ПЕРВИЧНАЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Образование и рост зерен с более совершенной структурой, окруженных
высокоугловыми границами, за счет исходных деформированных зерен той же фазы называют первичной рекристаллизацией.
Развитие первичной рекристаллизации при разных температурах в алюминии чистотой 99,96% после растяжения на 10%
Скорость зарождения центров рекристаллизации (сзц) – это
число центров рекристаллизованных зерен, возникающих в единицу времени
в единице объема.
Линейная скорость роста (лср) является скоростью перемещения границы зерна.
С ростом температуры оба параметра экспоненциально увеличиваются.
Некоторое время новые зерна не
обнаруживаются. Это время называют инкубационным периодом. 11
Механизм зарождения центров рекристаллизации
Зародыши рекристаллизации непосредственно на границах деформированных зерен образуются при миграции небольших участков готовой высокоугловой границы в сторону одного из зерен с образованием выступов, «языков».
Движущей силой такой миграции является разность в энергии наклепанных участков по обе стороны от границы
Схема образования выступа на границе путем ее миграции, вызванной наклепом
12
Механизм зарождения центров рекристаллизации
Схема образования зародыша рекристаллизации в полосе сброса: a – изгиб решетки в полосе сброса до
образования рекристаллизованного участка; б – зародыш рекристаллизации
Зародыш рекристаллизации может сформироваться при групповой коалесценции субзерен, в результате которой малоугловая граница становится
высокоугловой
13
Температура начала рекристаллизации
Температура начала рекристаллизации (tрн), не является физической константой, такой как точка плавления. tрн зависит от времени отжига.
При времени отжига 10 мин начало рекристаллизации фиксируется при 370°С, при времени отжига 1000 мин - 310°С.
С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается.
Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает
рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурный порогом рекристаллизации tп.р.. 14
С повышением чистоты металла температурный порог рекристаллизации снижается:
Чистота Al, % .... |
99,7 |
99,9 |
99,99 |
99,9992 |
tп.р.,°С |
240 |
200 |
100 |
- 45 |
Рекристаллизация начинается при температуре, составляющей одинаковую для всех металлов долю от температуры плавления по абсолютной шкале:
tп.р. = (0,3…0,4) ТПЛ
Коэффициент 0,3–0,4 относится к металлам сравнительно высокой технической чистоты (около 99,99%). Для особо чистых металлов tп.р. = (0,25…0,3) Тпл.
Температуру полного исчезновения деформированной матрицы при данном времени отжига называют температурой конца рекристаллизации tкp.
Чем выше tнpтем чаще всего (но не всегда) выше и tкp.
15
Рост зерен при первичной рекристаллизации
Рекристаллизованные зерна растут путем быстрой миграции их границ в сторону деформированной матрицы. Движущей силой миграции является разность в упругой энергии кристаллов по обе стороны от границы из-за разной плотности дислокаций. Граница зерна мигрирует в сторону от центра кривизны.
Средняя скорость миграции границ зерен при первичной рекристаллизации зависит от температуры:
v= v0e-Q/RT,
где Q– энергия активации процесса миграции.
Схема изменения свободной энергии при переходе атома через границу
16
между деформированным (Д) и рекристаллизованным (Р) зернами.
Собирательная рекристаллизация
В стыке трех зерен силы поверхностного натяжения должны быть уравновешены. Силы поверхностного натяжения γ, приложенные вдоль границ зерен, будут уравновешены при условии, что
γ = 2γcosθ/2 или cosθ/2 = = 1/2 и θ/2 = 60°. Следовательно, равновесной конфигурации отвечает встреча трех зерен с углами при вершине 120°.
Схема границ на стыке трех зерен в разные моменты отжига:
а – до отжига; б – после установления равновесия сил поверхностного натяжения в тройной точке путем искривления границ; в – после
выпрямления границ, нарушившего равновесие в тройной17 точке
Плоская модель строения металла из зерен с разным числом границ
Для соблюдения условия равновесия сил поверхностного натяжения в тройных стыках зерна с числом сторон меньше 6 должны иметь границы, обращенные вогнутостью в сторону зерна, а при числе сторон больше 6 границы должны быть обращены вогнутостью в сторону соседей.
Миграция границы направлена к центру кривизны, потому что на вогнутой поверхности у атома больше связей с соседями из своего зерна, чем на выпуклой. Нескомпенсированный переход атомов через границу и обусловливает рост зерен с
вогнутыми границами за счет зерен с выпуклыми границами.
Рост одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рекристаллизованных зерен путем миграции высокоугловых границ называют собирательной рекристаллизацией.
18
Термодинамическим стимулом собирательной рекристаллизации является свободная энергия границ зерен, а обязательным условием ее развития – неуравновешенность поверхностного натяжения, стремящегося выпрямить искривленные границы и создать равновесную конфигурацию границ в тройных стыках.
Наибольшее препятствие росту зерен при собирательной рекристаллизации представляют высокодисперсные включения с большой объемной долей их в сплаве, а барьерный эффект от отдельных крупных включений невелик.
19