Рекристаллизационный отжиг металла

6.

Установлению закономерностей образования TP мешала также низкая и в

большинстве случаев неконтролируемая чистота материала.

Теперь известно и далее будет показано, что малые примеси могут

существенно влиять на TP, в частности на образование текстуры куба в

ряде металлов и сплавов с г.ц.к. решеткой (Cu, Ni, Au, Ag) при содержании

примесей < (5…10) * 10-3 % (ат).

Чувствительность текстуры куба к малым добавкам видна из следующего

примера. Введение в Cu 0,2 % Аl благоприятствует образованию текстуры

куба, а введение в Cu 0,0025 % (ат.) фосфора ее подавляет.

Нестабильность и противоречивость результатов ранних исследований во

многом связаны с отмеченной низкой чувствительностью методов.

Описание первичной рекристаллизации

Деформированный металл или свежий прокат переживает естественный процесс формирования ячеек с наиболее энергетически выгодными формами. Физическое воздействие смещает слои, при этом структура подвержена растяжению и, наоборот, сжатию в других точках. Этот дисбаланс склонен к возврату в естественное нормальное состояние. При комнатных температурах и минимальном нагреве эти события происходят с очень низкой скоростью, так как колебательных движений атомов недостаточно. Резкое ускорение возникает при увеличении внутренней энергии. Оптимальный показатель зависит от веса первичного элемента и степени связи с соседями, то есть от химического состава.

Прокатка

При прокатке зерна меняют свою форму и ориентировку. Они сплющиваются и вытягиваются в направлении прокатки. Возникает текстура деформации. Кроме того, в зернах повышается концентрация структурных несовершенств.

Такое состояние металла является метастабильным. Для перевода в более стабильное состояние металл нагревают.

При этом, в искаженных участках микроструктуры возникают и растут новые, неискаженные равноосные зерна. Это и есть первичная рекристаллизация.

Возникшие зерна значительно меньше по размерам, чем исходные. При дальнейшем нагреве эти зерна укрупняются. Происходит собирательная, либо вторичная рекристаллизация. (В фильме эти стадии не рассматриваются).

В целом, под рекристаллизацией понимают процесс замены одних зерен данной фазы, другими зернами той же фазы, с меньшей энергией.

Классификация текстур по характеру расположения решётки отдельных кристаллитов

Качественно вид текстуры определяется характером расположения решётки отдельных кристаллитов в поликристаллическом материале относительно внешних осей образца. Различают однокомпонентные, когда существует только одна группа кристаллитов в поликристалле, имеющая одну преимущественную ориентацию, и многокомпонентные текстуры, когда существует несколько групп кристаллитов, характеризующихся отличными ориентировками.

Выделяют аксиальную, плоскостную и полную текстуры.

Аксиальная текстура

Аксиальная текстура характеризуется наличием преимущественного кристаллографического направления — оси текстуры, совпадающего с внешним направлением образца. Кристаллическая решётка различных зёрен поликристаллического образца с некоторой вероятностью сонаправленна с каким-то кристаллографическим направлением.

Плоскости решётки, перпендикулярные оси текстуры, называют диатропными.

Аксиальная текстура бывает простая, когда ось текстуры совпадает с внешним направлением образца, и сложная. Последняя бывает нескольких видов:

Кольцевая — ось текстуры перпендикулярна внешнему направлению образца.
Спиральная текстура, при которой ось текстуры отклонена от продольной оси образца на небольшой угол.

Вассерман и Гревен приводят восемь теоретически возможных типов аксиальной текстуры, причем коническая текстура также отнесена к аксиальной.

Зарождение

Рекристаллизация металлического материала (a → b) и рост кристаллических зерен (b → c → d).

Исторически предполагалось, что скорость зарождения новых рекристаллизованных зерен будет определяться моделью тепловых флуктуаций, успешно применяемой для явлений затвердевания и преципитации . В этой теории предполагается, что в результате естественного движения атомов (которое увеличивается с температурой) в матрице спонтанно возникают небольшие ядра. Формирование этих ядер будет связано с потребностью в энергии из-за образования новой границы раздела и высвобождением энергии из-за образования нового объема материала с более низкой энергией. Если бы зародыши были больше некоторого критического радиуса, они были бы термодинамически стабильными и могли бы начать расти. Основная проблема этой теории состоит в том, что запасенная энергия из-за дислокаций очень мала (0,1-1 Дж · м -3 ), в то время как энергия межзеренной границы довольно высока (~ 0,5 Дж · м -2 ). Расчеты, основанные на этих значениях, показали, что наблюдаемая скорость нуклеации была выше расчетной в какой-то невероятно большой фактор (~ 10 50 ).

