Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Содержание

1 Первичная рекристаллизация
2 Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла
3 Процесс — рекристаллизация
4 Участок — рекристаллизация
5 Рекристаллизационный процесс
6 Свойства пластически деформированных металлов
7 Описание процесса

Первичная рекристаллизация

Первичная рекристаллизация и рост зерен являются необратимыми процессами, включающими образование и дальнейшую миграцию внутренней поверхности раздела. Так или иначе, эти процессы являются однофазными кинетическими превращениями.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании зародышей и росте новых зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Зародыши новых зерен возникают у границ и особенно в местах пересечения границ зерен, пачек скольжения двойников. В местах, связанных с наибольшими искажениями решетки при наклепе, происходит перемещение атомов, восстановление решетки и возникновение зародышей новых равноосных зерен. Вначале процесс протекает медленно, происходит зарождение центров кристаллизации, затем образуются мелкие зерна, которые растут и входят в непосредственное соприкосновение друг с другом.

Миграция границы, вызванная деформацией, в кристалле алюми -. ния ( е40 %, отжиг в течение 1 ч при 328 С. Каждое зерно локально выпячивается в соседнее ( длина масштабного отрезка 50 мкм. ( С разрешения Р. Доэрти.

Первичная рекристаллизация происходит за счет разницы в свободных энергиях деформированных зерен с высокой плотностью дислокаций и бездислокационных зерен.

Первичная рекристаллизация сопровождается увеличением скорости диффузии. Вероятно, это объясняется образованием избыточных подвижных вакансий в процессе массового перераспределения и аннигиляции дислокаций, а также движения границ при формировании зародышей рекристаллизации.

Влияние температуры отжига в течение 1 ч на твердость вольфрама.

Первичная рекристаллизация, резко снижая плотность дислокаций ( с 1011 — 1012 до 106 — 108 см-2) и выметая стенки субзерен, вызывает сильное разупрочнение, пропорциональное доле рекрис-таллизованного объема. С повышением температуры отжига между t p и to ( рис. 50) или с увеличением времени отжига при постоянной температуре ( правее Тр на рис. 47) прочностные свойства интенсивно снижаются из-за первичной рекристаллизации. Кроме того, определенный вклад в разупрочнение вносит и продолжающийся возврат в тех деформированных зернах, которые еще не поглощены ре-криеталлизованными. На это указывает снижение микротвердости не-рекристаллизованных зерен.

Скорость изменения.

Первичная рекристаллизация свяВана с перемещением атомов на расстояния, примерно равные междуатомному. По природе своей она близка к диффузионному процессу, но не является таковым в обычном понимании.

Первичная рекристаллизация используется в металловедении для возврата свойств к наблюдаемым у недеформированного металла. Движущей силой процесса первичной рекристаллизации является уменьшение свободной энергии системы при превращении деформированных кристаллов в свободные от внутренних напряжений, менее дефектные и более стабильные кристаллы.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеренные процессы устранения дефектов ( возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой, стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

Первичная рекристаллизация — процесс изменения структуры деформированных металлов и сплавов при их нагреве, следующий за полигонизацией. Рекристаллизация представляет собой перераспределение атомов металла в новое кристаллическое образование, обеспечивающее снижение объемной энергии деформированных зерен за счет уменьшения числа дефектов структуры и восстановление структуры и свойств недеформированного материала.

Первичная рекристаллизация является типичным кристаллизационным процессом, при котором в деформированной структуре происходит непрерывное зарождение кристаллических центров ( зародышей) и рост зерен вокруг них. Ориентация новых зерен произвольна и получается независимой от ориентации окружающей деформированной среды.

Пластическая деформация

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на по. Хотя в процессе нагрева и происходили внутризеревные процессы устранения дефектов ( возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой, стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

Первичная рекристаллизация протекает только при нагреве металла, деформированного с определенной ( критической) степенью, зависящей от условий деформации.

Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация
характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис.11, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом) (механизм рассмотрен выше).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией
называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис.11, б).

Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Обработка металла давлением. все способы и нюансы

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

а) б)

Рисунок 11. Схема изменения микроструктуры металла при прокатке:

а) холодная пластическая деформация;

б) горячая пластическая деформация

Для каждого металла и сплава существует своя температурная область холодной и горячей обработки давлением. Пластическое деформирование железа при 600° С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400 °С — как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20° С выше температуры рекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют ненаклепываемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

При горячей обработке металла, чтобы увеличить его пластичность, а также чтобы устранить возможность наклепа, применяют температуры, значительно превосходящие минимальную температуру рекристаллизации.

Отжиг стали

Для отжига наклепанного материала в производственных условиях применяют более высокие температуры, чем минимальная температура рекристаллизации, для обеспечения большей скорости рекристаллизационных процессов. В табл.1 приведены теоретические температуры рекристаллизации, температуры, при которых в производственных условиях осуществляют рекристаллизационный отжиг, а также температуры горячей обработки давлением.

Рекристаллизационный отжиг чаще применяют как межоперационную термическую обработку при холодной прокатке, волочении, штамповке и т.д. (для снятия наклепа), а иногда как окончательную обработку для получения заданных свойств изделий и полуфабрикатов.

Таблица 1 — Температура рекристаллизации и горячей обработки

металлов давлением

Процесс — рекристаллизация

Процесс рекристаллизации в фотоэмульсиях играет двоякую роль. С одной стороны, он выступает как положительный фактор в технологии производства фотоэмульсий, так как дает возможность регулировать дисперсность фотоэмульсий, а следовательно, и управлять их фотографическими свойствами. С другой стороны, он отрицательно влияет на хранение фотоматериалов, так как приводит к укрупнению частиц дисперсной фазы и, следовательно, к изменению фотографических свойств материалов, а иногда и к полной потере этих свойств, особенно при их длительном хранении во влажной и агрессивной средах. Поэтому усилия многих исследователей направлены на то, чтобы максимально стабилизировать фотоэмульсии и предотвратить процессы их старения.

Процесс рекристаллизации, как указывалось, связан с перемещением границ зерен.

Процесс рекристаллизации можно изучать путем исследования микроструктуры, однако наиболее точными и совершенными методами его исследования являются физические и рентгенографические. Наклепанный металл содержит большое количество несовершенств в-своей кристаллической решетке — дислокаций, вакансий и смещений. Количество свободной энергии после наклепа возрастает. В продолжение рекристаллизационного отжига происходят следующие, накладывающиеся друг на друга, процессы: возврат первого рода, возврат второго рода или полигонизация, рекристаллизация первого рода или рекристаллизация обработки, рекристаллизация второго рода или собирательная.

Большие зерна, растущие в легированном вольфраме при 2200 С.

Процессы рекристаллизации в металлах сильно зависят от ориентации зерен. На ход вторичной рекристаллизации влияет зависимость подвижности границ и поверхностей энергии от ориентации зерен. Кроме того, вторичная рекристаллизация идет лишь тогда, когда в матрице нет непрерывного ( нормального) роста зерен.

Полигонизация в кремнистом железе. Предшествующая деформация 5 / о. температура нагрева 700 С, Х1200.

Процесс рекристаллизации идет неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее.

Процесс рекристаллизации в быстрорежущей стали является главной причиной разрушения инструмента на стадии катастрофического износа при резании.

Зависимость механических РОСТ НОВЫХ Зерен, КОТОрЫС ВНОВЬ свойств углеродистой стали 08кп от степени приобретают РЗВНООСНУЮ форму, деформации. 1 — твердость ИВ. 2 — т. г г г j — г г j.

Процесс рекристаллизации является неотъемлемой технологической операцией при любой холодной деформации металла. Благодаря рекристаллизации происходит полное восстановление механических свойств металла и перерождение его структуры, в результате чего обеспечивается возможность дальнейшей его холодной деформации.

