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

Экспериментальные данные показывают, что зависимость сред­ него размера зерен в металлах и однофазных сплавах от времени отжига подчиняется выражению

чений и другими причинами.

Атомы растворенных примесей, как уже отмечалось, упруго притягиваются к границе, и миграция ее связана с протаскиванием за собой примесных атомов. Мигрирующая граница встречает на своем пути примесные атомы, распределенные в теле «поедаемого» зерна, и концентрация примеси на границе накапливается, усили­ вая ее торможение.

Если мигрирующая граница встречает включения второй фазы, то она должна огибать эти включения и затем отрываться от них. Так как по мере развития собирательной рекристаллизации дви­ жущая сила ее уменьшается, то включения могут через некоторое время полностью затормозить рост зерна. Чем больше объемная

включения с большой объемной долей их в сплаве, а барьерный эффект от отдельных крупных включений невелик.

При отжиге тонких листов, когда размер зерен становится рав­ ным толщине листа, их рост замедляется, но зерна еще продолжа­ ют расти в плоскости листа. После того как размер зерен в плос­ кости листа становится в 2 —3 раза больше его толщины, рост сов­ сем прекращается. Одной из причин тормозящего действия свобод­ ных поверхностей, называемого «эффектом толщины», является образование канавок термического травления в местах выхода границ зерен на эту поверхность. Канавки образуются при отжи­ ге из-за ускоренного испарения атомов с межзеренных границ и закрепляют границы, как бы «привязывая» их к соответствующим участкам поверхности.

Рост зерен при собирательной рекристаллизации может силь­ но замедлять текстура, возникающая при первичной рекристалли­ зации. «Текстурное торможение» обусловлено тем, что границы зе­ рен с небольшой угловой разориентировкой (а именно она харак­ терна для совершенной текстуры) имеют пониженную поверхност­ ную энергию и в соответствии с формулой (8) скорость роста зер­ на должна быть меньше.

Росту одних зерен за счет аналогичных зерен той же фазы не обязательно должна предшествовать первичная рекристаллизация.

70

Этот рост — весьма общий процесс, для которого необходимо лишь неуравновешенное поверхностное натяжение на границах зерен, например из-за их кривизны.

Часто считают, что в литых (недеформированных) металлах укрупнение зерен вследствие роста одних кристаллитов за счет со­ седних не происходит. Это утверждение справедливо только по от­ ношению к металлам невысокой чистоты, в которых примеси, кон­ центрирующиеся по границам зерен в процессе кристаллизации, мешают миграции границ зерен при отжиге. В чистых литых ме­ таллах и однофазных сплавах при отжиге без предварительной деформации зерна могут быстро расти.

§10. ТЕКСТУРЫ ПЕРВИЧНОЙ

ИСОБИРАТЕЛЬНОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1. Основные закономерности образования текстур рекристаллизации

Экспериментально установлены следующие три варианта взаи­ моотношения кристаллографических ориентировок в деформиро­ ванном и рекристаллизованном металле. Во-первых, текстура де­ формации может перейти в тождественную ей текстуру рекристал­ лизации, т. е. рекристаллизованные зерна приобретают такую же предпочтительную ориентировку, какую имели исходные деформи­ рованные зерна. Во-вторых, текстура деформации может сменить­ ся отличной от нее текстурой рекристаллизации. Этот случай наи­ более частый. В-третьих, рекристаллизованные зерна могут иметь хаотичную кристаллографическую ориентировку, в то время как исходный и деформированный металл был текстурован.

Характер и степень совершенства текстуры рекристаллизации зависят от вида обработки давлением, степени и температуры по­ следней деформации, температуры и времени последнего отжига, степени промежуточный деформации, температуры промежуточно­ го отжига, содержания легирующих элементов и примесей и дру­ гих факторов. Следовательно, на текстуру рекристаллизации влия­ ет гораздо большее число факторов, чем на текстуру деформации.