В результате альтернативная теория, предложенная Каном в 1949 году, теперь получила всеобщее признание. Рекристаллизованные зерна не зарождаются классическим способом, а скорее растут из уже существующих субзерен и ячеек. «Время инкубации» — это период восстановления, когда субзерна с малоугловыми границами (<1-2 °) начинают накапливать дислокации и становятся все более дезориентированными по отношению к своим соседям. Увеличение разориентации увеличивает подвижность границы, и, таким образом, скорость роста субзерен увеличивается. Если у одного субзерна в локальной области окажется преимущество перед своими соседями (например, локально высокая плотность дислокаций, больший размер или благоприятная ориентация), то это субзерно сможет расти быстрее, чем его конкуренты. По мере роста его граница становится все более дезориентированной по отношению к окружающему материалу, пока ее нельзя будет распознать как совершенно новое зерно без деформации.

Иллюстрация изменений на примере танталового сплава

Этот материал имеет очень характерные преображения при подобного рода манипуляциях, так как он достаточно широко востребован в протезировании, защите особо важных узлов конструкций от коррозии и влияния агрессивных сред. Мы выбрали его для визуализации типичных процессов.

Механическое воздействие формирует явно заметные зоны с нарушенной структурой. Эти участки из-за отсутствия устойчивых кристаллических связей активно вступают в химические реакции с большим спектром реагентов. Само изделие приобретает повышенную хрупкость и неоднородное внутреннее строение с четко определенными областями сдвига. При температурной обработке хаотичные области наполняются вновь инициированными образованиями до полного заполнения повреждений. Что и называется текстурной рекристаллизацией. При этом сплав проходит очень медленный путь до прежнего состояния. Остановка действия в определенный момент времени позволяет зафиксировать свойства. Обычно проводится до достижения наименьшей площади касания зерен. Такое положение характеризуется очень низкой склонностью к окислению, так как межатомные связи, существующие в упорядоченной структуре кристаллов, не позволяют взаимодействовать даже с очень сильными окислителями.

Коррозия и проводимость

Танталовый сплав наносится тонким слоем на поверхность несущей конструкции. При этом действии формируются зоны с аморфным или полуаморфным состоянием, которые являются особо опасными очагами окисления. Для устранения дефектов проводится кристаллизация и рекристаллизация. Все изделие нагревается и выдерживается так заданное время. Такая операция позволяет получить в проблемных местах правильную структуру. Геометрическая выверенность положения ядер в зернах, а также минимальные тепловые колебания обеспечивают беспрепятственный проход электронов под воздействием поля. Что позволяет резко сократить количество столкновений, а значит, и нагрев (сопротивление) материала. Чем крупнее образования, тем выше проводимость.

Методы оценки изменений

Для эксперимента был взят образец, деформированный в прокатном станке. Заготовка уменьшилась с пяти миллиметров до 1,2 мм. Это позволило получить характерные структурные нарушения. После этого проведена выдержка при температуре 1200 градусов по Цельсию в течение десяти минут и второго образца – 1350° за 240 мин. Оба лепестка отшлифованы, обезжирены и очищены. На них сформированы зоны доступа (чистым оставлена фиксированная площадь, все остальное изолировано). После этого были подвержены воздействию агрессивными растворами (серная кислота, плавиковая и как растворитель – метиловый спирт). Проведены катодная и анодная реакции с замером токов.

Микроструктуры и результаты

По данным, полученным при тестировании, можно сделать выводы:

Коррозийная поверхность деформированного образца заметно увеличилась за счет выработки легко реагирующих зон, не имеющих четко выраженной кристаллической структуры.
Фрагменты, предварительно прошедшие процедуру рекристаллизации, показали линейную реакцию на влияние и фактически равномерное взаимодействие во времени.
Второй образец с укрупненной кристаллической системой оказался наиболее устойчив как к анодному, так к катодному воздействию. При этом через заданный временной период поверхность сохранила равномерность без образования раковин и борозд.

