7.2 Рекристаллизация

Наклепанный металл, вследствие возникших нарушений кристаллической структуры и накопления в ней большого количества дефектов, обладает значительным избытком свободной энергии и поэтому находится в неустойчивом, метастабильном состоянии. Явление наклепа часто используется на практике, как упрочнявшая обработка готовых деталей. Но иногда повышение прочностных характеристик при холодной деформации металла (ковка, штамповка, гибка при низких температурах деформации) может оказаться нежелательным и даже опасным.

Благодаря своей метастабильности наклепанный металл может оказаться недостаточно надежным при работе детали - дислокации, которых много накопилось в металле, могут начать движение.

Для устранения наклепа необходимо возвратить металлу его прежние свойства. Такую операцию проводят путем, так называемого рекристаллизационного отжига.

Процесс освобождения деформированного металла или сплава от искажений и дефектов его кристаллической структуры, сопровождающийся снятием внутренних напряжений, образованием новых равноосных зерен, взамен деформированных, снижением прочности, твердости и повышением пластичности называется рекристаллизацией.

Типичное, почти всегда наблюдаемое изменение твердости (Н) в зависимости от температуры нагрева упрочненного наклепом металла показана на рис.7.3. Пластичность изменяется противоположным образом - скачком растет при Т = Т₁. Высокая твердость наклепанного металла остается почти неизменней при нагреве вплоть до температуры Т₁. В интервале Т₁-Т₂ происходит быстрое её снижение до уровня, соответствующего твердости сплава в исходном состоянии (до наклепа).

Исследования микроструктуры показывают неизменность строения до температуры Т₁.

Далее в интервале Т₁-Т₂ разупрочнение происходит одновременно с изменением структуры - появлением центров кристаллизации и зародышей новых кристаллов, чаще в местах стыков старых зерен. Дальнейшее повышение температуры сопровождается укрупнением новых зерен, полным исчезновением старых и получением равноосной перекристаллизованной структуры.

Рис.7.3. Изменение твердости и структуры в зависимости от температуры нагрева упрочненного наклепом металла: 1 - после наклепа; 2,3 - после наклепа и отжига.

Процесс рекристаллизации состоит из нескольких последовательных стадий.

1. Процесс, протекающий при наиболее низких температурах (до Т₁, pиc. 7.3) и не обнаруживаемый металлографическим методом, сопровождается изменением более тонкого кристаллографического строения. Об этом свидетельствуют данные рентгеноструктуркого анализа. Линии на рентгенограммах, размытые вследствие искажений решетки после деформирования, становятся более четкими.

Исследования показали, что на этой стадии в металле происходит снятие части внутренних напряжений и частичное устранение упругих искажений кристаллической решетки. Эту первую стадию рекристаллизации, характеризующуюся частичным снятием последствий наклепа без образования новых кристаллов, называют возвратом или отдыхом. Одной из разновидностей возврата при легком нагреве наклепанного металла является полигонизация, когда беспорядочно расположенные после наклепа дислокации путем небольших перемещений группируются в ряды, образующие стенки блоков из дислокаций. В результате зерна металла оказываются разделенными на ряд мелких блоков, повернутых относительно друг друга на малый угол, но обладающих более совершенной, почти бездефектной решеткой.

2. При повышении температуры нагрева выше Т₁ деформированная структура постепенно заменяется новыми зернами, вследствие чего наступает резкое изменение механических свойств металла: твердость и прочность падают, а пластичность возрастает.

Превращения, протекающие на этой стадии (часто называемые первичной рекристаллизацией) являются типичным кристаллизационным процессом, при котором в деформированной структуре происходит зарождение кристаллических центров и рост зерен вокруг них. Ориентация новых зерен произвольна и не зависит от ориентации старых зерен и текстуры наклепанного металла. Конечное строение металла представляется снова в виде равноосных кристаллов, как это обычно получается после отжига. Именно такую термическую обработку наклепанного металла, приводящую к полной перекристаллизации, называют рекристаллизационным отжигом.

3. При увеличении выдержки и дальнейшем повышении температуры рост зерен продолжается. Причиной, влияющей на протекание этого процесса, называемого вторичной или собирательной рекристаллизацией, является то, что зерна после заполнения ими всего объема мелки, не вполне однородны и термодинамически устойчива, так как суммарная поверхность их искаженных границ очень велика и запас свободной поверхностной энергии большой. Рост зерен при собирательной рекристаллизации способствует успокоению и стабильности структуры.

Температура рекристаллизационного отжига для различных металлов не является постоянной величиной. Существует приближенная зависимость температуры рекристаллизации от температуры плавления металла, предложенная А.А.Бочваром .

Однако, при выборе режима рекристаллизационного отжига, надо учитывать такие факторы, как степень деформации обрабатываемого материала, величина исходных зерен, количество примесей в металле и т.п. Эти факторы могут несколько сдвигать температуру рекристаллизации в ту или другую сторону.

Процесс рекристаллизации имеет важное практическое значение. Он, является единственным методом, позволяющим получать мелкозернистую структуру в крупнозернистых металлах, не претерпевающих полиморфных превращений. Широко применяется рекристаллизационный отжиг и в тех случаях, когда частично наклепанный металл подготавливают к последующей механической обработке (например, резание иди холодная деформация вытяжкой, прокаткой, волочением и т.п.).