二に、連続的な動的再結晶は、亜結晶粒回転再結晶によって起こり、亜結晶粒が回転してミスオリエンテーション角が増加します。ミスオリエンテーション角が臨界角を超えると、以前の亜結晶粒は独立した結晶粒として分類されます。[3]
第三に、マイクロせん断帯による変形により、連続的な動的再結晶化が起こる可能性がある。サブグレインは、加工硬化中に形成された粒内の転位によって組み立てられる。粒内にマイクロせん断帯が形成されると、それがもたらす応力によって低角粒界のミスオリエンテーションが急速に増加し、高角粒界に変化する。しかし、マイクロせん断帯の影響は局所的であるため、このメカニズムは、マイクロせん断帯や既存の粒界付近の領域など、不均一に変形する領域に優先的に影響を与える。再結晶化が進むにつれて、これらの領域から広がり、均質で等軸の微細構造が形成される。[3]
数式
Poliak と Jonas によって開発された方法に基づいて、応力-ひずみ曲線のピークひずみの関数として DRX の開始の臨界ひずみを説明するために、いくつかのモデルが開発されています。モデルは、単一のピークを持つシステム、つまり、中程度から低いスタッキング フォールト エネルギー値を持つ材料用に作成されています。モデルは次の論文で参照できます。
- 正弦関数を用いた流動応力と動的再結晶化開始の臨界ひずみの決定
- 双曲正接関数を用いた流動応力と動的再結晶化開始の臨界ひずみの決定
- 動的再結晶開始の臨界ひずみの決定
- 高温における応力-ひずみ曲線の特徴点
複数のピーク（および単一のピーク）を持つシステムの DRX 動作は、変形中の複数の粒子の相互作用を考慮してモデル化できます。つまり、アンサンブル モデルは、初期粒子サイズに基づいて、単一のピーク動作と複数のピーク動作の間の遷移を説明します。また、ひずみ速度の過渡的変化がフロー カーブの形状に与える影響を説明することもできます。モデルは次の論文に記載されています。
- 鋼の熱間圧延中の再結晶をモデル化する新しい統一アプローチ
文学
- 動的再結晶の開始、DRXの開始の臨界条件を決定するための1パラメータアプローチ
- 17-4 PHステンレス鋼の熱間圧縮試験における流動曲線解析、DRXの総合的研究
- 商業用純度銅の熱間流動をモデル化する構成関係、第 6 章、VG García 博士論文、UPC (2004)
- 金属材料における動的再結晶現象のレビュー、DRXに関する最新のレビュー論文
- 動的再結晶化のセルオートマトンモデル: 概要とソースコード、CAによるDRXをシミュレートするソフトウェア: 概要、ソフトウェア実行のビデオ
参考文献
- ^ abc McQueen, HJ (2003 年 12 月 8 日). 「動的再結晶理論の開発」. Materials Science and Engineering: A : 203–208 – Elsevier Science Direct 経由.
- ^ ab Roberts, W.; Ahlblom, B. (1997年4月28日). 「熱間加工中の動的再結晶化の核形成基準」. Acta Metallurgica . 26 (5): 801–813. doi :10.1016/0001-6160(78)90030-5 – Elsevier Science Direct経由。
- ^ abcdefghijk Huang, K.; Logé, RE (2016 年 8 月 29 日). 「金属材料の動的再結晶化現象のレビュー」. Materials and Design . 111 : 548–574. doi :10.1016/j.matdes.2016.09.012 – Elsevier Science Direct 経由.
- ^ ab Martorano, MA; Padilha, AF (2008 年 9 月 1 日). 「幾何学的動的再結晶化中の粒界移動のモデリング」. Philosophical Magazine Letters . 88 (9–10): 725–734. doi :10.1080/09500830802286951. ISSN 0950-0839.
- ^ パリ、ルイージ・デ;ミシオレク、ヴォイチェフ Z. (2008 年 12 月 1 日)。 「熱間圧延中のAA6061の表面結晶粒構造の進化の理論的予測と実験的検証」。アクタ・マテリアリア。56 (20): 6174–6185。土井：10.1016/j.actamat.2008.08.050。ISSN 1359-6454。
- ^ Pettersen, Tanja; Nes, Erik (2003 年 12 月 1 日)。「アルミニウムのねじり変形時の大きなひずみに対するひずみ軟化の起源について」。Metallurgical and Materials Transactions A 。34 ( 12): 2727–2736。doi : 10.1007 /s11661-003-0174-1。ISSN 1543-1940 。
- ^ グルデ、S.;モンタイエ、F. (2003 年 5 月 23 日)。 「連続動的再結晶のモデル」。アクタ・マテリアリア。51 (9): 2685–2699。土居：10.1016/S1359-6454(03)00078-8。ISSN 1359-6454。
- ^ Ponge, D.; Gottstein, G. (1998 年 12 月 18 日). 「動的再結晶化中のネックレス形成: メカニズムと流動挙動への影響」. Acta Materialia . 46 :69–80. doi :10.1016/S1359-6454(97)00233-4 – Elsevier Science Direct 経由.