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【摘 要】综述了再结晶织构方面的研究现状，介绍了再结晶织构形成机理的几种常见观点；描述了再结晶形成机理的特点和不足，提出再结晶织构研究的发展趋势。
【关键词】再结晶；织构形成；机理
Progress recrystallization texture formation mechanism of structure
Wei Cheng-yang
（Guangdong Zhaoqing quality measurement supervision and inspection Zhaoqing Guangdong 526060）
【Abstract】Reviewed the research status of recrystallization texture aspects introduced recrystallization texture formation mechanism of several common viewpoint； describe the characteristics and shortcomings of the formation mechanism of recrystallization， recrystallization texture proposed research trends.
【Key words】Recrystallization；Textures；Mechanism
1. 前言
（1）再结晶退火是金属材料加工与制备过程中调控材料塑性加工后微观组织与性能的常用手段，也是优化晶体学织构以进一步提高材料力学及物理性能的极为重要的工艺环节。经过长期的实验研究，人们对于再结晶过程微观组织和织构演变的基本规律有了比较充分的认识，但与再结晶织构相关的机理研究却明显滞后，尚未形成系统成熟的理论。
（2）由于再结晶织构的演变较为复杂，且受到多种因素的综合影响，其相关机理一直是再结晶理论研究的重点和难点之一。从上世纪50年代开始，人们就已经尝试从形核和晶核长大过程中取向变化的角度来探讨再结晶织构的形成机理。迄今为止，所形成的理论主要有定向形核（Oriented nucleation，简称ON）理论、选择长大（也称定向长大，Oriented growth，简称OG）理论、取向钉扎（Orientation pinning，简称OP）理论和应变储能最大弛豫（Strain energy release maximization， 简称SERM）理论。本文主要介绍以上几种形成机理以及研究发展趋势。
2. 定向形核理论
2.1 定向形核的核心思想是，具有主要再结晶织构组分的那部分晶粒的形核率明显高于其它取向晶粒[1]。该理论最早于上世纪70年代由Dillamore和Katoh[2]提出。他们在研究多晶铁压缩过程中取向变化及其与再结晶织构的关系时提出一种模型（即Dillamore-Katoh模型），并基于该模型解释了过渡带（Transition band）内有利于形核且晶核取向与基体取向相近的现象。该模型所描述的定向形核机制在立方金属的研究中得到大量实验证实[3，4]。例如，Hjelen等[4]用EBSD在冷轧铝的退火中观察到的立方取向晶核分布在狭长过渡带内。后来，人们将形核时出现择优取向的现象都归纳为定向形核理论描述的范围，该理论所描述的形核位置也不再局限于过渡带[5，6]。例如，冷轧铝退火过程中观察到立方织构晶粒优先在立方带内形成[5]；高温变形铝在退火过程中形成的立方织构起源于变形组织中的立方取向成分[6]。
2.2 尽管定向形核理论较好地描述了退火过程中某些再结晶织构的形成过程，但人们也在实验中观察到一些难以用该理论解释的现象：
（1） 具有高形核率的取向不是最终再结晶织构主要组分；形变FCC金属在形核时在立方带内除了容易形成C取向晶核外，还能形成相当多的旋转立方取向晶核，但完全再结晶后该组分的强度却很低[7]。
（2） 同种材料变形量不同，形核时在剪切带附近形成的晶核取向有很大差异；例如，在冷轧铝中，经过中等变形的材料容易在剪切带附近形成Q取向的晶核，而经过大变形量的材料则容易形成G取向的晶核。
（3） 在有些形变材料内的同一形核区域附近将形成具有完全不同于变形基体取向的新晶粒[8]。
2.3 从再结晶织构演变的整体规律上看，定向形核理论还不能全面描述再结晶织构的形成机理。该理论是对大量实验数据进行分析后总结出的再结晶机理，还处于基于实验数据的经验性分析阶段。近年来，EBSD等试验技术的发展为进一步探索定向形核的物理本质提供了更好的条件。
