Оглавление

Глава 6. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗУПРОЧНЕНИЕ 146

ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА 146

Лекция 16

Глава 6. ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗУПРОЧНЕНИЕ

ДЕФОРМИРОВАННОГО МЕТАЛЛА

6.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И СТАДИИ

ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗУПРОЧНЕНИЯ

Для снятия упрочнения и повышения пластичности деформированного металла выполняют его термическую обработку. В основу теории этого процесса положены экспериментальные данные последних 8090 лет. Принято считать, что при нагревании деформированный металл стремится перейти в равновесное состояние, характеризуемое при определенной температуре минимумом свободной энергии. Возврат механических свойств, т.е. снижение прочностных и повышение пластических характеристик металла, начинает ощущаться по мере активации диффузионных процессов. Наиболее низкотемпературным процессом считается «отдых», при котором происходят некоторое перераспределение дислокаций, уменьшение радиуса их кривизны, уменьшение плотности дислокаций одного знака. Скорость отдыха контролируется в основном диффузионным потоком вакансий и примесных атомов вдоль границ и дислокационных трубок, рис. 6.1.

П

Рис. 6.1. Характер изменения предела текучести (1) и пластичности (2) деформированного металла в результате отжига: 1  отдых; II  полигонизация; III  рекристаллизация

ри более высоких температурах отжига дислокационные конфигурации типа скоплений, клубков, жгутов перестраиваются с образованием новых границ, в основном малоугловых. Подобная структура материала, когда весь его объем разбит малоугловыми границами на отдельные микрообъемы (субзерна), названа Р. Каном полигональной, а процесс ее формирования  полигонизацией. Это явление существенно снимает деформационное упрочнение и препятствует протеканию другого процесса  рекристаллизации. На рис. 6.2 в качестве примера показаны полигональная и рекристаллизованная структуры рения после холодной прокатки и последующего отжига.

а)		б)
в)	г)		д)
Рис. 6.2. Структура отожженного рения: а  после полигонизации, 25000 (фольга после отжига при Т=1250 С, просвечивающий электронный микроскоп); б  после полигонизации, протекающей одновременно с рекристаллизацией, 15000 (фольга после отжига при Т = 1350 С, просвечивающий электронный микроскоп); в  после холодной прокатки, степень деформации  = 30%, 120 (оптический микроскоп); г  после первичной рекристаллизации, 120 (после отжига при Т = 1600 С, оптический микроскоп); д  после собирательной рекристаллизации, 120 (после отжига при Т = 1900 С, оптический микроскоп)

Анализ экспериментальных данных позволил сделать заключение, что процесс рекристаллизации состоит в образовании некоего зародыша размером в несколько межатомных расстояний и последующем его росте за счет упругой энергии, накопленной во время деформации. Зародыш должен быть образован синхронным перескоком некоторого количества атомов из неравновесного в равновесное положение, что позволяет сформировать новую границу, разделяющую неравновесную и равновесную фазы. Поскольку вероятность синхронного перескока для большого количества атомов ничтожно мала, считается, что зародыш должен быть весьма мал, d  (34)a, где а  параметр решетки.

Отметим, что теория рекристаллизации создавалась в те времена, когда понятия ротационной пластичности и представления о механизмах образования новых межзеренных границ при пластической деформации еще не были сформулированы.

К моменту окончания первичной рекристаллизации общая поверхность границ равноосных зерен, выросших из зародышей, может быть больше суммарной поверхности вытянутых исходных деформированных зерен. Несмотря на это, свободная энергия у рекристаллизованного металла меньше, чем у деформированного за счет уменьшения плотности дислокаций внутри зерен.

Явление рекристаллизации обычно протекает в соответствии с закономерностями, которые были выявлены экспериментальным путем:

 для протекания рекристаллизации необходима некоторая минимальная пластическая деформация (критическая);

 чем меньше степень предварительной деформации, тем выше температура, необходимая для начала рекристаллизации;

 с увеличением продолжительности отжига температура рекристаллизации снижается;

 конечный размер зерна металла после рекристаллизации в большей мере зависит от степени предварительной деформации, чем от температуры отжига;

 чем больше исходный размер зерна, тем большая степень деформации требуется для того, чтобы рекристаллизация шла при заданной температуре в течение определенного отрезка времени;

 критическая степень деформации, необходимая для получения определенного деформационного упрочнения и для образования зародышей рекристаллизации, увеличивается с повышением температуры деформации;

 поглощение новыми зернами деформированных зерен идентичной или слегка отличающейся ориентации идет с меньшей скоростью;

 продолжение нагревания после первичной рекристаллизации вызывает увеличение размера зерна (процесс собирательной рекристаллизации).

Для описания результатов рекристаллизации строят диаграммы, которыми удобно пользоваться на практике. На этих трехмерных диаграммах, получаемых экспериментально, отражают взаимосвязь размера зерна после рекристаллизации от температуры и степени предварительной деформации при постоянном времени отжига: d=d(,Т), где d  размер зерна после рекристаллизации;   степень предварительной деформации; Т  температура отжига при постоянной его продолжительности, рис. 6.3.