При отжиге ниже некоторой температуры текстура рекристал­ лизации качественно тождественна текстуре деформации. Разли­ чие может состоять в усилении одних и ослаблении других компо­ нентов текстуры. Так, если холоднотянутая медная проволока име­ ла двойную аксиальную текстуру < 1 1 1 > и < 1О0 > , то после первичной рекристаллизации ее текстура такая же, но число зерен

71

дельной плоскости прокатанной полосы, а направление ребра ку­ ба < 1 0 0 > весьма точно ориентируется вдоль и поперек направ­ ления прокатки. Текстура куба образуется при рекристаллизационном отжиге меди, никеля, алюминия, золота и некоторых сплавов,

например мельхиора.

сплавах Си—Zn, когда из-за уменьшения энергии дефектов упа­ ковки текстура прокатки типа меди постепенно сменяется тексту­ рой типа латуни, соответственно изменяется и текстура рекристал­ лизации от кубической до ] 113 |< 1 1 2 > -. Повышение температу­

ры прокатки, обусловливающее переход от текстуры деформации типа латуни к текстуре типа меди, приводит к закономерному из­

менению и текстуры рекристаллизации — от] 113 | < 1 1 2 > к ]100| <100> -. Как правило, чем совершеннее текстура деформа­ ции, тем более четкой получается соответствующая ей текстура рекристаллизации.

Исключительно сильно на характер и степень совершенства текстуры рекристаллизации влияют малые добавки и примеси, на­ ходящиеся в твердом растворе. Примеси могут предотвратить об­ разование той или иной текстуры рекристаллизации, а могут и усилить совершенство этой текстуры. Важно, что, во-первых, при­ меси и малые добавки, сильно изменяющие текстуру рекристалли­ зации, обычно не влияют на текстуру деформации. Во-вторых, ре­ зультат их влияния на текстуру рекристаллизации зависит не толь­ ко от концентрации, но и от степени деформации, температуры от­ жига и других технологических факторов. Простых закономернос­ тей здесь нет. Противоречивость данных разных исследователей о зависимости характера и степени совершенства текстуры рекрис­ таллизации от степени деформации, температуры и времени про­ межуточного и окончательного отжига для одних и тех же метал­ лов и сплавов, особенно промышленной чистоты, может быть свя­ зана с разным содержанием примесей, в том числе и неконтроли­

руемых.

Важнейшая особенность текстур рекристаллизации — та, что они часто кристаллографически связаны с исходными текстурами деформации. Так, в г. ц. к. металлах решетка рекристаллизованных зерен повернута в пространстве по отношению к решетке де­ формированных зерен вокруг общей оси < 1 Н > на углы около 30—40°. В о. ц. к. металлах текстуру первичной рекристаллизации

часто можно представить как полученную поворотом решетки на угол около 26—30° вокруг оси < 1 1 0 > . В рекристаллизованных металлах с гексагональной плотноупакованной структурой решет­ ка повернута на 30° вокруг направления <0001 > , общего для деформированного и рекристаллизованного зерен.

72

2. П р и р о д а т ек ст у р р е к р и с т а л л и за ц и и

При объяснении текстур рекристаллизации в настоящее время исходят из гипотез ориентированного зарождения и ориентирован­ ного роста рекристаллизованных зерен.

Предполагается, что все зародыши рекристаллизации уже име­ ются в деформированной матрице в виде субзерен. Так, в меди, холоднокатаной с большими обжатиями, удалось выявить, что тек­

которые можно рассматривать как зародыши кубической текстуры рекристаллизованного (металла. Это объясняет, почему степень деформации, температура деформирования и другие условия об­ работки давлением влияют на текстуру рекристаллизации.

Гипотеза ориентированного зарождения предполагает, что вы­ бор ориентировки происходит непосредственно на стадии форми­ рования центров рекристаллизации. Субзерна с определенной ори­ ентировкой получаются более крупными и совершенными и пото­ му служат центрами рекристаллизации. Гипотеза ориентирован­ ного зарождения помогает понять случаи, когда текстура деформа­ ции переходит в качественно тождественную ей текстуру рекри­ сталлизации.

