книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

С увеличением степени деформации температура начала рекрис­ таллизации снижается (рис. 25). Объясняется это тем, что с уве­ личением степени деформации растут плотность дислокации и энергия, накопленная при деформации, т. е. возрастает термодина­ мический стимул рекристаллизации. Кроме того, с увеличением степени деформации растет концентрация вакансий, что также способствует зарождению центров рекристаллизации при более низких температурах. Так как плотность дислокаций и соответ­ ственно накопленная при деформации энергия с увеличением сте-

уени деформации растут с затухагием, то и температура начала ре­ кристаллизации снижается при уве­ личении степени деформации с за­ туханием, достигая определенного предела при данном времени отжи­

низшая температура начала рекристаллизации металла или спла­ ва, соответствующая большим деформациям (более 60—70%) и времени отжига 1—2 ч, в определенной мере может служить ха­ рактеристикой материала, и ее будем называть далее температур­ ным порогом рекристаллизации ( + р. на рис. 25) в отличие от лю­

бых других более (Высоких значений /Р)

С повышением чистоты металла температурный порог рекрис­ таллизации снижается:

А. А. Бочвар показал, что между температурным порогом рек­ ристаллизации и температурой плавления металлов имеется прос­ тое соотношение: рекристаллизация начинается при температуре, составляющей одинаковую для всех металлов долю от температу­ ры плавления по абсолютной шкале, а именно

жении температурный порог рекристаллизации по известной темпе­ ратуре плавления металла. Это бывает необходимо, когда нет справочных данных. Например, можно оценить температуру на­ чала рекристаллизации свинца: (327+273) 0,4—273 = —33°.

60

Т а б л и ц а 3

Температурный порог рекристаллизации металлов (1п.р)

На температуру начала рекристаллизации, кроме степени де­ формации, времени отжига и примесей, влияют также темпера­ тура и скорость деформирования и размер зерна перед деформи­ рованием.

Сповышением температуры деформирования температура начала рекристаллизации возрастает. Объясняется это тем, что при более высоких температурах обработки давлением полнее проходят процессы возврата при деформации, меньше накоплен­ ная при деформации энергия, т. е. меньше термодинамический стимул рекристаллизации. Если энергия дефектов упаковки высо­ кая, то полигонизация при горячей деформации может создавав весьма совершенную субзеренную структуру со стабильной сеткой ■малоугловых границ и рекристаллизация при последующем отжи­ ге сильно затруднится.

Сувеличением скорости деформации температура начала рек­ ристаллизации снижается, так как высокоскоростная деформация, например взрывом, создает более высокую общую плотность дис­ локаций и больший избыток дислокаций одного знака.

Измельчение исходного (до деформации) зерна приводит к понижению температуры начала рекристаллизации, так как в бо­ лее мелкозернистом металле больше суммарная площадь высоко­ угловых границ, где зарождаются центры рекристаллизации, и больше накопленная при деформации энергия.

Влияние состава сплава на температуру начала рекристаллизации

Температура начала рекристаллизации сплава зависит от природы легирующего элемента и его концентрации. Наиболее подробно эта зависимость проанализирована С. С. Гореликом.

Даже в однофазной области твердых растворов в двойных сис­ темах зависимость температуры начала рекристаллизации от сос­ тава имеет немонотонный характер (рис. 26). Только в области малых концентраций наблюдается простая закономерность— ма­ лые добавки и примеси почти всегда повышают температуру на-

61

чала рекристаллизации, причем с увеличением их концентрации температура начала рекристаллизации возрастает с затуханием.

Атомы добавки или примеси упруго притягиваются к дислока­ циям, образуя атмосферы Коттрелла. Эти примесные атмосферы

А1 2 k 6 8 fig

мешают перераспределению дислокаций, необходимому для фор­ мирования центров рекристаллизации. Примеси тормозят не толь­ ко зарождение, но и рост центров рекристаллизации, так как они притягиваются к границе зародыша. При нагреве металла до бо­ лее высоких температур примесные атмосферы размываются уси­ ливающимся тепловым движением, в результате чего становится возможным формирование центров рекристаллизации и облегча­ ется их рост. С увеличением концентрации чужеродных атомов участки вблизи дислокаций насыщаются ими, и поэтому возраста­

решетки, где расположен примесный атом, не вызовет объемных искажений. Поэтому температура начала рекристаллизации рас­ тет тем сильнее, чем больше фактор размерного несоответствия атомов основы и добавки.

