Рекристаллизация металла
Технология получения большинства металлических изделий связана с пластической деформацией и нагревом металла. При этом существенно изменяются структуры материала и его структурно-чувствительные свойства:
- прочность;
- пластичность;
- электропроводность;
Металлы и сплавы, за редким исключением, используют в поликристаллическом состоянии. В микроскоп видно, что поликристаллы состоят из множества зерен – кристаллитов.
В поляризованном свете зерна различаются своей окраской, вследствие разной кристаллографической ориентировки относительно плоскости шлифа.
В зависимости от обработки размеры зерен могут различаться по величине очень сильно. От нескольких микрон до нескольких сантиметров. В изделии может сформироваться и разнозернистая структура.
Зерна отделены границами, граница которых зависит от угла разориентировки соседних зерен. Если эти углы больше 10-15 градусов, границы называют большеугловыми.
Величина зерна влияет на свойства металлов и сплавов. Так металлы с мелкозернистой структурой отличаются повышенной прочностью и пластичностью. Это хорошо видно при испытании на растяжение. Крупнозернистые металлы хрупкие и менее прочные.
Микроструктура может отличаться характером кристаллографической ориентировки зерен. Если большая часть зерен близко ориентирована, то такой поликристалл называют текстурованным.
Весьма распространены структуры, в которых кристаллографические плоскости куба, пентаэдра, ромбододекаэдра, располагаются параллельно плоскости прокатки.
Текстура может содержать разное число текстурных компонент:
- двухкомпонентная текстура;
- однокомпонентная текстура;
Характер текстуры сказывается на свойствах металла. Пластичность не текстурованного материала одинакова во всех направлениях. То есть, изотропна. В этом случае металл при штамповке тянется однородно.
Пластичность текстурованного металла анизотропна. При штамповке металл тянется неоднородно.
Управлять микроструктурой можно с помощью разных способов деформации и последующего нагрева.
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.
Пластическая деформация и рекристаллизация
Пластическая деформация
Изменения формы зерен при деформации происходит, в основном, путем перемещения дислокаций по плоскостям скольжения. Атомный механизм этого процесса связан с образованием и скольжением дислокаций. Линии сдвига являются местом скопления скользящих дислокаций.
По мере увеличения деформации, дислокации движутся в новых системах скольжения. Повышается плотность дислокаций. Взаимодействие полей напряжения вокруг дислокации, вызывает их сложные сплетения. При этом металл упрочняется и становится менее пластичным.
Наблюдать изменения дислокационной структуры внутри зерна можно с помощью электронного микроскопа, при увеличении в десятки тысяч раз. При этом, дислокации видны как темные линии, а скопления дислокаций, как темные области.
На первой стадии упрочнения дислокации движутся, в основном, в одной системе скольжения.
На второй стадии начинается скольжение в нескольких системах.
На третьей стадии образуются сложные сплетения дислокаций, возникает ячеистая структура. Ячеистая структура, важнейший признак третьей стадии упрочнения.
В объеме ячеек плотность дислокации относительно невелика. В основном, они сосредоточенны в стенках ячеек. Толщина стенок может отличаться от нескольких сотен ангстремов, до нескольких долей микрона.
Тонкие стенки характерны для металлов с высокой энергией дефектов упаковки. Размытые стенки характерны для металлов с малой энергией дефектов упаковки.
В середине зерна ячейки незначительно разориентированы друг относительно друга. У границы зерна разориентировка значительно сильнее. Если скольжение дислокаций затруднено, деформация реализуется двойникованием. При этом, атомы кристаллита закономерно сдвигаются относительно плоскости двойникования.
Изменения в структуре деформированного металла при его нагреве
При нагреве введенные деформации и дефекты перераспределяются и частично устраняются.
Ʈ - время начала такого перераспределения, связана с температурной зависимостью.
Ʈ=Ʈ₀ exp ()
Где Q – энергия активации процесса.
Структурные изменения при нагреве делят на три стадии:
- отдых;
- полигонизация;
- рекристаллизация;
Отдых и полигонизацию часто объединяют в одну стадию – возврат.
Отдых происходит при низких температурах. Ниже десятой доли температуры абсолютной доли плавления. Он связан с уменьшением концентрации точечных дефектов.
Вакансии – межузельные атомы и их комплексы, стекают в дислокации и в границы. Об отдыхе можно судить по выделению тепла, определяемому с помощью колориметра. Либо по изменению электросопротивления, которое существенно снижается при отдыхе. Прочность на этой стадии практически не меняется.
Полигонизация связана с перераспределением дислокаций. Она происходит при более высоких температурах, так как требует больше энергии активации.
При нагреве слабо деформированного металла дислокации перераспределяются в энергетически более выгодные стенки, перпендикулярные плоскостям скольжения. Эти стенки являются границами субзерен – полигонов.
При нагреве после сильной деформации, когда сформировалась ячеистая структура, полигонизация заключается в перераспределении дислокаций в стенках ячеек. Эти стенки сплющиваются и превращаются в плоские субграницы повышенной кривизны.
Образование таких субграниц происходит не одновременно во всем объеме. В результате сплющивания стенок, ячейки превращаются в субзерна. Затем, субзерна укрупняются.
Укрупнение может реализоваться двумя механизмами:
- Миграция границ. При этом, более крупные субзерна увеличиваются за счет более мелких.
- Коалесценция группы смежных субзерен. При этом, внутренние границы этих субзерен рассыпаются. Дислокация из них втягивается полями напряжений во внешнюю границу сливающихся субзерен. Последующий рост этого крупного субзерна ведет к миграции границы. В результате, его разориентировка увеличивается. Когда его граница становится больше угловой, субзерно превращается в зародыш первичной рекристаллизации.
Первичная рекристаллизация происходит при высоких температурах. Порядка трех-четырех десятых от абсолютной температуры плавления.
Формирование центров рекристаллизации можно наблюдать с помощью электронного микроскопа. Зародыши первичной рекристаллизации, прежде всего, возникают у тройных стыков границ исходных зерен. А так же вдоль этих границ. Там где при деформации решетка была сильнее всего разориентирована.
При дальнейшем нагреве, зародыши рекристаллизации растут миграцией своих границ. Существенно, что зародыши имеют ориентировку того субзерна, из которого они образовались. Во время роста новые зерна сталкиваются между собой. Возникают тройные стыки. Наиболее стабильны те стыки, в которых граница зерен образует углы в 120 градусов. Чем более углы в стыках отличаются от 120 градусов, тем быстрее мигрируют их границы.
В результате многократных столкновений, зерна приобретают форму многогранников. После небольших и средних деформаций, когда разные зерна искажены неодинаково, менее искаженные зерна растут миграцией своих границ за счет более искаженных. Возникшие выступы играют роль зародышей первичной рекристаллизации.
Чем больше центров рекристаллизации возникло, тем меньше, конечно, размер зерна. Число центров зависит от степени деформации.
Диаграмма рекристаллизации иллюстрирует это положение.
Перед вами микроструктура металла после разных степеней деформации. Нагрев после слабых деформаций не вызывает образование центров. Размер зерна не изменяется.
При нагреве после критической степени деформации возникает мало центров, зерно резко укрупняется.
При нагреве после закритической степени деформации, зарождается много центров. Зерно резко измельчается.
Первичная рекристаллизация завершается, когда весь объем металла заполняется новыми зернами.
Рекристаллизация, это важная, а для металлов и сплавов, не испытывающих фазовых превращений, единственное средство управления их структурой.