南京理工&西工大 | IJMS | 三变量位错模型精准描述CoCrFeMnNiCo₀.₅合金动态回复与再结晶竞争

本文的核心创新在于构建了一个耦合微观机制的两相物理本构模型，将高熵合金的加工硬化分为不同阶段，并借助修正的 Mori-Tanaka 方法，通过引入宏观塑性理论计算非弹性应变，替代了传统的各相平均方法，从而更精确地捕捉了热变形后期由于动态再结晶导致的宏观力学响应。

图1：该图展示了一个典型的高熵合金真应力-真应变曲线（黑色实线）及其对应的加工硬化率变化曲线（红色虚线）。作者将曲线划分为五个阶段（Stage 0-IV）：弹性段（0）、高硬化速率且几乎与速率无关的位错增殖段（I）、硬化率近似恒定的段（II）、动态回复与再结晶导致硬化率显著下降的段（III）以及硬化、回复与再结晶达到动态平衡的饱和段（IV）。

图2：此图清晰地展示了本构模型的跨尺度框架。从宏观的代表性体积单元，到介观的单晶微观结构，最后聚焦于由高密度位错胞壁（硬相）和低位错密度胞内（软相）构成的两相胞状结构。图中标注了胞壁的体积分数 fw和胞内的体积分数1−fw，直观地体现了将晶体材料视为复合材料的基本假设。

图3：该图展示了模型仿真结果（实线）与实验数据（虚线）在不同应变速率（1， 0.1， 0.01， 0.001 s⁻¹）及不同温度下的对比。图3(a)为700°C和800°C，图3(b)为900°C和1000°C。结果表明，模型在整个温度及应变速率范围内均能合理描述CoCrFeMnNiCo₀.₅高熵合金的加工硬化行为，尤其在捕捉硬化率随温度升高、应变速率降低而下降的趋势上表现优异。

图4：此图探讨了胞壁体积分数演化参数 bf对应力-应变曲线的影响。以700°C、1 s⁻¹应变速率为例，对比了值为1、1×10⁻¹和1×10⁻³时的仿真曲线。结果显示，bf值越小，胞壁体积分数增长越慢，从而显著降低了第II硬化阶段的加工硬化率，表明胞壁的演化速率对材料宏观硬化行为具有重要影响。

图6：该图分析了再结晶参数对加工硬化行为的影响。图6(a)显示，在固定参考位错密度 ρref时，随着再结晶系数 rc 的增加，再结晶软化效应显著增强，导致峰值应力降低且第II阶段缩短。图6(b)显示，在固定rc时，降低 ρref意味着再结晶在更低位错密度下被激活，同样导致明显的应力软化现象。这验证了模型能有效描述再结晶的强度与持续时间。