Наиболее сильно повышают температуру начала рекристалли­ зации элементы, мало растворимые в твердом состоянии в метал­

62

ле — основе. Это связано, во-первых, с тем, что обычно малая растворимость в твердом состоянии обусловлена большой разни­ цей в атомных радиусах элементов, и, во-вторых, большой разни­ цей в валентностях основы и легирующего элемента. Энергия же электрического взаимодействия краевой дислокации и атомов добавки пропорциональна разнице в валентностях основы и леги­ рующего элемента.

Чем чище исходный металл, тем сильнее действие добавляе­ мого элемента, так как в более грязном исходном металле на дис­ локациях уже имеются примесные атмосферы, затрудняющие рек­ ристаллизацию.

В тех редких случаях, когда малая добавка понижает темпе­ ратуру начала рекристаллизации, это может быть результатом того, что исходный металл был загрязнен примесями, сильно по­ вышающими температуру начала рекристаллизации, а добавляе­ мый легирующий элемент связывает эти примеси в соединения и выводит их из твердого раствора.

Во многих системах по достижении максимума в области срав­ нительно небольших концентраций (десятые доли процента — проценты) температура начала рекристаллизации снижается (рис. 26, а, б). Это снижение С. С. Горелик объяснил влиянием легирующего элемента на структуру деформированного сплава. Если добавка уменьшает энергию дефектов упаковки твердого раствора, то дислокации сильно расщеплены, поперечное скольже­ ние их затруднено и при пластической деформации образуются участки с большим избытком дислокаций одного знака. В таком твердом растворе температура начала рекристаллизации должна быть ниже, чем в менее легированном сплаве, где энергия дефек­ тов упаковки более высокая.

области больших концентраций обусловлено главным образом из­ менением сил межатомной связи и диффузионной подвижности атомов. Например, если при легировании температура плавления понижается и силы межатомной связи ослабевают (например, в системе А1—Mg, рис. 26, а), то температура начала рекристалли­ зации в области больших концентраций твердого раствора непре­ рывно снижается.

По сравнению с действием малых добавок на чистейший ме­ талл, когда сотые и десятые доли процента добавки могут повы­ сить температуру начала рекристаллизации на сто градусов и бо­ лее, увеличение содержания легирующих в области больших кон­ центраций на целые проценты и даже десятки процентов сравни­ тельно слабо изменяет температуру начала рекристаллизации (обычно на несколько градусов или максимум на десятки граду­ сов). Соотношение температур начала рекристаллизации и плав­ ления у твердых растворов выше, чем у чистых металлов, причем

63

в однофазных сплавах — растворах величина Гр /7 Пл составляет максимум 0,6 (по сравнению с 0,25—0,4 у металлов).

При переходе через границу растворимости в двухфазную об­ ласть температура начала рекристаллизации с увеличением коли­ чества второй фазы интенсивно возрастает (рис. 26).

Влияние частиц избыточной фазы на t р зависит от их коли­ чества, дисперсности и строения. При небольшом количестве избы­

При большем количестве частиц избыточной фазы они служат барьерами для миграции границ зародышей рекристаллизации и,

вах формирование центров рекристаллизации и начало их роста .мо­ гут быть разделены значительным температурным или временным интервалом. Обычные экспериментальные методы (световая мик­ роскопия и рентгеновский анализ) фиксируют центры рекристал­ лизации после того, как они подросли до значительного размера.

Поэтому такими методами обнаруживается повышение t “ с увеличением количества избыточной фазы, хотя истинная темпе­ ратура появления зародышей рекристаллизации может практи­ чески не измениться. Но для практики обычно больший интерес представляет именно температура начала интенсивности роста за­ родышей рекристаллизации, так как с ним связано интенсивное из­

центров рекристаллизации.