3. 选择长大理论
3.1 选择长大理论最先由Lücke及其合作者[9]给出较为完整的描述，其核心是：变形金属形核时存在大量具有不同取向的晶核，但只有那些与基体构成特定取向关系的晶核才能获得高迁移率而快速长大，最终形成再结晶织构。大量实验结果的统计分析表明，具有高迁移率的晶界的两侧晶粒间取向关系随材料的晶体结构而变化[10，11]：FCC金属为40°<111>；体心立方（BCC）金属为27°<110>；密排六方（HCP）金属为30°<0001>。根据选择长大理论，再结晶织构组分与形变基体的某些织构组分间也应该满足上述取向关系，已得到大量实验的验证[12]。
3.2 选择长大理论不能完全解释再结晶织构的形成。该理论存在的主要问题有：
（1） 其它影响因素也能导致晶界具有高迁移率。例如，第二相粒子的不均匀分布导致了局部区域的晶粒长大速度很快，前面一节中提到的第二相粒子诱发异常晶粒长大就是一个典型例子。
（2） 准确满足选择长大理论的再结晶织构组分在体系中的含量很少，长大晶粒与变形基体间取向关系常常只能近似地满足某种特定关系，而且具有一定的分布范围[13，14]。例如，Zhang等[14]用EBSD研究了冷轧纯镍的再结晶行为，发现C取向晶粒的长大速度明显高于其它晶粒，但围绕该取向晶粒的满足40 到60 <111>之间取向关系的晶界都具有较高的迁移速度。 （3） 具有选择长大理论描述的取向关系特征的晶界并不一定都具有高迁移率。Lücke等[9]发现C取向和S取向之间的8种等效取向关系（40 <111>关系）中只有一种具有高迁移率；Hjelen等[3]研究结果则表明满足40 <111>取向关系的倾斜晶界具有高迁移率，而同样具有该取向关系的扭转晶界却不具有高迁移率。
4. 其它理论
定向形核理论和选择长大理论都有科学性和局限性。虽然人们仍利用EBSD等检测技术在微米尺度上争论定向形核理论和选择长大理论的合理性，但过分偏重定向形核理论或选择长大理论都没有充分的理论和实验根据[15]。目前，人们比较认可的观点是，再结晶过程中定向形核和选择长大之间存在密切的关联性和互补性，再结晶织构形成与二者均有关系[16]。然而，也有人（如文献[17]）认为，再结晶过程中有些晶粒的长大行为，这种综合理论也不适用，例如对于立方取向晶粒的长大，有时测得立方取向晶粒始终大于其它取向晶粒[18]，而有时却发现不同取向晶粒间的尺寸没有明显差异。鉴于此，研究者基于再结晶过程的一些现象提出了其它理论，如取向钉扎理论[19]和应变储能最大弛豫理论[20]。
4.1 取向钉扎理论。
（1）取向钉扎理论最先由Juul Jensen[19]提出，后来Dalland和Nes[21]也提出了类似的理论。该理论认为，再结晶晶粒在长大过程中会遇到多种取向的变形基体，晶粒长大是多种取向关系共同作用的结果。根据该理论，立方取向晶粒在长大过程中基本上不会与其取向相近的晶粒相遇，因此它与周围晶粒的取向差较大，从而具有较快的长大速度；然而，其它晶粒（特别是取向与变形基体相近的晶粒）在长大过程中经常与其取向相近的晶粒相遇，长大速度较慢；最终，在退火后表现出以立方织构为主的再结晶织构。
（2）再结晶过程中的取向钉扎现象多次在实验中得到证实[17，18]。例如，杨平[17]研究了轧制Al-Mn合金再结晶过程中立方织构的形成，发现轧制后过饱和单相合金的退火过程中，存在立方取向晶粒和晶界上形成的Bs取向或R取向晶粒长大的竞争，立方取向晶粒的长大速度大于其它取向晶粒的情况是取向钉扎的结果。然而，正如Engler[22]指出的，取向钉扎理论本质上只是描述了一种特定的选择长大现象，它能够解释经不同加工和退火后某些特定取向晶粒在尺寸上的差异，但它还难以解释材料内几种再结晶织构组分在强度上的差别。
4.2 应变储能最大弛豫理论。
1995年Lee[20]基于再结晶过程中体系内绝对值最大的法向应力变化规律提出了应变储能最大弛豫理论。该理论认为，再结晶织构的形成与体系内因各向异性的位错密度造成的应力定向分布有关，当再结晶晶粒最小弹性模量方向与形变基体内绝对值最大的应力方向重合时，释放出的应变储能最大，此时提供给再结晶的驱动力也就最大，这类再结晶晶粒快速长大，最终形成与形变基体构成特定取向关系的再结晶织构。Lee及其合作者[23]利用该理论解释了经不同变形方式变形后材料的退火过程中再结晶织构的形成过程。
参考文献
[1] Doherty R.D.， Hughes D.A.， Humphreys F.J.， et al. Materials Science and Engineering A， 1997， 238（2）： 219～274.