По окончании первичной рекристаллизации, когда весь объем металла занят новыми, практически бездефектными (бездислокационными) зернами, свободная энергия металла значительно уменьшается, но структура остается термодинамически нестабильной. Эта нестабильность проявляется в изменении структуры из-за большой свободной энергии сильно развитой поверхности границ и неуравновешенности поверхностного натяжения на этих границах.

Рис. 6.3. Диаграмма рекристаллизации рения

Экспериментально установлено, что термически стабильной конфигурацией зерен в металле является соединение каждых трех из них с углами при вершине 120. Таким образом, в двухмерной модели зерна должны быть правильными шестиугольниками с прямолинейными сторонами, образующими гексагональную сетку границ. После первичной же рекристаллизации зерна имеют неправильную форму, различные размеры и число граней.

При повышении температуры или увеличении времени выдержки при данной температуре граница начинает мигрировать. Экспериментально установлено, что эта миграция направлена к центру кривизны границы. Рост одних рекристаллизованных зерен за счет соседних путем миграции границ называют собирательной рекристаллизацией. Движущими силами ее является свободная энергия границ зерен, а обязательным условием  неуравновешенность поверхностного натяжения, стремящегося выпрямить искривленные границы и создать равновесную конфигурацию границ в местах тройных стыков.

При отжиге тонких листов размер зерен становится равным толщине листа, их рост замедляется, но зерна продолжают расти в плоскости листа. После того, как их размер в 23 раза превысит толщину листа, рост, как правило, прекращается. Принято считать, что одной из причин тормозящего действия свободных поверхностей является образование канавок термического травления в местах выходов границ зерен на эту поверхность. Канавки образуются из-за ускоренного испарения атомов с межзеренных границ и закрепляют границы, как бы привязывая их к соответствующим участкам поверхности.

Однако в ряде случаев это правило не выполняется. Например, в листах электротехнического железа или в текстурованных фольгах размер зерна может в десятки раз превосходить толщину металла.

Рост зерен при собирательной рекристаллизации может сильно замедлять кристаллографическая текстура, возникающая при первичной рекристаллизации. «Текстурное торможение» обусловлено тем, что границы зерен с небольшой взаимной разориентировкой, которая свойственна совершенной текстуре (подробнее см. главу 7), имеют пониженную энергию _s, а именно _s определяет скорость роста.

Отметим, что в чистых литых или однофазных сплавах при отжиге без предварительной деформации зерна могут быстро расти за счет действия внутренних напряжений, создаваемых дефектами кристаллического строения. При собирательной рекристаллизации зерна укрупняются более или менее равномерно, и металл можно характеризовать одним средним значением размера зерна.

В определенных условиях при нагревании деформированного металла может быть получена структура, состоящая из множества сравнительно мелких зерен приблизительно одинакового размера и гораздо меньшего числа очень крупных зерен, которые иногда могут достигать размеров до нескольких сантиметров. Такая структура возникает в результате неравномерного роста зерен, называемого вторичной рекристаллизацией: большинство зерен укрупняется очень медленно или практически вообще не растет, а отдельные зерна вырастают до больших размеров, «поедая» свое мелкозернистое окружение.

Процесс вторичной рекристаллизации  избирательный рост отдельных зерен  происходит при стабилизации размеров основного количества зерен и росте на этом фоне некоторых «нестабилизированных» зерен.

Причинами стабилизации зерен при собирательной рекристаллизации могут быть

• дисперсные частицы или сегрегации примесей на границах;

• «текстурное торможение»;

• «эффект толщины».

Если, например, матрица стабилизирована частицами второй фазы, то в силу случайных обстоятельств из-за неравномерности распределения или растворения этих частиц границы одних зерен могут быть заблокированы значительно слабее, чем границы большинства зерен. Именно такие зерна способны к избирательному росту.

Если матрица стабилизирована «эффектом толщины», то решающее влияние на скорость роста оказывает энергия свободной поверхности зерен _s. Рост зерен, у которых грани с минимальной энергией совпадают с поверхностью листа, будет энергетически выгоден по сравнению с ростом других зерен, поскольку в этом случае обеспечивается минимальная поверхностная энергия системы.

Подводя итог сказанному, следует отметить, что процессы, происходящие в деформированном металле при нагревании  полигонизация и рекристаллизация  представляют собой образование новых границ, ограничивающих зародыш нового зерна, и их последующую миграцию, которая приводит к росту рекристаллизованного зерна. Отличие полигонизации от рекристаллизации состоит лишь в том, что при полигонизации образуются малоугловые границы, низкоэнергетические и малоподвижные, а при рекристаллизации  высокоугловые, высокоэнергетические (за исключением специальных) и подвижные.