6.2. Движущие силы термического разупрочнения

Основные положения, необходимые нам для описания движущих сил разупрочнения металла, сформулируем следующим образом:

1. При пластической деформации происходят процессы упрочнения и разупрочнения. При упрочнении в металле накапливается упругая энергия дефектов кристаллического строения. Процессы термического разупрочнения самопроизвольны и стимулируются диффузией, активно протекающей в металлах при температурах Т0,2Т_пл, а также повышенной подвижностью дефектов.

Деформационное упрочнение происходит в металлах, как при холодной, так и при горячей деформации, однако при повышенных температурах дислокационные структуры распадаются (благодаря повышенной подвижности дислокаций) и деформационное упрочнение снимается полностью за небольшое время, причем . Чем вышетемпература металла, тем быстрее происходит разупрочнение, чем больше время отжига, тем более полно протекает разупрочнение. При разупрочнении происходят процессы возврата и рекристаллизации. Наиболее активно процессы разупрочнения проходят на стадиях полигонизации и рекристаллизации.

2. Рекристаллизацию, происходящую в металлах, можно трактовать не только как образование и рост зародышей нового зерна, но и как процесс образования новых границ с последующим возможным перемещением новых границ. При рекристаллизации меняется объёмная энергия зёрен металла и поверхностная энергия границ. В результате суммарная энергия уменьшается. «Строительным материалом» для новых границ являются появившиеся в металле во время деформации дислокационные границы и другие дислокационные образования  скопления, сплетения, стенки. Такой подход позволит по поведению границы исследуемого зерна прогнозировать изменение формы и размера зерна металла. То есть рекристаллизация может быть описана через поведение границ (их образование и перемещение).

3. При такой постановке задачи в математическом плане не имеет смысла подразделять полигонизацию и рекристаллизацию, которые, по сути, различаются только углами разориентировки или энергией границы раздела между объемами металла. На микрофотографии структуры рения после отжига при Т = 1350С (см. рис. 6.2,б) видны участки зерна, где дислокационные ячейки превратились в полигональные путем перестройки стенок дислокационных ячеек в малоугловые границы; справа внизу на фотографии видна часть растущего рекристаллизованного зерна. Отметим, что размер полигональных ячеек приблизительно равен размеру дислокационных ячеек в деформированном металле.

В физическом плане полигонизация и рекристаллизация – это разные явления, так как полигонизация не обязательно является начальной стадии рекристаллизации. Как показано выше, при степенях деформации менее критической полигонизация проходит, а рекристаллизация – нет.

6.2.1. Образование зародышей рекристаллизации во время горячей деформации и при отжиге

Рассмотрим образование зародыша рекристаллизации при выдержке Т=const во время горячей деформации. В металле действуют внешние напряжения . Выполнив анализ изменения энергии системы при переходе ее из деформированного состояния в рекристаллизованное, запишем условие образования «бездефектного зародыша» (или образования новой границы), как это было сделано ранее (см. раздел 4.5):

, (6.1)

где _упр  напряжения от деформационного упрочнения.

При статической рекристаллизации первый член равен нулю.

Выражение (6.1) свидетельствует о том, что энергия деформационного упрочнения и часть работы пластической деформации были во время превращения израсходованы на образование новой границы, отгораживающей зародыш от остального объема металла. В рассматриваемой ситуации дефекты кристаллического строения в объеме v являются «строительным материалом» для «вновь возведенной» межзеренной границы, а напряжения от границы _s/а_гр  энергетическим барьером, который необходимо преодолеть при ее формировании. Величина барьера зависит от удельной энергии границы, зависящей от её типа (мало- или большеугловая) и строения. Образование новой границы свидетельствует о появлении некоторого объема v, свободного от внутренних напряжений, поскольку эти напряжения вместе с создающими их дефектами (дислокациями или дислокационными конфигурациями) были использованы при создании новой границы. Новая граница создает вблизи себя поля упругих напряжений (см. раздел 4.5). Таким образом, появление зародыша связано с перераспределением дефектов кристаллического строения и преобразованием упругой энергии дислокаций в поверхностную энергию новой границы.

Отметим, что переход одного типа энергии в другой в данном случае носит чисто условный характер, который используется нами только для удобства описания явления. В действительности, как мы уже отмечали ранее, и упругая энергия дефектов, и энергия границ раздела имеют одну природу искажение энергии электростатического ион-электронного взаимодействия в металлах за счет либо изменения радиуса взаимодействия, либо зарядового числа, приходящихся на одну межатомную связь.

Заметим, что появление зародыша нового зерна и новой границы, отгораживающей его от остального металла,  две неотделимые стороны одного явления. В роли зародышей могут выступать дислокационные ячейки, стенки которых перестраиваются в новые границы субзёрен в ходе предрекристаллизационной полигонизации. Это отмечается экспериментально, см. рис.6.2,б. Разориентация ячеек, было показано в гл. 5, может составлять углы от нескольких минут до десятков градусов; последнее наблюдается после ротационной пластичности по разные стороны границы фрагмента. Размер зародышей новых зерен, как и размер дислокационных ячеек или фрагментов практически не бывает менее 0,2 мкм.

Выполним численную оценку условий динамической рекристаллизации по критерию (6.1) на примере меди при температуре Т = 1100 К. Пусть во время горячей деформации возникает новая межзеренная граница с удельной энергией _s = 0,15_s = 0,17 Дж/м². При а_гр = 1,1а = 0,4 нм энергетический барьер для образования новой границы составляет _s/а_гр = 420 МПа. Считаем, что при больших скоростях деформации >10² с^1 релаксационные процессы произойти не успевают и при выполнении условия _упр образование новых границ произойдет при деформирующих напряжениях   210 МПа.

Сопротивление деформации меди при 1100 К и скорости деформации 10² с^1, равное =210 МПа, не достигается [18]. По этой причине при указанных условиях деформации не может образоваться высокоугловая граница с энергией _s = 0,15_s, но возникают малоугловые границы с более низкой энергией, т.е. термическое разупрочнение происходит путем полигонизации. Именно это явление и обнаруживается в меди и некоторых ее сплавах при горячей деформации, а элементы рекристаллизации появляются после больших степеней деформации, >(5060)%.