книги из ГПНТБ / Копецкий, Ч. В. Структура и свойства тугоплавких металлов

пограничной самодиффузии, до 147—168 кДж/г-атом

(35—40 ккал/г-атом).

Методические трудности пока не дали возможности получить аналогичные сведения о границах тугоплав­ ких о. ц. к. металлов. Однако нет оснований предпола­ гать, что общие закономерности здесь будут какие-то другие.

Зато на тугоплавких металлах с о. ц. к. решеткой, в частности на вольфраме, можно детально исследовать

Рис. 62. Микрофотография границы зерна вольфрама, получен­ ная при 4,2 К в ионном проекторе [90]

структуру высокоугловой границы с помощью ионного проектора. Исследования Р. И. Гарбера показали, что малоугловые границы в вольфраме до углов разориентации я /18—зх/12 рад (10—15 град.) могут быть описа­ ны с помощью стенок дислокаций; при этом ширина границы по данным работы [141] не превышает 0,6—

1 нм (6—10Â).

142

прямолинейных участков. Направление границы парал­

лельно плоскостям / 111 } одного и плоскостям [ НО} другого кристалла. Излом границы связан с переходом

плоскости границы от {і12* к |і14} . Полагают, что макроскопически криволинейная граница микроскопи­ чески всегда прямолинейна. Детальное исследование структуры высокоугловых границ в вольфрамовой про­ волоке с помощью автономного проектора, проведенное Р. И. Гарбером и др. [152], показало, что разориентзция зерен преимущественно отвечает решеткам совпа­ дающих узлов с достаточно высокой плотностью совпа­ дений. При этом ступенчатое строение границ наблюда­ ли в том случае, если граница не лежит вдоль плотно­ упакованной плоскости решетки совпадений. Высота ступенек равна от одного до нескольких сот периодов решетки. Показана возможность сопряжения решеток смежных зерен при произвольной высоте ступенек на границе с помощью использования системы частичных дислокаций.

Температура начала рекристаллизации

Важнейшим параметром процесса рекристаллиза­ ции является температура ее начала. Как известно, эта температура не является физической константой мате­ риала. В первую очередь она зависит от состава и чи­ стоты материала, а также характера структуры, полу­ ченной в результате деформации. Последнее особенно существенно для деформированного монокристалла, когда при деформации могут быть созданы условия, ис­ ключающие возможность рекристаллизации сильно де­ формированных о. ц. к. металлов при отжиге вплоть до температуры плавления. Для поликристаллов ха­ рактер структуры, полученной в результате деформа­ ции, проявляется через степень деформации, от кото­ рой температура начала рекристаллизации существенно

143

зависит. Достаточно большая степень деформации по­ ликристаллов всегда создает условия, ведущие к рекри­ сталлизации при последующем нагреве, так как совме­ стная деформация многих зерен должна приводить к множественному скольжению и возникновению большого числа месте высоким локальным изгибом решетки, где при нагреве могут возникнуть высокоугловые границы. В этих условиях температура начала рекристализации будет определяться подвижностью дислокаций, пере­ распределение которых при повышении температуры ведет к образованию высокоугловых границ. Примеси и легирующие элементы, затрудняющие термоактиви­ рованное движение дислокаций, способствуют повыше­ нию температуры начала рекристаллизации. Рост сте­ пени деформации, ведущий к увеличению локальных из­ гибов решетки и их числа, облегчает возникновение вы­ сокоугловых границ и снижает температуру начала ре­ кристаллизации. Большая продолжительность отжига,

естественно, понижает /р, так как она помогает фор­ мированию высокоугловых границ зерен. С ростом сте­ пени деформации и продолжительности отжига темпера­

тура t р вначале резко снижается, а затем асимптотичес­ ки приближается к некоторому пороговому значению.

Стадии рекристаллизации

Различают первичную, собирательную и вторичную рекристаллизацию. Первичная рекристаллизация, по

«наступает после того, как выросшие центры рекристал­ лизации приходят во взаимное соприкосновение. Она заключается в росте одних новых зерен за счет других (тоже новых)» [76].

Вторичная рекристаллизация наступает после опре­ деленного температурного порога /вт.р и заключается в бурном росте отдельных зерен за счет других. Для этой стадии характерно наличие резкой разнозернистости, так как размер растущих зерен непрерывно увеличивает­ ся и занимаемая ими площадь растет [76].

144

ких о. ц. к. металлов. Регулируя условия деформации и последующего отжига, можно получать зерна необходи­ мых размеров.