Если деформируется пересыщенный раствор, то при последую­ щем отжиге на процесс рекристаллизации накладывается процесс распада раствора. Сегрегации атомов растворенного элемента и выделения промежуточных pi стабильных фаз на дислокациях, малоугловых и высокоугловых границах (см. § 42) тормозят пе­ рераспределение дислокаций и миграцию границ, задерживая за ­ рождение и рост центров рекристаллизации. При более высоких температурах, когда частицы выделений коагулируют или раство­ ряются (в соответствии с ходом линии сольвуса1 на диаграмме состояния), происходит разблокировка дислокаций и границ и ста­ новятся возможными формирование и рост зародышей рекристал­ лизации. Таким образом, в стареющих сплавах рекристаллизация может быть сильно задержана распадом твердого раствора.

1 Линией сольвуса называют кривую ограниченной растворимости в твер­ дом состоянии.

64

3. Температура конца рекристаллизации

Температуру полного исчезновения деформированной матри­ цы при данном времени отжига называют температурой конца рек­

ристаллизации t р . Экспериментально ее определяют с помощью световой микроскопии по исчезновению сильнее травящихся ос­ татков деформированной матрицы и рентгенографически — по ис­ чезновению на рентгенограмме размытых дебаевских колец. Кро­ ме того, по рентгенограмме можно подсчитать число пятен — реф­ лексов от рекристаллизованных зерен. Максимальное число таких рефлексов соответствует концу первичной рекристаллизации, так как начинающаяся вслед за ней собирательная рекристаллизация уменьшает число рекристаллизованных зерен.

ростью роста рекристаллизованных зерен за счет деформирован­ ной матрицы. Это различие частично нивелируется тем, что цент­ ры рекристаллизации обычно выявляют после некоторого их рос­ та за счет деформированной матрицы.4

4. Рост зерен при первичной рекристаллизации

Рекристаллизованные зерна растут путем быстрой миграции их границ в сторону деформированой матрицы. Движущей силой та­ кой миграции является разность в упругой энергии кристаллов по обе стороны от границы из-за разной плотности дислокаций. В отличие от собирательной рекристаллизации ( см. § 9) при первич­ ной рекристаллизации граница зерна мигрирует в сторону от центра кривизны. Движущаяся высокоугловая граница «выме­ тает» на своем пути дефекты решетки деформированной матрицы, увеличивая объем с более совершенной структурой, с резко мень­ шей плотностью дислокаций.

Средняя скорость миграции границ зерен при первичной ре­

где Q — энергия активации процесса миграции.

Пока не ясно, каковы элементарные акты, обусловливающие миграцию границ, и, следовательно, не ясен физический смысл энергии активации процесса миграции. Слишком мало еще пря­ мых экспериментальных данных о строении высокоугловых гра­ ниц.

Миграцию высокоугловой границы при рекристаллизации мож­ но рассматривать как результат поочередного индивидуального

или группового перехода атомов от деформированного зерна к рекристаллизованному. Атомы по обе стороны от границы при колебательном движении время от времени могут отрываться от одного зерна и присоединяться к другому. Одиночные переходы атомов могут совершаться путем обмена местами приграничного атома и вакансии, находящейся на самой границе. Такой меха­ низм по своей природе — диффузионный (идет направленная самодиффузия атомов перпендикулярно границе).

На рис. 27 изображено изменение свободной энергии при пе­ реходе атома через границу между зернами. Видно, что благода­ ря разности в свободной энергии ДF, связанной с различием в плотности дислокаций по обе стороны от границы, переход атомов от рекристаллизованного к деформированному зерну требует прео­ доления большего потенциального барьера ( Q+A^7), чем обрат­ ный переход (Q). Соответственно частота перехода атомов в нап­ равлении от деформированного к рекристаллизованному зерну должна быть больше, чем в обратном направлении, что и опреде­ ляет «поедание» деформированного зерна рекристаллизованным

Атомы растворенных примесей сегрегируют на границы и тор­ мозят их миграцию. Одной из причин торможения является необ­ ходимость «тащить» за собой притянутые к границе примесные атомы. Сильное торможение оказывают даже ничтожные количест­ ва примеси, так как ее атомы собираются на границе. При введе­

миграции в соответствии с формулой (7) и тем больше наклон этой прямой. Переход от прямолинейного участка к криволиней­ ному на рис. 28 соответствует переходу от первичной рекристалли­ зации к собирательной.

