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

ристаллизации. Следовательно, при анализе причин вторичной ре­ кристаллизации в каждом конкретном случае необходимо уста­ новить, во-первых, почему стабилизирована матрица и, во-вторых,

.почему отдельные зерна могут беспрепятственно расти, поедая стабилизированную матрицу.

Причинами стабилизации рекристаллизованной матрицы мо­ гут быть: а) дисперсные частицы или сегрегации примесей на гра­ ницах; б) «текстурное торможение» и в) «эффект толщины». Все они уже были рассмотрены в § 9 при обсуждении причин тормо­ жения роста зерна во время собирательной рекристаллизации. Роль торможения дисперсными частицами, «текстурного торможения» и «эффекта толщины» доказана экспериментально в разных кон­ кретных случаях вторичной рекристаллизации.

Более сложно выяснить, какие из рекристаллизованных зерен в стабилизированной матрице могут быстро расти, т. е. служат центрами вторичной рекристаллизации. При этом важно понять, почему они способны превзойти по размеру своих соседей на на­ чальной стадии вторичной рекристаллизации. Последующий их рост вполне понятен, так как границы крупного зерна обращены вог­ нутостью в сторону мелких зерен (рис. 34 и зерна 10 и 50 на рис. 30) и должны мигрировать по направлению к своему центру кри­ визны. При выпрямлении границ крупного зерна в тройных сты­ ках его с мелкими зернами нарушается равновесие сил поверхно­ стного натяжения и тройные стыки перемещаются в сторону мел­

ким путем крупное зерно непрерывно растет, поедая мелкие зерна, пока все они не исчезнут. Процесс этот аналогичен рассмотренно­ му в § 9 процессу укрупнения зерен при собирательной рекристал­ лизации, за тем исключением, что растут немногие зерна в окру­ жении множества мелких, рост которых сильно заторможен.

Вернемся к вопросу, какие же зерна в стабилизированной мат­ рице на начальной стадии вторичной рекристаллизации имеют воз­ можность превзойти своих соседей по размеру, т. е. являются по­ тенциальными центрами вторичной рекристаллизации.

Если матрица стабилизирована дисперсными частицами второй фазы, то в силу случайных обстоятельств из-за неравномерности распределения этих частиц границы отдельных зерен могут быть значительно слабее заблокированы, чем границы большинства зе­ рен, и такие зерна способны к избирательному росту. Тормозящее

ляции и растворению. Если тормозящее влияние слабое, то матри­ ца недостаточно стабилизирована и происходит нормальный раз­ номерный рост зерен. Если тормозящее действие частиц чрезмерно сильное, например объемная доля их очень большая, то матрица так «перестабилизирована», что не находится зерен, способных к росту и вторичная рекристаллизация не идет.

80

Если вторичная рекристаллизация полезна (см. § 14), то опти­ мальные для ее развития количество, размер и распределение ди­ сперсных частиц достигаются введением специальных добавок, сочетанием режимов обработки давлением и термической обра­ ботки.

Если причиной стабилизации матрицы служит совершенная текстура, возникшая при первичной рекристаллизации, то боль­ шинство зерен разделено границами с небольшим углом разориентировки и соответственно с низкой зернограничной энергией, вследствие чего эти границы малоподвижны. В условиях «тек­ стурного торможения» к избирательному росту способны те не­ многие зерна, ориентировка которых сильно отличается от глав­ ной ориентировки стабилизированной матрицы. Максимальной подвижностью обладают границы зерен, удовлетворяющие соот­ ношению Кронберга—Вильсона или близкие к ним по структуре. Поэтому, если после первичной рекристаллизации имеется некото­ рое число зерен, отделенных от остальных частично сопряженны­ ми границами, то эти зерна быстро растут при вторичной рекри­ сталлизации и весь металл приобретает их ориентировку. Именно такова природа вторичной рекристаллизации в меди. Понятно так­ же, что чем совершеннее текстура первичной рекристаллизации, тем ярче проявляется и вторичная рекристаллизация.