Подробные выкладки и тонкости организации этого эксперимента можно найти в научных работах по металловедению. Там скрупулезно показаны все действия для достижения чистоты опыта и представлены отчеты в цифрах обо всех проведенных этапах.

Для бытового использования наиболее интересно знать, что такое температура рекристаллизации стали и чистых металлов, так как это позволяет посредством простых манипуляций кардинально изменить свойства предметов. Например, поменять параметры пружины, закалить или отпустить резец. Для закрепления материала посмотрите видео:

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис.11, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом) (механизм рассмотрен выше).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис.11, б).

Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

а) б)

Рисунок 11. Схема изменения микроструктуры металла при прокатке:

а) холодная пластическая деформация;

б) горячая пластическая деформация

Для каждого металла и сплава существует своя температурная область холодной и горячей обработки давлением. Пластическое деформирование железа при 600° С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400 °С — как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20° С выше температуры рекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют ненаклепываемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

При горячей обработке металла, чтобы увеличить его пластичность, а также чтобы устранить возможность наклепа, применяют температуры, значительно превосходящие минимальную температуру рекристаллизации.

Для отжига наклепанного материала в производственных условиях применяют более высокие температуры, чем минимальная температура рекристаллизации, для обеспечения большей скорости рекристаллизационных процессов. В табл.1 приведены теоретические температуры рекристаллизации, температуры, при которых в производственных условиях осуществляют рекристаллизационный отжиг, а также температуры горячей обработки давлением.

Рекристаллизационный отжиг чаще применяют как межоперационную термическую обработку при холодной прокатке, волочении, штамповке и т.д. (для снятия наклепа), а иногда как окончательную обработку для получения заданных свойств изделий и полуфабрикатов.

Таблица 1 — Температура рекристаллизации и горячей обработки

металлов давлением

Практический пример: значение скорости охлаждения для кристаллизации

В этом примере скорость охлаждения в конце процесса вызвала вторичное образование зародышей (зафиксировано зондом ParticleTrack с технологией FBRM), в результате чего образовалось множество мелких частиц. Это было обнаружено в режиме реального времени с помощью видеомикроскопа ParticleView с технологией PVM.

Увеличение скорости охлаждения раствора ведет к более быстрому пересыщению, в результате скорость образования зародышей кристаллов будет выше скорости их роста

Следовательно, чтобы получить нужное распределение кристаллов по размеру, чрезвычайно важно контролировать скорость охлаждения

Дисперсность кристаллов льда, например, влияет на вкус и консистенцию мороженого: так, кристаллы размером менее 50 мкм предпочтительнее кристаллов, которые больше 100 мкм. Она влияет и на технологические свойства распыляемых агрохимикатов: их частицы должны быть малы настолько, чтобы не засорять сопла при распылении, но при этом достаточно большими, чтобы их не уносило на соседние поля.

Прерывистая динамическая рекристаллизация

Прерывистая рекристаллизация неоднородна; есть четкие стадии зарождения и роста. Это обычное явление для материалов с низкой энергией дефекта упаковки. Затем происходит зародышеобразование, в результате чего образуются новые зерна без деформации, которые поглощают ранее существовавшие деформированные зерна. Это легче происходит на границах зерен, уменьшая размер зерна и тем самым увеличивая количество центров зародышеобразования. Это дополнительно увеличивает скорость прерывистой динамической рекристаллизации.

Прерывистая динамическая рекристаллизация имеет 5 основных характеристик:

Рекристаллизация не происходит, пока не будет достигнута пороговая деформация.
Кривая напряжения-деформации может иметь несколько пиков – универсального уравнения не существует.
Зарождение зародышей обычно происходит по уже существующим границам зерен.
Скорость рекристаллизации увеличивается с уменьшением исходного размера зерна.
Имеется постоянный размер зерна, который достигается по мере протекания рекристаллизации.