66

дит путем их миграции с одновременным перемещением точки тройного стыка. На рис. 29, б сплошные линии изображают искрив­ ленные границы в равновесном тройном стыке после такой мигра­ ции, а пунктирные — исходное положение границ в неравновесном тройном стыке. Но искривленные границы нестабильны. Под дей­

ствием поверхностного натяжения они стремятся уменьшить длину. Каждая граница выпрямляется миграцией в направлении центра ее кривизны. Эти направления на рис. 30 указаны стрелками. На рис. 29, в сплошные линии изображают спрямленные границы, а пунктир­ ные— их исходное положение в рав­ новесном стыке.

Миграция границы направлена к центру кривизны, потому что на вогнутой поверхности у атома боль­ ше связей с соседями из своего зер­ на, чем на выпуклой. Нескомпенсированный переход атомов через гра­

ницу и обусловливает рост зерен с вогнутыми границами за счет зерен с выпуклыми границами.

Спрямление границ нарушает ранее достигнутое равновесие в тройных стыках (на рис. 29, в угол при вершине зерна А стал меньше 120°). Для достижения равновесия в тройном стыке гра­ ницы вновь изгибаются миграцией и т. д. Таким путем зерна Б и

Вна рис. 29 постепенно растут за счет зерна А.

Вплоской модели зеренной структуры поликристалла зерна с числом сторон больше шести должны укрупняться, а с числом

сторон меньше шести — «поедаться» соседями. В реальном метал­ ле зерно с одной стороны имеет вогнутую поверхность и растет за счет соседа, а с другого края оно может иметь выпуклую поверх­ ность и само поглощаться соседом. В целом же средний размер зерен возрастает.

При изотермическом отжиге зерна укрупняются с затуханием, так как сетка границ приближается к равновесной и движущая сила миграции границ постепенно уменьшается. При анализе структур на шлифах следует иметь в виду, что конфигурация трех­ мерной равновесной сетки границ зерен более сложная, чем дву­ мерной.

В пространстве равновесию сил поверхностого натяжения отвечает упаковка из зерен четырнадцатигранников с несколько изогнутыми границами. Даже если такая идеализированная рав­ новесная конфигурация зерен и будет достигнута при отжиге, го в плоскости шлифа размеры произвольных сечений зерен по­ лучаются разными, а углы встречи трех границ будут отличаться от 12 0 °.

Рост одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рек­

68

ристаллизованных зерен путем миграции высокоугловых границ называют собирательной рекристаллизациейК

Движущей силой собирательной рекристаллизации является неуравновешенность поверхностного натяжения, стремящегося выпрямить искривленные границы рекристаллизованных зерен и создать равновесную конфигурацию границ в тройных стыках. Даже при сравнительно мелком зерне с сеткой границ, близкой по конфигурации к равновесной, зерна могут не расти (состояние механического равновесия), несмотря на большую суммарную зернограничную энергию, приходящуюся на единицу объема. Следовательно, сам по себе избыток поверхностной зерногранич­ ной энергии (избыток по сравнению с энергией монокристального образца такого же объема) не является стимулом для собиратель­ ной рекристаллизации, если нет неуравновешенности поверхност­ ного натяжения.

Атомный механизм миграции границ зерен при собирательной рекристаллизации может быть таким же, как и при первичной

(см. § 8 ).

Начало собирательной рекристаллизации не обязательно долж­ но совпадать с моментом полного завершения первичной рекрис­ таллизации. Когда в отдельных участках металла рекристаллизованные зерна приходят в соприкосновение, то здесь может на­ чаться собирательная рекристаллизация, хотя в других участках еще идет первичная рекристаллизация.

Скорость миграции границы должна быть тем больше, чем силь­ нее искривлена граница, т. е. чем меньше радиус ее кривизны. Если принять, что радиус кривизны границ равноосного зерна про­ порционален его диаметру, то скорость роста зерен при собира­ тельной рекристаллизации должна быть обратно пропорцио­

сто называют просто рекристаллизацией, а собирательную рекристаллизацию-- ростом зерна (grain growth— англ.). Последний термин нельзя признать удач­ ным, так как и при первичной рекристаллизации растут новые зерна.

69