[2] Dillamore I.L.， Katoh H. Metal Science， 1974， 8（1）： 73～83.
[3] Hjelen J.， rsund R.， Nes E. Acta Metallurgica et Materialia， 1991， 39（7）： 1377～1404.
[4] Inokuti Y.， Doherty R.D. Acta Metallurgica， 1978， 26（1）： 61～80.
[5] Engler O.， Vatne H.， Nes E. Materials Science and Engineering A， 1996， 205（1）： 187～198.
[6] 毛卫民. 科学通报， 1992， 37（2）： 176～178.Vatne H.E.， Furu T.， Orsund R.， et al. Acta Materialia， 1996， 44（11）： 4463～4473.
[7] Engler O. Materials Science and Technology， 1996， 12（10）： 859～872.
[8] Hansen N.， Juul Jensen D. Materials Science and Technology， 2011， 27（8）： 1229～1240.
[9] Lü cke K.， Rixen R.， Senna M. Acta Metallurgica， 1976， 24（2）： 103～110.Dons A.L.， Nes E. Materials Science and Technology， 1986， 2（1）： 8～18.
[10] Hirsch J.， Lücke K. Acta Metallurgica， 1985， 33（10）： 1927～1938.
[11] Molodov D.A.， Czubayko U.， Gottstein G.， et al. Scripta Metallurgica et Materialia， 1995， 32（4）： 529～534.
[12] Liu W.C.， Morris J.G. Metallurgical and Materials Transactions A， 2005， 36（10）： 2829～2848.
[13] Kronberg M.L.， Wilson F.H. Transactions of the Metallurgical Society of AIME， 1949， 185： 501～514.
[14] Zhang Y.， Godfrey A.， Liu Q.， et al. Acta Materialia， 2009， 57（9）： 2631～2639.
[15] Humphreys F.J.， Hatherly M. Oxford： Pergamon Press， 2004.
[16] Nes E.， Solberg J.K. Materials Science and Technology， 1986， 2（1）： 19～21.
[17] 杨平. 金属学报， 1999， 35（3）： 225～231.
[18] Juul Jensen D.， Hansen N.， Humphreys F.J. Acta Metallurgica， 1985， 33（12）： 2155～2162.
[19] Juul Jensen D. Acta Metallurgica et Materialia， 1995， 43（11）： 4117～4129.
[20] Lee D.N. Scripta Metallurgica et Materialia， 1995， 32（10）： 1689～1694.
[21] Dalland O.， Nes E. Acta Materialia， 1996， 44（4）： 1389～1411.
[22] Engler O. Acta Materialia， 1998， 46（5）： 1555～1568.
[23] Lee D.N. Metals and Materials International， 1999， 5（5）： 401～417.
【关键词】再结晶；织构形成；机理
Progress recrystallization texture formation mechanism of structure
Wei Cheng-yang
（Guangdong Zhaoqing quality measurement supervision and inspection Zhaoqing Guangdong 526060）
【Abstract】Reviewed the research status of recrystallization texture aspects introduced recrystallization texture formation mechanism of several common viewpoint； describe the characteristics and shortcomings of the formation mechanism of recrystallization， recrystallization texture proposed research trends.
