热加工的晶粒组织预测：铝合金微观世界的 “温度与变形游戏”

双层组织与高温“蜕变”

6061合金挤压圆棒常常会呈现出双层组织（如图（a））：外层是再结晶组织，内部或中心层则是“未完全再结晶组织”。如果对内部的未完全再结晶区域进行高温加热，当加热温度超过该区域的再结晶温度时，这些“未再结晶的组织”就有可能“蜕变”为再结晶组织。

不过，这种“蜕变”往往会产生粗大晶粒——因为晶粒内部残留的加工量（位错/差排）非常少，相当于“再结晶的驱动力不足”，只能让少数晶核慢慢长大，最终形成大晶粒。比如图（a）的材料经过“530℃保温 + 水淬”的固溶处理后，内部的未完全再结晶组织就变成了粗大的再结晶晶粒（图（b））。

晶粒大小的“梯度密码”

上图展示了再结晶区域的晶粒大小分布：越靠近圆棒外围，再结晶晶粒越细。这背后的逻辑很简单——外围的有效加工量更大（变形更充分，位错积累更多），所以再结晶时晶核多、晶粒小；而中心加工量小，晶核少，晶粒就容易长大。

复杂的温度“迷宫”

热加工时的温度变化，远比上图展现的更复杂。因为热加工过程中：

• 工件变形会瞬间产热（变形热）；
• 模具、工具（比如辊轮）会“吸走”工件的热量；
• 模具自身也有温度，会和工件进行热交换。

这些因素叠加，导致工件每个位置的温度都可能不同。因此，挤压出的晶粒形态，有时和上面两图的理想情况有差异。

上图右图用示意图解释了这种复杂性：

• 灰色区是再结晶区域，白色区是未再结晶区域；
• 黑色实线是“不同位置的再结晶温度”（心部再结晶温度高，表面低）；
• 黑色虚线是“不同位置的实际温度”（因为盛锭管温度低、挤压速度慢，圆棒表面/次表面温度会大幅下降）。

总结起来：某个位置的温度＞该位置的再结晶温度，就会产生再结晶组织；反之则是未完全再结晶组织。

完全再结晶的“触发条件”

热加工铝合金时，也有可能让所有区域都发生再结晶。以挤压工艺为例，只要满足以下任一条件，通常会得到“完全再结晶”甚至“细晶组织”：

• 挤压比足够大（加工量足，位错积累多，再结晶驱动力强）；
• 挤压速度足够快（变形热多，温度高，利于再结晶）；
• 合金元素/弥散相少（弥散体少，对晶界移动的阻碍小，再结晶容易进行）。

像6063、6005，或是6061 - T5、T6的挤压材料，一般都是“热加工再结晶组织”，而且大概率是细晶（如下图）。

简单来说，热加工铝合金的晶粒组织，就像一场“温度与变形的游戏”：加工量、温度分布、合金元素共同决定了“哪些区域会再结晶，晶粒是粗还是细”。