Процесс рекристаллизации протекает не мгновенно, а с некоторой скоростью, зависящей от температуры нагрева металла и степени имевшейся деформации.

Зависимость механических свойств углеродистой стали 08кп от степени деформации. 1 — твердость НВ. 2 — а.

Процесс рекристаллизации можно изучать путем исследования строения металлов и сплавов под микроскопом, однако наиболее точными и совершенными методами его исследования являются физические и особенно рентгенографические. Деформированный металл представляет собой мозаику из обломков зерен сдвинутых в предпочтительном направлении. Вследствие обилия этих обломков и шероховатости их границ, а также из-за иска — Температдра отжига жения решетки запас поверхностной сво — Фиг. Схема изменения бодной энергии деформированного металла свойств и структуры хо — велик и поэтому последний является тер-лоднообработанного метал — модинамически неустойчивым.

Процесс рекристаллизации идет одновременно с усадкой и другими явлениями, но она в значительной степени зависит от них. Особенно зависит от усадки и восстановления окислов собирательная межчастичная рекристаллизация, которая не может протекать без сближения частиц на расстояние межатомного взаимодействия.

Участок — рекристаллизация

Участок рекристаллизации в структурном отношении отличается от основного металла только при наличии предварительной пластической деформации.

Участок рекристаллизации представляет собой температурный интервал ( от 450 — 500 до 725), в котором происходит рекристаллизация зерен феррита. Сущность явления рекристаллизация заключается в росте зерен феррита ( повторная кристаллизация) из их обломков, образовавшихся в результате предварительной пластической деформации. Структура такого участка состоит из равноосных зерен феррита и перлита, в то время как основной металл имеет структуру в виде вытянутых неравноосных кристаллических обломков.

Участок рекристаллизации представляет собой температурный интервал ( 450 — 725 С), в котором происходит рекристаллизация зерен феррита. Сущность явления рекристаллизации заключается в росте зерен феррита ( повторная кристаллизация) из их обломков, образовавшихся в результате предварительной пластической деформации. Структура такого участка состоит из равноосных зерен феррита и перлита, в то время как основной металл имеет структуру в виде вытянутых неравноосных кристаллических обломков.

Участок рекристаллизации представляет собой температурный интервал ( 450 — 725 С), в котором происходит рекристаллизация зерен феррита. Сущность явления рекристаллизации заключается — в росте зерен феррита ( повторная кристаллизация) из их обломков, образовавшихся в результате предварительной пластической деформации. Структура такого участка состоит из равноосных зерен феррита и перлита, в то время как основной металл имеет структуру в виде вытянутых неравноосных кристаллических обломков.

Структура наплавленного металла при сварке стали перлитного класса.

Участок рекристаллизации возникает при сварке металла, подвергавшегося прежде пластической деформации ( прокатке, наклепу, ковке и др.), при которой происходило раздробление его зерен. При нагревании в процессе сварки из обломков этих зерен начинают расти новые крупные зерна.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации. Пластическая деформация приводит к раздроблению зерен и превращению равноосной структуры в неравноосно-вытянутую структуру.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации.

Видманштеттова структура в стали 20 в зоне термического влияния стыка экономайзерных труб ХЗОО.

Участок рекристаллизации сохраняет текстуру Ширина этого участка 0 1 — 1 5 мм.

Участок рекристаллизации ( зона ef) наблюдается при сварке у сталей, подвергавшихся предварительному наклепу или пластической деформации. При нагреве из раздробленных деформацией обломков зерен начинают вырастать более крупные. Температура начала рекристаллизации соответствует примерно 450 С. Процесс рекристаллизации зависит от температуры нагрева, длительности выдержки и степени деформации и может привести к снижению пластических свойств металла.

Участок рекристаллизации ( зона ef) наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся предварительному наклепу или пластической деформации. При нагреве из раздробленных деформацией обломков зерен начинают вырастать более крупные. Температура начала рекристаллизации соответствует примерно 450 С. Процесс рекристаллизации зависит от температуры нагрева, длительности выдержки и степени деформации и может привести к снижению пластических свойств металла.