Прерывистая динамическая рекристаллизация вызвана взаимодействием деформационного упрочнения и восстановления. Если аннигиляция дислокаций происходит медленно по сравнению со скоростью, с которой они генерируются, дислокации накапливаются. После достижения критической плотности дислокаций зарождение происходит на границах зерен. Миграция границ зерен, или перенос атомов от большого ранее существовавшего зерна к меньшему ядру, позволяет расти новым ядрам за счет ранее существовавших зерен. Зарождение может происходить из-за вздутия существующих границ зерен. Выпуклость образуется, если субзерна, примыкающие к границе зерен, имеют разные размеры, вызывая несоответствие энергии от двух субзерен. Если балдж достигнет критического радиуса, он успешно перейдет в устойчивое зародыш и продолжит свой рост. Это можно смоделировать с помощью теорий Кана, относящихся к зарождению и росту.

Прерывистая динамическая рекристаллизация обычно дает микроструктуру “ожерелья”. Поскольку рост новых зерен энергетически выгоден по границам зерен, образование новых зерен и их вздутие предпочтительно происходит по уже существовавшим границам зерен. Это создает слои новых, очень мелких зерен вдоль границы зерен, первоначально не затрагивая внутреннюю часть ранее существовавшего зерна. По мере продолжения динамической рекристаллизации происходит поглощение нерекристаллизованной области. По мере продолжения деформации рекристаллизация не поддерживает когерентность между слоями новых зародышей, создавая случайную текстуру.

Рекристаллизация

Подробности Категория:

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

, процесс вторичной кристаллизации деформированных металлов при нагреве. Для рекристаллизации необходимы два условия: 1) состояние наклепа металла и 2) нагрев после наклепа. Технический металл в литом или отожженном (ненаклепанном) состоянии представляет собой некоторую массу кристаллов, по границам которых располагается т. н. межклеточное вещество, которое мешает кристаллам соприкасаться между собой. Кроме того, при кристаллизации сплава (переход из жидкого состояния в твердое) между кристаллами остаются некоторые промежутки — поры, незаполненные металлом (усадочные микропоры). Деформацией кристаллы металла разрушаются, разрывают оболочку из межклеточного вещества и частично соприкасаются чистыми изломами меж собой, уничтожая микропоры. При низкой температуре энергия атомов кристаллической решетки не может преодолеть сопротивления вязкости твердого металла, а потому деформированные кристаллы на холоде остаются раздробленными, но при повышении температуры начинается ориентация атомов разрушенной кристаллической решетки, и образовавшиеся кристаллы начинают расти за счет обломков прежних кристаллов до размеров, иногда значительно больших, чем первоначальные. Та низшая температура, при которой начинается этот процесс кристаллизации, и называется температура рекристаллизации.

Очевидно эта температура зависит от состояния и структуры рекристаллизующегося металла (чем больше имеется свежих стыков осколков кристаллов, чем тоньше, т. е. меньше межклеточного вещества в металле, иначе — чем он чище, тем ниже лежит начальная температура рекристаллизации), но в известном пределе эта температура является функцией только природы металла. А. А. Бочвар на основании некоторых теоретических выводов, подтвержденных рядом практических наблюдений, предлагает такую зависимость:

Ниже в таблице приведены температуры плавления и температуры рекристаллизации некоторых металлов по Бочвару.

По мере повышения нагрева процесс рекристаллизации идет быстрее. Из опыта найдено, что рост зерна кристалла тем больше, чем выше температура (при данной деформации) и чем слабее деформация (при данной температуре). Имеется некоторая «критическая» величина деформации (в пределах около 5%), вызывающая наибольший рост кристаллизации. Всякая прослойка, например, другая составляющая сплава, мешает росту кристаллов; например, феррит стали, содержащий до 0,10—0,12% С, способен к образованию больших кристаллов, а в стали с большим содержанием С (0,2— 0,3% и выше) перлитные островки мешают ему образовать крупные кристаллы. Крупнокристаллическое строение кристаллов вследствие рекристаллизации сообщает всякому металлу малое сопротивление удару, поэтому надо избегать при технологических процессах условий, вызывающих рост кристалла; как предупредительную меру против этого следует считать высокий нагрев, т. е. отжиг металла.