Диаграммы рекристаллизации тугоплавких о. ц. к. металлов и изменение механических свойств металлов и сплавов при рекристаллизации

Наиболее удобно связь между средним размером зерен, возникающих после рекристаллизации деформи­ рованного металла, степенью деформации и температу­ рой нагрева, изображать в виде трехмерных диаграмм рекристаллизации первого рода. Такие диаграммы по­ строены для всех тугоплавких металлов с о. ц. к. решет­ кой. Химический состав и чистота металла весьма суще­ ственно сказываются как на температуре начала ре­ кристаллизации, так и на скорости роста и конечном размере зерна. Поэтому вид диаграммы рекристаллиза­ ции может заметно меняться при незначительном изме­ нении химического состава. В особенности это важно учитывать для диаграмм рекристаллизации металлов VIA группы. Например, как следует из рис. 63, незначи­ тельные добавки элементов VIII группы— железа, ко­ бальта и никеля — в пределах 0,02—0,1% к молибдену существенно изменяют вид его диаграммы рекристал­ лизации. Естественно, вид диаграммы рекристаллиза­ ции зависит также от способа деформирования, выбран­ ного для получения образцов, так как этим способом определяется характер структуры деформированного состояния.

Молибден и его сплавы

Приведенные на рис. 63 диаграммы рекристалли­ зации чистого и легированного молибдена построены на­ ми с Л. Г. Смоляковой и М. В. Приданцевым по резуль­ татам исследования проволочных образцов. Степень де­ формации исследованных образцов была 3,5—78%. Ча­ совые отжиги при температурах 800—1700°С проводили в атмосфере водорода. Как видно из приведенных диаг-

Рис. 63. Диаграммы рекристаллизации металлокерамического мо­ либдена различного химического состава, % (то массе):

146

рамм, с ростам степени деформации температура начала рекристаллизации понижается. Критическая степень де­ формации при волочении, при которой во время после­ дующей рекристаллизации получается зерно максималь­ ного размера, составляет Ш%. Резкий рост зерна при критической степени деформации начинается во всех партиях молибденовой проволоки при 1250—І300°С. Не­ большие добавки железа и железа с никелем эффективно снижают размер зерна после рекристаллизации. Добав­ ки железа и кобальта в небольшом количестве ведут к некоторому повышению температуры начала рекристал­ лизации.

На рис. 64 показано влияние некоторых легирующих добавок на температуру начала рекристаллизации мо­ либдена. Как следует из рисунка, добавки В, Si, V, Nb,

Рис. 64. Температура начала рекристаллизации молибдена технической чистоты в зави­ симости от содержания в нем различных легирующих доба­

вок [17]

Содержание дабаВон, % (по массе)

Zr в небольших количествах [0,5—1,0% (по массе)] по­ вышают температуру начала рекристаллизации молиб­ дена на 100—200 град.

Рекристаллизация сопровождается интенсивным ра­ зупрочнением металла. Прирост прочности, полученный в результате деформационного упрочнения, при рекри­ сталлизации полностью снимается. Плотность дислока­ ций в итоге этого процесса падает от значений 1010— 10й см~2, характерных для деформированного металла, до 10s—ІО7 см-2, наблюдаемых в литом металле.

Отжиг деформированного примерно на 10% чистого и легированного присадками элементов VIII группы в количествах, указанных в подписи к рис. 63, молибдена в интервале 300—1600°С ведет к снижению его микротвер­ дости. Можно отметить три участка, за изменение мик-

ротвердости на которых ответственны разные меха­ низмы:

1. Снижение микротвердости в интервале 800— 1000°С, связанное -с дислокационным возвратом.

2.Некоторое повышение микротвердости, обуслов­ ленное протеканием полигонизации в области 11О0— 1200°С с возникновением мелких субзерен.

3.Монотонное снижение твердости при температурах

на механические свойства молибденового сплава ЦМ-2А.

8о

- во

&

- W ^

- 20

о

20 800 1000 1200 МО 1600 1800 °С

Рис. 65. Влияние отжига на механические свойства горя­ чепрессованного молибдена ЦМ-2А [44, с. 25—40]

Оно типично для молибдена и его сплавов технической чистоты. Исходное состояние сплава перед отжигом — горячее прессование (суммарная степень обжатия около 85%). Заметное падение предела прочности и текучести наблюдается вследствие отжига при 1100°С. Разупроч­ нение в результате рекристаллизации заканчивается при 1300°С. Нагрев до 2000°С несколько снижает предел прочности [до 350 МН/м2 (35 кгс/мм2)]. Характеристи­ ки пластичности начинают падать при температурах от­ жига, начиная с 900°С, т. е. задолго до начала рекри­ сталлизации. Тот же сплав, подвергнутый гидроэкстру­ зии на 80%, сохраняет некоторую пластичность до тем­ ператур отжига 1600°С [44, с. 25—40].