ками термического травления в местах выхода границ на поверх­ ность листа, то решающее влияние на скорость роста оказывает энергия свободной поверхности зерен. У кристаллов трансформатор­ ной стали (Fe+3% Si) грани | 110} обладают минимальной по­

верхностной энергией (как грани с максимальной плотностью упа­ ковки атомов в о. ц. к. решетке). Поэтому рост кристаллов, у ко­ торых грани | ПО } совпадают с поверхностью листа, будет

энергетически выгоден по сравнению с ростом всех других крис­ таллов.

Поверхностная энергия граней кристаллов Fe — 3% Si оказа­ лась очень чувствительной к составу окружающей атмосферы (изза явления адсорбции). Когда в атмосфере отжиговой печи содер­ жится кислород, то грани j 100 } имеют меньшую поверхностную

энергию, чем грани | 110}. Поэтому если отжиг в вакууме или су­

хом водороде приводит к образованию при вторичной рекристалли­ зации в тонких листах трансформаторной стали ребровой тек­ стуры | ПО } < Ю 0 > , то отжиг в атмосфере, содержащей кисло­

род, приводит к образованию при вторичной (рекристаллизации кубической текстуры | 100}<100>. Регулируя атмосферу (атакже

состав сплава), можно через изменение энергии свободной поверх­ ности изменять текстуру вторичной рекристаллизации, вызывая избирательный рост зерен с минимальной энергией граней, выхо­ дящих на поверхность листа. Естественно, что такое регулирование текстуры вторичной рекристаллизации возможно только в листах,

81

толщина которых соизмерима с размером зерен, образовавшихся при первичной и собирательной рекристаллизации.

Зная влияние дисперсных частиц избыточных фаз, текстуры пер­ вичной рекристаллизации, атмосферы отжига, толщины изделия и других факторов на стабилизацию матрицы и избирательный рост зерен, можно управлять процессом вторичной рекристаллизации ('подавляя или развивая ее), изменяя состав сплава, режимы обра­ ботки давлением и термической обработки.

§12. РАЗМЕР РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННОГО ЗЕРНА

ВОТОЖЖЕННОМ МЕТАЛЛЕ

Размер рекристаллизованного зерна — одна из важнейших характеристик отожженного металла. Время отжига, как правило, превышает продолжительность рекристаллизации обработки. По­ этому на размер зерна отожженного металла влияют все те факто­ ры, которые сказываются и на первичной, и на собирательной ре­ кристаллизации. Анализируя факторы, влияющие на размер зерна при первичной рекристаллизации, удобно оперировать теми же па­ раметрами, которые широко используются в теории фазовых пре­ вращений, а именно величинами с. з. ц. и л. с. р. Скорость зарож­ дения центров рекристаллизации (о. з. ц.) измеряется числом но­ вых кристаллов, возникающих в единицу времени в единице объе­ ма. Линейная скорость роста новых кристаллов (л. с. р.) является скоростью перемещения границы зерна.

Размер зерна к моменту окончания рекристаллизации обработ­

чания первичной рекристаллизации зерна укрупняются вследствие собирательной рекристаллизации. Поэтому на конечный размер зерна влияет также линейная скорость роста кристаллитов при со­ бирательной рекристаллизации (вторичная рекристаллизация по­ ка не рассматривается).

Многочисленные опыты показывают, что к основным факто­ рам, влияющим на конечный размер зерна отожженного металла относятся следующие: температура и время отжига, степень дефор­ мации, размер исходного (до деформации) зерна, скорость на­ грева и, конечно, химический состав.