Наиболее важная роль в формировании текстуры рекристалли­ зации принадлежит ориентированному росту зародышей. Соглас­ но гипотезе ориентированного роста, текстура рекристаллизации определяется исходной ориентировкой тех зародышей, скорость роста которых в деформированной матрице максимальна. В меди, холоднокатаной с большими обжатиями, такими зародышами яв­ ляются субзерна с ориентировкой | 100} < 1 0 0 > . Хотя зародышей

с кубической ориентировкой несравненно меньше, чем с главной ориёнтировкой [ 1 1 2 } < ;1 1 1 > , но они, имея в определенных усло­

виях гораздо большую скорость роста, определяют формирование текстуры куба в рекристаллизованном металле, вытесняющей все другие ориентировки.

В холоднокатаной меди во время отжига при 600°С на на­ чальных стадиях первичной рекристаллизации имеются ориенти­ ровки рекристаллизованных зерен ■{1 1 2 } < 1 1 1 > + 1 1 1 0 } < 1 1 2 > ,

характерные для текстуры прокатки, и новые ориентировки } 100 } < Ю 0> + | 110 }< 111 > . С увеличением времени отжига от 1 с до 10 мин все ориентировки, кроме{ 100 } < Ю 0 > , становятся слабее

выраженными, а через 1 ч отжига при 600°С после прохождения собирательной рекристаллизации остается только текстура куба 1100 } < 1 0 0 > . Следовательно, при развитии первичной и собира­

тельной рекристаллизации в меди предпочтительно растут зерна с определенной ориентировкой,' которая постепенно вытесняет все другие ориентировки.

Гипотеза ориентированного роста объясняет, почему решетка рекристаллизованных зерен повернута по отношению к решетке

73

два плотноупакованных атомных слоя] 1 1 1 ]• (черные и светлые

кружки), принадлежащих двум решеткам, развернутым в плоско­ сти чертежа вокруг общей оси < 1 1 1 > , которая перпендикулярна плоскости чертежа. На плоскости раздела двух кристаллов каж­ дый седьмой атом находится в совпадающих узлах. В пространстве такие «узлы совпадения» образуют свою «сверхрешетку» с перио­ дом, большим, чем в обычной решетке данного металла. Сверхре­ шетка из узлов совпадения (светлые кружки) показана на рис. 32,о, б, где граничат два зерна с примитивной кубической решет­

74

кой. Решетки зерен взаимно ориентированы так, чтобы образова­ лась сверхрешетка с высокой плотностью узлов совпадения. Чер­ ные кружки изображают ряды атомов, встречающихся под углом на границе зерен, а светлые (каждый пятый атом на направлении < 1 0 0 > ) — это атомы в узлах совпадения на прямых, например тп, проходящих через оба зерна и принадлежащих сверхрешетке.

Границы зерен, взаимная ориентация которых удовлетворяет соотношению Кронберга — Вильсона, называют границами Крон-

берга—Вильсона, а также границами узлов совпадения или час­ тично сопряженными. В о. ц. к. металлах такие границы наблюда­

Подвижность частично сопряженных границ сильно отличается от подвижности высокоугловых границ с произвольной ориентиров­ кой зерен (рис. 33). В очень чистом металле подвижности высоко­ угловых границ разного типа мало различаются. По некоторым

Рис. 32. Схема строения границы узлов совпадения между кристалла­

оценкам, подвижность частично сопряженных границ в чистом ме­ талле должна быть даже меньше, чем у произвольных, если счи­ тать, что миграция границ происходит путем поочередного перехо­ да атомов от «поедаемого» зерна к растущему. Через более рых­ лую произвольную границу облегчен переход атомов вследствие обмена их местами с вакансиями на самой границе.

75

шетки которых по отношению к решетке деформированной матри­ цы удовлетворяет соотношению Кронберга—Вильсона, обладают наибольшей скоростью роста. Поэтому так часто наблюдаются текстуры рекристаллизации, которые можно геометрически полу­ чить из текстур деформации разворотом кристаллов вокруг общей оси на угол, характерный для данного типа решетки.