У нелегированного металлокерамического молибде­ на, подвергнутого гидроэкструзии, сохраняется высокая пластичность и повышенная прочность, что связано с образованием мелкозернистой структуры и появлением

148

четкой текстуры рекристаллизации типа < 1 1 0 > [44,

с. 25—40].

Деформация гидроэкструзией при комнатной темпе­ ратуре вносит существенные изменения в диаграмму ре­ кристаллизации молибдена и его сплавов. В таком мате­ риале после рекристаллизации в некотором интервале температур отжига (вплоть до 1600°С) укрупнение зе­ рен заторможено, а при дальнейшем нагреве начинается бурный рост зерен, связанный с началом вторичной ре­ кристаллизации. При 2000°С наблюдается аномальный рост зерен, ведущий к образованию крупных монокрис­ таллов [83, с. 116—127; 92].

Как было отмечено Н. В. Дубовицкой и Л. Н. Лариковым [93], вторичная рекристаллизация в прокатан­ ной с обжатием 80% молибденовой фольге, содержащей ~ 0,5% Ті и ~ 0,05% С, протекает при температурах 1500—1950°С. Образование и рост аномально больших зерен связаны с освобождением участков границ от дис­ персных частиц сложного карбида МогзСе, выделивших­ ся в процессе первичной рекристаллизации. Освобожде­ ние 'идет за счет коагуляции частиц этой фазы. Нагрев выше 2000°С приводит к полному растворению частиц второй фазы, разблокировке границ и развитию собира- телы-юй рекрнсталлизации.

Вольфрам и его сплавы

На рис. 66 приведена диаграмма рекристаллизации первого рода для вольфрама вакуумной дуговой плавки [91]. Температура начала рекристаллизации в зависи­ мости от степени деформации находится в интервале температур 1400—1600°С. Критическая степень дефор­ мации наблюдается около 10%. -В некоторых диаграммах рекристаллизации, построенных М. А. Кришталом, учтены температурные и деформационные усло­ вия появления зерен — гигантов в структуре рекристаллизоваиного порошкового вольфрама.

По данным Р. Джаффи, с повышением содержания углерода в вольфраме от 0,001 до 0,01—0,02% темпера­ тура начала рекристаллизации возрастает на 100—150 град. Добавки же кислорода в количествах до 0,004% и азота до 0,00014% заметно не влияют на температуру на­ чала рекристаллизации.

149

Очень сильно влияют на температуру начала рекри­ сталлизации металлокерамического вольфрама добавки окислов. Известно, что кремниево-щелочные лрисадки (К2О, БіОг, А120 з, СаО и др.) в количестве сотых и ты­ сячных долей процента повышают температуру начала

ОВ ж ат ие, °/о

Рис. 66. Диаграмма рекристаллизации вольфрама дуго­ вой плавки [911

рекристаллизации вольфрама до 1900—2000°С [79]. Эти же присадки обеспечивают получение в проволочных образцах вольфрама специальной «стапельной» струк­ туры с протяженными продольными границами зерен и сравнительно крупными зернами, которая весьма устой­ чива против высокотемпературной ползучести в услови­ ях эксплуатации проволоки.

В рекристаллизованных проволоках вольфрама с присадками наблюдается преимущественная ориенти­ ровка зерен относительно оси проволоки. Возможно, это обусловлено тенденцией к сохранению идеальных ориен­ тационных соотношений для границ совпадения с ком­ понентами текстуры холодной прокатки, как это считает

150

А. Опинский [142]. В проволоках из нелегированного вольфрама, подвергнутых сильной деформации, рекри­ сталлизация происходит главным образом путем уширения и коалесценцни волокон. Этот процесс сопровож­ дается лолигонизацией внутри волокон.

Влияние температуры отжига на предел текучести и предел прочности вольфрама дуговой плавки различной

данные автора и В. М. Пановко], деформированного на 80%, показано на рис. 67. Видно, что разупрочнение на­

тия сегрегаций примесей внедрения по границам и обра­ зования частиц их соединений. При этом повышается доля зернограничного разрушения.

Добавки примесей замещения могут существенно

151