[论文解读] Orientation dependent pinning of (sub)grains by dispersoids during recovery and recrystallization in an Al-Mn alloy

Håkon Wiik Ånes, Antonius T. J. van Helvoort+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Aluminum Alloy Microstructure Properties被引用 4

一句话总结

本研究通过直接关联冷轧非等温退火Al-Mn合金中的（亚）晶粒与弥散质点，揭示了回复与再结晶过程中取向依赖的钉扎行为。结果表明，由于弥散质点密度更高，Cube（立方）（亚）晶粒所受Smith-Zener拖曳力强于P或CubeND（立方-非对称）（亚）晶粒，从而解释了在同时析出条件下P与CubeND织构取代通常更受青睐的Cube织构的原因。

ABSTRACT

The recrystallized grain size and texture in alloys can be controlled via the microchemistry state during thermomechanical processing. The influence of concurrent precipitation on recovery and recrystallization is here analyzed by directly correlating (sub)grains of P, CubeND or Cube orientation with second-phase particles in a cold-rolled and non-isothermally annealed Al-Mn alloy. The recrystallized state is dominated by coarse elongated grains with a strong P, weaker CubeND and even weaker Cube texture. The correlated data enables orientation dependent quantification of the density and size of dispersoids on sub-boundaries and subgrains in the deformation zones around large constituent particles. A new modified expression for the Smith-Zener drag from dispersoids on sub-boundaries is derived and used. The results show that the drag on (sub)grain boundaries from dispersoids is orientation dependent, with Cube subgrains experiencing the highest drag after recovery and partial recrystallization. The often observed size advantage of Cube subgrains in Al alloys is not realized due to the increased drag, thereby promoting particle-stimulated nucleation (PSN). Relatively fewer and larger dispersoids in deformation zones around large particles give a reduced Smith-Zener drag on PSN nuclei, thus further strengthening the effect of PSN. Observations substantiating the stronger P texture compared to the CubeND texture are a higher frequency of P subgrains and a faster growth of these subgrains. The applied methodology enables a better understanding of the mechanisms behind the orientation dependent nucleation and growth behavior during recovery and recrystallization with strong concurrent precipitation in Al-Mn alloys. In particular, the methodology gives new insights into the strong P and CubeND textures compared to the Cube texture.

研究动机与目标

• 理解在同时析出条件下，Al-Mn合金中P与CubeND再结晶织构强烈形成背后的机制。
• 量化弥散质点在回复与再结晶过程中对不同取向（亚）晶粒界面的取向依赖性影响。
• 研究在非等温退火与同时析出条件下，为何通常更受青睐的Cube织构被抑制，转而形成P与CubeND织构。
• 评估粒子促进形核（PSN）与改进的Smith-Zener拖曳模型在织构演化中的作用。
• 通过先进显微与分析技术，建立（亚）晶粒与弥散质点之间的直接空间关联。

提出的方法

• 一种新颖的直接关联方法结合电子背散射衍射（EBSD）用于（亚）晶粒取向测绘，以及背散射电子（BSE）成像以精确定位弥散质点与析出相粒子。
• 研究分析了在非等温退火后冷轧Al-Mn合金中，大析出相粒子周围变形区内的（亚）晶粒，以及弥散质点在（亚）晶粒界面上的分布。
• 推导并应用了改进的Smith-Zener拖曳表达式，以量化不同取向（亚）晶粒界面上的钉扎力。
• 通过统计分析比较了P、CubeND与Cube（亚）晶粒在回复与再结晶不同阶段的弥散质点密度、尺寸与分布。
• 该方法实现了对不同晶体学取向（亚）晶粒形核与生长行为的定量比较。
• 数据处理使用MTEX、ImageJ与Jupyter笔记本完成，所有代码与数据集均公开可获取。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在同时析出条件下，Al-Mn合金中P织构强于Cube织构，尽管Cube（亚）晶粒通常具有尺寸优势？
• RQ2 在回复与再结晶过程中，P、CubeND与Cube（亚）晶粒界面上弥散质点的分布与尺寸如何变化？
• RQ3 改进的Smith-Zener拖曳模型在多大程度上能够解释弥散质点对（亚）晶粒的取向依赖性钉扎行为？
• RQ4 大析出相粒子周围变形区在降低弥散质点钉扎作用方面，如何促进粒子促进形核（PSN）？
• RQ5 为何再结晶后P晶粒界面上的弥散质点密度显著低于CubeND与Cube晶粒，这一现象如何影响织构演化？

主要发现

• 在回复与部分再结晶后，由于边界上弥散质点密度更高，Cube（亚）晶粒所受Smith-Zener拖曳力最大，抑制了其生长，同时促进了粒子促进形核（PSN）。
• P织构强于Cube织构并非由于尺寸优势，而是因为P（亚）晶粒频率更高，且在回复与再结晶阶段具有更快的生长速率。
• 大析出相粒子周围的变形区中弥散质点数量更少、尺寸更大，导致对PSN形核体的Smith-Zener拖曳力降低，从而增强了PSN效应。
• P与CubeND织构之间唯一的显著差异在于再结晶P晶粒边界上的弥散质点密度低于CubeND晶粒，尽管此结论仍需进一步统计验证。
• 改进的Smith-Zener拖曳表达式成功捕捉了取向依赖性钉扎行为，解释了在同时析出条件下，为何Cube织构被P与CubeND织构所取代。
• 直接的EBSD-BSE关联方法为理解Al-Mn合金在回复与再结晶过程中微化学与微结构演化的相互作用，提供了前所未有的定量洞察。