Экспериментальное изучение текстур рекристаллизации пока­ зывает, что угол поворота отклоняется на несколько градусов в обе стороны по сравнению с идеальным соотношением Кронберга—Виль­ сона. Это .можно объяснить тем, что такие небольшие отклонения от идеальной структуры границы узлов совпадения еще не приво­ дят к сильной сегрегации на .ней примесных атомов, но зато дела­ ют границу несколько рыхлой (см. рис. 32, б), чем облегчается пе­ реход атомов основного металла от зерна к зерну.

В связи с изложенным становятся понятными рель примесей, в том числе и неконтролируемых, в формировании текстур рекри­ сталлизации, а также сильное влияние температуры отжита на текстуру (с ростом температуры сегрегации примесных атомов на границах размываются тепловым движением и разница в подвиж­ ности особых и произвольных границ может исчезнуть).

Примеси разного сорта по-разному сегрегируют на .произволь­ ных границах, оказывают неодинаковое тормозящее действие на их миграцию и поэтому разной получается текстура рекристалли­ зации.

Гипотезы ориентированного зарождения и ориентированного роста с учетом роли высокой подвижности особых границ и тормо­ зящего влияния примесей помогают понять, почему характер и сте-

76

рекристаллизацией. Кинетика его очень похожа на кинетику пер­ вичной рекристаллизации.

Рост избранных зерен начинается после инкубационного пери­ ода (рис. 35). Размер зерен при вторичной рекристаллизации ли­ нейно растет с увеличением времени отжига, т. е. скорость роста постоянна при данной температуре. С повышением температуры отжига скорость роста зерен при вторичной рекристаллизации эк­ споненциально повышается в соответствии с уравнением (7), а инкубационный период уменьшается.

Увеличение рекристаллизованного объема со временем отжига при вторичной рекристаллизации, как и при первичной изобража­ ется сигмаидальной кривой (сравните рис. 36 и 20). Затухание

процесса вызвано прекращением роста все большего числа зерен при их соприкосновении с соседями.

Вторичная рекристаллизация начинается с определенной тем­ пературы (на рис. 37 г‘вт.р=925°С), ниже которой возможна толь­ ко очень медленная собирательная рекристаллизация. При темпе­ ратуре 925°С за время 1 ч, превышающее инкубационный период вторичной рекристаллизации, размер отдельных зерен увеличива­ ется примерно в 50 раз, достигая величины 10 мм. Основная же масса зерен при 925°С сохраняет размер около 0,02 мм.

Размер зерен получается максимальным при температуре tBT.р, а с ростом температуры выше tBт.р он уменьшается из-за больше­ го числа центров вторичной рекристаллизации. Выше /вт. р уско­ ряется нормальный рост зерен в матрице, и при достаточно высо­ ких температурах собирательная и вторичная рекристаллизация становятся конкурирующими процессами (кривые 1 и 2 на рис. 37 сближаются). При температуре 1200°€ идет только нормальный,

78

равномерный рост зерен. Таким образом, вторичная рекристалли­ зация развивается в определенном интервале температур, в кото­

сталлизации зависят от режимов обработки давлением, промежу­ точных и окончательных отжигов, в том' числе атмосферы отжига, толщины листа и других факторов.

Вторичная рекристаллизация — это не редкий, особый случай роста зерна, как когда-то считали, т. е. не аномальный рост зерна,

априсущее многим металлам и сплавам явление. Она обнаружена

взонноочищенных металлах и металлах технической чистоты, на­ пример в Fe, Си, Ag, Zn, K'i, Pt, Ti, Al, W и Та, в сплавах на

Эксперименты показывают, что в разных металлах и сплавах, в различных условиях обработки даже при неодинаковой толщине листа неравномерный рост зерен может вызываться различными причинами. Но во всех случаях обязательным условием развития вторичной рекристаллизации является так называемая стабилиза­ ция матрицы, т. е. сильное торможение роста большинства зерен, образовавшихся при первичной рекристаллизации. Если матрица в целом стабилизирована, то рост отдельных зерен, по каким-то причинам незаторможенный, и составляет сущность вторичной рек­

79