С повышением температуры отжига с. з. ц. и л. с. р. увеличи­ ваются. Если оба параметра изменяются в зависимости от темпе­ ратуры в одинаковой степени, то размер зерна при первичной ре­ кристаллизации не должен зависеть от температуры отжига. Если же с. з. ц. увеличивается с повышением температуры интенсивнее, чем л. с. р., то размер зерна к моменту окончания первичной ре­ кристаллизации должен быть тем меньше, чем выше температура отжига. Оба случая неоднократно наблюдались при отжиге алю­ миния, алюминиевых сплавов, латуни и других сплавов. На пер­ вый взгляд может показаться, что эти факты не согласуются с

82

обычными представлениями об укрупнении зерна .при повышении температуры отжига. Кажущееся противоречие объясняется тем, что выше речь шла о размере зерна к моменту окончания первич­ ной рекристаллизации, а обычно продолжительность отжига пре­ вышает длительность первичной рекристаллизации. В последнем случае укрупнение зерна при повышении температуры отжига объясняется интенсифицированием собирательной рекристалли­ зации. На рис. 38 представлен наиболее типичный характер за­ висимости размера зерна от температуры отжига при постоянном

Рис. 38. Зависимость размера рекр.и'сталлйзо-

Рис. 39. Влияние времени выдержки на раз­ мер зерна никеля при двух температурах от­ жига (И. И. Новиков, И. Л. Рогельберг)

времени выдержки. Иногда в области высоких температур рост зерна затухает или полностью прекращается с повышением тем­ пературы. Причинами ограничения роста зерна могут быть оп­ лавление по границам кристаллитов или приближение среднего

размера зерна к толщине образца.

С увеличением продолжительности отжига размер зерна воз­ растает с затуханием, так как при собирательной рекристаллиза­ ции скорость роста постепенно уменьшается и размер зерна приб­ лижается к предельному для данной температуры значению (рис.

39).

Если при отжиге получен предельный для данной температуры размер зерна, то его можно увеличить, проводя новый отжиг при более высокой температуре. С повышением температуры облегча­ ется переход атомов с одного зерна на другое. Кроме того, при по­ вышении температуры отжига могут размываться сегрегации при­ месных атомов на границах зерен и частично растворяться избы­ точные фазы, тормозящие миграцию границ во время собиратель­

ной рекристаллизации.

Исключительно сильно на размер зерна в момент окончания первичной рекристаллизации влияет степень деформации (рис. 40

83

от механизма рекристаллизации в закритической области, т. е. при более высоких степенях деформации.

Структурные изменения при отжиге деформированного метал­ ла после критической деформации и близких к ней до- и закритических деформаций наиболее подробно экспериментально изучены и проанализированы С. С. Гореликом. Эти изменения состоят в следующем.

При отжиге после докритических деформаций происходит полигонизация, а также перемещение высокоугловых границ деформи­ рованных зерен на небольшие расстояния, составляющие всего лишь сотые — десятые доли размера зерен.

С увеличением степени деформации в докритической области возрастает неоднородность наклепа разных зерен. Критическая степень деформации соответствует состоянию, когда эта неодно­ родность становится столь большой, что из-за разности в накоплен­ ной объемной энергии соседних зерен при нагреве идет быстрая миграция отдельных границ на расстояния, соизмеримые с разме­ ром зерен, т. е. отдельные исходные зерна растут за счет сосед­ них зерен.

Общая плотность дислокаций и избыток дислокаций одного знака при критической деформации еще недостаточны, чтобы выз­ вать при нагреве образование новых высокоугловых границ, обра­ зование центров первичной рекристаллизации. Следовательно, при отжиге после критической деформации протекает не первичная рек­ ристаллизация, а одни слабо деформированные зерна укрупняются

велики, что ори отжиге быстро образуется большое число центров первичной рекристаллизации, которая охватывает весь объем ме­ талла.

С этим процессом не может конкурировать более медленный рост деформированных зерен за счет соседей вследствие миграции исходных границ, так как разница в накопленной энергии соседних деформированных зерен несравненно меньше, чем разница в объ­ емной энергии деформированных и новых рекристаллизованных зерен.

