Modeling static recrystallization in metallic materials

Abstract

This work presents a model to describe the recrystallization behavior of metallic materials. A physical model describing the process of recrystallization in terms of nucleation and growth is developed. The nucleation of recrystallization is calculated using models for subgrain evolution, dislocation kinetics and geometrical topological aspects. The growth is modelled with the help of driving pressures and grain boundary mobilities. The important influence factors on recrystallization such as temperature, strain rate, strain, composition of the material and initial grain size are described consistently by the model presented. The interactions of the generated recrystallization model with the precipitation kinetics, which are broadly represented by the thermokinetic software tool MatCalc, are particularly noteworthy. With the help of this interaction, recrystallization stop temperatures can be precisely described by interactions between grain boundaries and precipitates. With the help of a sophisticated physical approach to grain boundary mobility, which describes both the influences of precipitates and dissolved atoms, technical alloys in their microstructure evolution can also be represented within the developed model with a single set of input parameters. The results of the model are compared with numerous experiments from literature, whereby an excellent agreement between simulation and experiment can be observed.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Rekristallisationsverhalten von metallischen Werkstoffen vorgestellt. Dabei wird ein physikalisches Modell, welches den Vorgang der Rekristallisation in Begrifflichkeiten der Nukleation und des Wachstums beschreibt, entwickelt. Die Nukleation der Rekristallisation wird mit Hilfe der Subkornevolution, Versetzungskinetik und unter geometrisch-topologischen Aspekten berechnet. Das Wachstum wird mit Hilfe von Treibkräften und Korngrenzenmobilitäten modelliert. Die wichtigen Einflüsse auf die Rekristallisation wie die Temperatur, die Dehnrate, die Dehnung, die Zusammensetzung des Materials sowie die Anfangskorngröße werden von dem vorgestellten Modell in logischer Art und Weise beschrieben. Besonders hervorzuheben ist die Wechselwirkungen des erstellten Rekristallisationsmodells mit der Ausscheidungskinetik, welche durch das thermokinetische Softwaretool MatCalc breitgestellt wird. Durch diese Interaktion lassen sich Rekristallisationsstoptemperaturen durch Wechselwirkungen zwischen Korngrenzen und Ausscheidungen genau beschreiben. Mit Hilfe eines ausgeklügelten physikalischen Ansatzes für die Korngrenzenmobilitäten, welche sowohl die Einflüsse der Ausscheidungen als auch die der gelösten Atome beschreibt, können auch technische Legierungen in ihrer Mikrostrukturevolution mit einem unveränderten Set an Inputparametern von dem vorgestellten Modell abgebildet werden. Die Ergebnisse des Modells werden mit zahlreichen Experimenten aus der Literatur verglichen, wobei eine exzellente Übereinstimmung zwischen den Simulationen und Experimenten festgestellt werden kann.