2.1.2. Рекристаллизация

Рекристаллизация - это многостадийный процесс полной или частичной замены старых деформированных зерен данной фазы другими новыми зерна-

ми этой же фазы с меньшими энергией и количеством дефектов (рис.3).

а б в г д

Рис.3. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а - наклепанный (деформированный) металл; б - начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации;

г, д - стадии собирательной и вторичной рекристаллизации соответственно

В деформированных металлах рекристаллизация может протекать лишь, если предварительная деформация превышала критическую степень, а отжиг проводится при нагреве выше температуры Т_п.р - температурного порога рекристаллизации. Величина Т_п.р обусловлена началом диффузии и поэтому связана с температурой плавления Т^*_пл соотношением, называемым правилом Бочвара:

Т_п.р = α ^. Т_пл ,

где коэффициент α = 0,3-0,5 и зависит от чистоты металла и степени предварительной деформации. Для металлов технической чистоты коэффициент α составляет 0,3...0,4, при уменьшении концентрации примесных атомов в металле коэффициент умень­шается до 0,1...0,2, а в твердых растворах он увеличивается до 0,5...0,6. Изменение температурного порога рекристаллизации в присутствии инородных атомов связано с их влиянием на подвижность дислока­ций: в процессе рекристаллизации изменяется дислокационная структура металла, что требует подвижности дислокаций. Однако примесные атомы, создавая, например, атмосферы Коттрелла², уменьшают эту подвижность.

Таким образом, скорость рекристаллизации определяется, в основном, тремя факторами: чистотой металла, степенью предварительной деформации и температурой. Различные стадии рекристаллизации отличаются между собой характером исходного состояния металла и движущими силами процесса.

Первая стадия, называемая первичной рекристаллизацией, состоит в зарождении и росте в деформированной матрице новых, значительно бо-

лее совершенных зерен, свободных от искажений и отделенных от деформи-

рованных зерен границами с большими углами разориентации. Плотность дислокаций в таких зернах близка к равновесной (~10⁷–10⁸ см/cм³).

Температура начала первичной рекристаллизации (появления первых рекристаллизованных зерен) Т_р не является постоянной характеристикой металла, например, как температура плавления, а зависит от степени предварительной деформации, продолжительности отжига и присутствия в металле примесных атомов. Чем выше степень предварительной деформации, тем более нестабильна структура деформированного металла, и тем выше тер- модинамический стимул процесса первичной рекристаллизации. Это повыше-

ние стимула процесса скажется на понижении температуры начала первичной рекристаллизации ( до ~ 0,4 Т_пл после больших ε). Однако, температура начала рекристаллизации не может опуститься ниже порогового значения Т_п.р .

Начальное число зародышей, возникающих при первичной рекристаллиции зерен, возрастает с увеличением степени предварительной деформации.

На начальной стадии первичной рекристаллизации микроструктура характеризуется неоднородностью, что является следствием неоднородности структурных изменений при предшествующей пластической деформации. Зародыши рекристаллизованных зерен образуются в участках с максима-

льной плотностью дислокаций (на границах и стыках дефомированных зерен) - (рис.3,б). В структуре на фоне вытянутых, более темных деформированных зерен резко выделяются новые, более светлые зерна, окруженные высокоугловыми границами (рис.4).

Рис. 4. Начальная стадия первичной рекристаллизации вольфрама. Степень предварительной деформации ε =60 %, × 600

Глав­ное отличие вновь появившихся зерен от старых деформированных -это более совершенное их строение: если плотность дислокаций в деформированных зернах составляет ~10⁹–10¹⁰ см/cм³, то в новых зер­нах- 10⁷...10⁸ см/cм³. И поэтому суще­ствование их энергетически более выгодно системе. Поэтому межзеренные границы на­чинают двигаться (смещаться) в сторону деформированных кристаллитов, и происхо­дит их поглощение новыми рекристаллизованными зернами.

Первичная рекристаллизация заканчивается полным замещением новыми равноосными зернами всего объема деформированного металла. Структура состоит из множества мелких зерен, имеющих размер порядка нескольких микрометров. Границы зерен, как правило, - извилистые, а углы их стыка могут быть больше или меньше 90⁰. Структура может быть разнозернистой (рис.3,в; рис.5). При этом в деформированном металле полностью снимается наклеп, плотность дислокаций снижается до 10⁷ - 10⁸ см^-2, характерной для недеформированного металла, что приводит к резкому понижению твердости, а свойства, в целом, приближаются к свойствам отожженного металла.

При малых степенях деформации (менее 30%) структуру деформиро-

ванных и рекристаллизованных зерен различить трудно. Поэтому в этом слу-

чае исследование процесса первичной рекристаллизации лучше проводить с

помощью не микроскопического, а рентгеноструктурного анализа или измерять какие-либо физические свойства.

Рис. 5. Микроструктура вольфрама после первичной рекристаллизации, × 600

Энергия Гиббса рекристаллизованной структуры повышена из-за сильно разветвленной поверхности границ зерен, т.е. повышена зернограничная энергия. Стремление системы к минимуму энергии за счет уменьшения удельной протяженности границ зерен, при­водит к тому, что при дальнейшей выдержке в печи или нагреве металла до более высоких температур более крупные рекристаллизованные зерна растут за счет мелких сосед­них кристаллитов.

Таким образом, после окончания первичной рекристаллизации наступает следующий этап - нормальный рост зерна², или собирательная рекристаллизация – самопроизвольное укрупнение уже недеформированных кристаллитов путем поглощения их друг другом, благодаря чему уменьшается суммарная поверхностная энергия. Более крупные зерна поглощают соседние более мелкие путем перехода атомов через границу раздела (рис.3,г; рис.6). Данная стадия характеризуется формированием стабильной структуры со статистически однородными равноосными укрупненными зернами с ровными границами и углами между ними в стыках приблизительно 120 градусов. Особенность этого процесса - отсутствие зерен, имеющих преимущественные условия роста.

Вторичная рекристаллизация - это процесс предпочтительного укрупнения некоторых зерен, протекающий при дальнейшем нагреве деформированного металла, когда в нем уже завершились первичная и собирательная рекристаллизация.

На начальных стадиях процесса формируется разнозернистая структура, в которой сосуществуют зерна - гиганты размером до нескольких десятков

Рис. 6. Микроструктура вольфрама после начальных стадий собирательной рекристаллизации. Произошло выравнивание границ зерен, ×600

миллиметров и мелкие зерна размерами в несколько микрометров (рис.7).

Рис.7. Микроструктура вольфрама в начальной стадии вторичной рекристаллизации: зерна-гиганты сосуществуют с мелкими зернами обычных размеров, ×100

Вторичная рекристаллизация завершается формированием грубозерни-

стой структуры с зернами от нескольких миллиметров до сантиметра (рис.8).

Рост зерен при собирательной и вторичной рекристаллизации практи-

чески не изменяет твердость, достигнутую при первичной рекристаллизации.

Вторичная рекристаллизация, формирующая крупное зерно и разно-

зернистость, снижает показатели пластичности.

Рис.8 Грубозернистая структура вольфрама, сформировавшаяся

после вторичной рекристаллизации, ×8

Рекристаллизация многофазных сплавов – сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и объемные соотношения между фазами.