При отжиге после деформаций, не намного превышающих кри­ тическую, когда число центров первичной рекристаллизации еще очень мало, конкурируют два процесса: укрупнение зерен вследст­ вие миграции исходных границ и рост новых зерен из центров пер­ вичной рекристаллизации. Второй процесс приводит к тому, что средний размер зерен получается меньше, чем при отжиге после критической деформации.

Величина критической деформации зависит от температуры отжига, температуры деформирования, состава сплава (чистоты металла) и исходной структуры.

85

Чем выше температура отжига, тем меньше критическая дефор­ мация (рис. 41.). Это вполне понятно, так как чем выше темпера­ тура отжига, тем при меньшей разности в накопленной энергии со­ седних зерен может начаться процесс роста зерен благодаря по­ вышенной подвижности атомов.

С повышением температуры деформирования критическая де­ формация, выявляемая при последующем отжиге, возрастает (рис. 42). При более высоких температурах деформирования тре­

небольших количеств марганца и железа обусловлено тем, что они в отличие от цинка и меди очень мало растворимы в твердом алю­ минии и образуют дисперсные частицы фаз, тормозящие миграцию границ исходных деформированных зерен.

При больших степенях деформации и очень высоких темпера­ турах отжига у алюминия, меди и некоторых сплавов обнаружено появление второго максимума размера зерна (рис 45). В отдель­ ных случаях, например у электролитической меди при степени об-

86

жатия более 80% и температуре отжига более 1000°С, зерно круп­ нее, чем при критической деформации у первого максимума. Мож­ но предположить, что благодаря совершенной текстуре, возникаю­ щей при больших степенях деформации, при высокотемпературном

Содержание элемента, %

Рис. 44. Влияние разных элементов на критическую степень деформадии алюминия. Отжиг 500°С, 30 мин (В. 3. Захаров, И. И. Но­ виков, Я. Л. Рогельберг, Яо Минь-чжи)

лизации.

Размер рекристаллизованного зерна после собирательной рек­ ристаллизации обычно тем больше, чем крупнее исходное зерно. Это легко объяснить тем, что центры первичной рекристаллизации возникают предпочтительно у границ зерен. Разница в размере рекристаллизованных зерен значительно 1меньше, чем исходных, причем с повышением степени деформации влияние исходного зер­ на ослабевает.

87

Диаграммы рекристаллизации

Зависимость размера зерна от всех рассмотренных выше фак­ торов невозможно изобразить графически в виде одной диаграм­ мы. Довольно большое распространение получили пространствен­ ные диаграммы рекристаллизации, показывающие зависимость размера зерна металла или сплава от степени деформации и тем­ пературы отжига при определенном времени выдержки (рис. 46).

и-10впкм2

Рис. 46. Диаграмма рекристаллизации электролитического железа. Исход­ ная обработка: ковка и отжиг при 930°С. Окончательная обработка: хо­ лодное осаживание и отжиг 1 ч (Обергоффер, Ортель)

Эти диаграммы дают возможность в самом первом приближении выбрать режим отжига для получения желательной структуры.

Вертикальные разрезы пространственной диаграммы рекри­ сталлизации при постоянной степени деформации и постоянной тем­ пературе отжига являются графиками типа тех, что изображены на рис. 38 и 41 соответственно. На нижней горизонтальной плоскости диаграммы рекристаллизации часто проводят кривую зависимости температуры начала рекристаллизации от степени деформации (см. пунктир на рис. 46).

Пользуясь диаграммами рекристаллизации, необходимо строго учитывать те условия, при которых они получены, а именно: вре­ мя отжига, содержание примесей, исходный размер зерна, скорость нагрева при отжиге, вид обработки давлением и др. Поэтому каж­ дую диаграмму рекристаллизации следует сопровождать подроб­ ными сведениями об исходном состоянии и окончательной обра­ ботке металла. Так как весьма небольшие колебания в содержа­ нии примесей, а также различные неучитываемые факторы сущест­

89