【Key words】Recrystallization；Textures；Mechanism
1. 前言
（1）再结晶退火是金属材料加工与制备过程中调控材料塑性加工后微观组织与性能的常用手段，也是优化晶体学织构以进一步提高材料力学及物理性能的极为重要的工艺环节。经过长期的实验研究，人们对于再结晶过程微观组织和织构演变的基本规律有了比较充分的认识，但与再结晶织构相关的机理研究却明显滞后，尚未形成系统成熟的理论。
（2）由于再结晶织构的演变较为复杂，且受到多种因素的综合影响，其相关机理一直是再结晶理论研究的重点和难点之一。从上世纪50年代开始，人们就已经尝试从形核和晶核长大过程中取向变化的角度来探讨再结晶织构的形成机理。迄今为止，所形成的理论主要有定向形核（Oriented nucleation，简称ON）理论、选择长大（也称定向长大，Oriented growth，简称OG）理论、取向钉扎（Orientation pinning，简称OP）理论和应变储能最大弛豫（Strain energy release maximization， 简称SERM）理论。本文主要介绍以上几种形成机理以及研究发展趋势。
2. 定向形核理论
2.1 定向形核的核心思想是，具有主要再结晶织构组分的那部分晶粒的形核率明显高于其它取向晶粒[1]。该理论最早于上世纪70年代由Dillamore和Katoh[2]提出。他们在研究多晶铁压缩过程中取向变化及其与再结晶织构的关系时提出一种模型（即Dillamore-Katoh模型），并基于该模型解释了过渡带（Transition band）内有利于形核且晶核取向与基体取向相近的现象。该模型所描述的定向形核机制在立方金属的研究中得到大量实验证实[3，4]。例如，Hjelen等[4]用EBSD在冷轧铝的退火中观察到的立方取向晶核分布在狭长过渡带内。后来，人们将形核时出现择优取向的现象都归纳为定向形核理论描述的范围，该理论所描述的形核位置也不再局限于过渡带[5，6]。例如，冷轧铝退火过程中观察到立方织构晶粒优先在立方带内形成[5]；高温变形铝在退火过程中形成的立方织构起源于变形组织中的立方取向成分[6]。
2.2 尽管定向形核理论较好地描述了退火过程中某些再结晶织构的形成过程，但人们也在实验中观察到一些难以用该理论解释的现象：
（1） 具有高形核率的取向不是最终再结晶织构主要组分；形变FCC金属在形核时在立方带内除了容易形成C取向晶核外，还能形成相当多的旋转立方取向晶核，但完全再结晶后该组分的强度却很低[7]。
（2） 同种材料变形量不同，形核时在剪切带附近形成的晶核取向有很大差异；例如，在冷轧铝中，经过中等变形的材料容易在剪切带附近形成Q取向的晶核，而经过大变形量的材料则容易形成G取向的晶核。
（3） 在有些形变材料内的同一形核区域附近将形成具有完全不同于变形基体取向的新晶粒[8]。
2.3 从再结晶织构演变的整体规律上看，定向形核理论还不能全面描述再结晶织构的形成机理。该理论是对大量实验数据进行分析后总结出的再结晶机理，还处于基于实验数据的经验性分析阶段。近年来，EBSD等试验技术的发展为进一步探索定向形核的物理本质提供了更好的条件。
3. 选择长大理论
3.1 选择长大理论最先由Lücke及其合作者[9]给出较为完整的描述，其核心是：变形金属形核时存在大量具有不同取向的晶核，但只有那些与基体构成特定取向关系的晶核才能获得高迁移率而快速长大，最终形成再结晶织构。大量实验结果的统计分析表明，具有高迁移率的晶界的两侧晶粒间取向关系随材料的晶体结构而变化[10，11]：FCC金属为40°<111>；体心立方（BCC）金属为27°<110>；密排六方（HCP）金属为30°<0001>。根据选择长大理论，再结晶织构组分与形变基体的某些织构组分间也应该满足上述取向关系，已得到大量实验的验证[12]。
3.2 选择长大理论不能完全解释再结晶织构的形成。该理论存在的主要问题有：