Структурные изменения металла при нагреве

Деформированный образец находится в неравновесном состоянии, поэтому необходима дальнейшая обработка при использовании повышенных температур. Данный метод позволяет перейти к равновесию за счет уменьшения искажений в решетке, а именно снятие напряжений для свободного перемещения атомов. В итоге при нагреве зарождаются и растут новые неискревленные кристаллиты исходной фазы. А это, в свою очередь, приводит к трансформации не только микроструктуры, но их свойств. После данных манипуляций происходит:

Резкое снижение прочности при одновременном увеличении пластичности.
Уменьшение сопротивления к электропроводности.
Повышение теплопроводности.

Данные параметры характерны для железа, в которых образовались маленького размера зерна. Для крупнозернистых материалов присущи высокие магнитные характеристики и физические качества начинают напоминать чугун.

Первичная рекристаллизация

Первичная рекристаллизация и рост зерен являются необратимыми процессами, включающими образование и дальнейшую миграцию внутренней поверхности раздела. Так или иначе, эти процессы являются однофазными кинетическими превращениями.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Зародыши новых зерен возникают у границ и особенно в местах пересечения границ зерен, пачек скольжения двойников. В местах, связанных с наибольшими искажениями решетки при наклепе, происходит перемещение атомов, восстановление решетки и возникновение зародышей новых равноосных зерен. Вначале процесс протекает медленно, происходит зарождение центров кристаллизации, затем образуются мелкие зерна, которые растут и входят в непосредственное соприкосновение друг с другом.

Миграция границы, вызванная деформацией, в кристалле алюми -. ния ( е40 %, отжиг в течение 1 ч при 328 С. Каждое зерно локально выпячивается в соседнее ( длина масштабного отрезка 50 мкм. ( С разрешения Р. Доэрти.

Первичная рекристаллизация происходит за счет разницы в свободных энергиях деформированных зерен с высокой плотностью дислокаций и бездислокационных зерен.

Первичная рекристаллизация сопровождается увеличением скорости диффузии. Вероятно, это объясняется образованием избыточных подвижных вакансий в процессе массового перераспределения и аннигиляции дислокаций, а также движения границ при формировании зародышей рекристаллизации.

Влияние температуры отжига в течение 1 ч на твердость вольфрама.

Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дислокаций ( с 1011 — 1012 до 106 — 108 см-2) и выметая стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекрис-таллизованного объема. С повышением температуры отжига между t p и to ( рис. 50) или с увеличением времени отжига при постоянной температуре ( правее Тр на рис. 47) прочностные свойства интенсивно снижаются из-за первичной рекристаллизации. Кроме того, определенный вклад в разупрочнение вносит и продолжающийся возврат в тех деформированных зернах, которые еще не поглощены ре-криеталлизованными. На это указывает снижение микротвердости не-рекристаллизованных зерен.

Скорость изменения.

Первичная рекристаллизация свяВана с перемещением атомов на расстояния, примерно равные междуатомному. По природе своей она близка к диффузионному процессу, но не является таковым в обычном понимании.

Первичная рекристаллизация используется в металловедении для возврата свойств к наблюдаемым у недеформированного металла. Движущей силой процесса первичной рекристаллизации является уменьшение свободной энергии системы при превращении деформированных кристаллов в свободные от внутренних напряжений, менее дефектные и более стабильные кристаллы.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеренные процессы устранения дефектов ( возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой, стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

Первичная рекристаллизация — процесс изменения структуры деформированных металлов и сплавов при их нагреве, следующий за полигонизацией. Рекристаллизация представляет собой перераспределение атомов металла в новое кристаллическое образование, обеспечивающее снижение объемной энергии деформированных зерен за счет уменьшения числа дефектов структуры и восстановление структуры и свойств недеформированного материала.

Первичная рекристаллизация является типичным кристаллизационным процессом, при котором в деформированной структуре происходит непрерывное зарождение кристаллических центров ( зародышей) и рост зерен вокруг них. Ориентация новых зерен произвольна и получается независимой от ориентации окружающей деформированной среды.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на по. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеревные процессы устранения дефектов ( возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой, стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

Первичная рекристаллизация протекает только при нагреве металла, деформированного с определенной ( критической) степенью, зависящей от условий деформации.