（1） 其它影响因素也能导致晶界具有高迁移率。例如，第二相粒子的不均匀分布导致了局部区域的晶粒长大速度很快，前面一节中提到的第二相粒子诱发异常晶粒长大就是一个典型例子。
（2） 准确满足选择长大理论的再结晶织构组分在体系中的含量很少，长大晶粒与变形基体间取向关系常常只能近似地满足某种特定关系，而且具有一定的分布范围[13，14]。例如，Zhang等[14]用EBSD研究了冷轧纯镍的再结晶行为，发现C取向晶粒的长大速度明显高于其它晶粒，但围绕该取向晶粒的满足40 到60 <111>之间取向关系的晶界都具有较高的迁移速度。 （3） 具有选择长大理论描述的取向关系特征的晶界并不一定都具有高迁移率。Lücke等[9]发现C取向和S取向之间的8种等效取向关系（40 <111>关系）中只有一种具有高迁移率；Hjelen等[3]研究结果则表明满足40 <111>取向关系的倾斜晶界具有高迁移率，而同样具有该取向关系的扭转晶界却不具有高迁移率。
4. 其它理论
定向形核理论和选择长大理论都有科学性和局限性。虽然人们仍利用EBSD等检测技术在微米尺度上争论定向形核理论和选择长大理论的合理性，但过分偏重定向形核理论或选择长大理论都没有充分的理论和实验根据[15]。目前，人们比较认可的观点是，再结晶过程中定向形核和选择长大之间存在密切的关联性和互补性，再结晶织构形成与二者均有关系[16]。然而，也有人（如文献[17]）认为，再结晶过程中有些晶粒的长大行为，这种综合理论也不适用，例如对于立方取向晶粒的长大，有时测得立方取向晶粒始终大于其它取向晶粒[18]，而有时却发现不同取向晶粒间的尺寸没有明显差异。鉴于此，研究者基于再结晶过程的一些现象提出了其它理论，如取向钉扎理论[19]和应变储能最大弛豫理论[20]。
4.1 取向钉扎理论。
（1）取向钉扎理论最先由Juul Jensen[19]提出，后来Dalland和Nes[21]也提出了类似的理论。该理论认为，再结晶晶粒在长大过程中会遇到多种取向的变形基体，晶粒长大是多种取向关系共同作用的结果。根据该理论，立方取向晶粒在长大过程中基本上不会与其取向相近的晶粒相遇，因此它与周围晶粒的取向差较大，从而具有较快的长大速度；然而，其它晶粒（特别是取向与变形基体相近的晶粒）在长大过程中经常与其取向相近的晶粒相遇，长大速度较慢；最终，在退火后表现出以立方织构为主的再结晶织构。
（2）再结晶过程中的取向钉扎现象多次在实验中得到证实[17，18]。例如，杨平[17]研究了轧制Al-Mn合金再结晶过程中立方织构的形成，发现轧制后过饱和单相合金的退火过程中，存在立方取向晶粒和晶界上形成的Bs取向或R取向晶粒长大的竞争，立方取向晶粒的长大速度大于其它取向晶粒的情况是取向钉扎的结果。然而，正如Engler[22]指出的，取向钉扎理论本质上只是描述了一种特定的选择长大现象，它能够解释经不同加工和退火后某些特定取向晶粒在尺寸上的差异，但它还难以解释材料内几种再结晶织构组分在强度上的差别。
4.2 应变储能最大弛豫理论。
1995年Lee[20]基于再结晶过程中体系内绝对值最大的法向应力变化规律提出了应变储能最大弛豫理论。该理论认为，再结晶织构的形成与体系内因各向异性的位错密度造成的应力定向分布有关，当再结晶晶粒最小弹性模量方向与形变基体内绝对值最大的应力方向重合时，释放出的应变储能最大，此时提供给再结晶的驱动力也就最大，这类再结晶晶粒快速长大，最终形成与形变基体构成特定取向关系的再结晶织构。Lee及其合作者[23]利用该理论解释了经不同变形方式变形后材料的退火过程中再结晶织构的形成过程。
参考文献
[1] Doherty R.D.， Hughes D.A.， Humphreys F.J.， et al. Materials Science and Engineering A， 1997， 238（2）： 219～274.
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