Рекристаллизационный процесс

Схема комбинированного растяжения полимерной пленки на воздухе ( J, в жидкости ( 2, последовательно на воздухе и в жидкости ( 3 4.

Рекристаллизационные процессы, преобладающие при вытяжке пленок полиэтилена высокой плотности, сополимеров тетрафторэтиле-на и вянилиденфторида, менее чувствительны к воздействию жидкой среды.

Классификация методов выращивания кристаллов в многокомпонентных системах.

Рекристаллизационные процессы происходят без изменения фазового состояния. В процессах перекристаллизации используются фазовые превращения. Получение кристаллов из аморфной фазы называется кристаллизацией.

Рекристаллизационный процесс, совершающийся при дальнейшем нагреве наклепанного материала, представляет собой первичную рекристаллизацию. В результате нее уменьшается или полностью устраняется то дополнительное количество структурных дефектов, которое — было внесено предшествовавшей деформацией. Первичная рекристаллизация совершается в результате возникновения и движения большеугловых ( межзеренных) границ.

Схема микрофотографии эпитаксиального молибденового покрытия на поликристаллической молибденовой подложке. 1, 2, 3 — границы зерен.| Зависимости S ( f ( t ( а и V f ( t ( б для границ зерен /, 2, 3 ( 20.

Рекристаллизационные процессы, сопутствующие росту кристаллов покрытия, могут продолжаться при нагреве покрытий; при этом существенную роль играет предыстория покрытия и в первую очередь его дефектность.

Полигонизационные и рекристаллизационные процессы при отпуске могут задерживаться под действием добавок легирующих элементов, во-первых, из-за замедления диффузионных процессов переползания дислокаций и, во-вторых, в результате закрепления дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ трудно коагулирующими дисперсными частицами специальных карбидоп с малым межчастичным расстоянием.

Подавление рекристаллизационных процессов при увеличенных скоростях деформирования изменяет и характер зависимости свойств от последеформационпой выдержки ( рис. 2.20) — при увеличении выдержки от 1 до 2 5 с предел текучести возрастает и только при больших выдержках уменьшается.

При горячей деформации рекристаллизационные процессы полностью снимают упрочнение, возникшее в результате наклепа.

Зависимость экспериментальной температуры плавления ПБД от соотношения скорости кристаллизации при рекристаллизации и скорости нагрева. Зависимость валовой скорости кристаллизации от температуры. Гь 72, Т3 Т — экспериментальные температуры плавления при скоростях нагрева соответственно 160, ЬО, 40, 20 К-мин 1. ( Стрелками показан подъем температуры в веществе во время кристал -. лизации. начало стрелки — температура среды кристаллизации, конец — значение подъема температуры в веществе за счет теплоты кристаллизации.

Для количественного анализа рекристаллизационных процессов в темлературном интервале плавления мы применили следующую методику, предварительно закристаллизованный образец путем быстрого нагрева доводили до рассматриваемой температуры в области плавления.

Для эффективного управления рекристаллизационными процессами необходимо знать механизм зарождения рекристаллизо-ванных зерен. Этот механизм в некоторых чертах остается еще дискуссионным, но о нем уже многое известно.

Определенную информацию о рекристаллизационных процессах дает рассеяние лучей. При косом сечении шлифа обнаруживаются характерные направления главных сдвигов в виде рыбьей кости. Оптически изотропная в нормальных условиях каменная соль в этом случае проявляет четкую анизотропию, причем наблюдаемые в поляризованном свете плоскости главных сдвигов в кристалле расположены в одном из заданных направлений. Термическая обработка при высоких температурах ( например, в течение 12 ч при 550 С) устраняет эту анизотропию.

Влияние скорости нагрева w на температуру плавления кристаллического полимера.

Свойства пластически деформированных металлов

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется и изменяются его физические свойства — электросопротивление, магнитные свойства, плотность. Наклепанный металл запасает 5 — 10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (например, плотность дислокаций возрастает до 109
-1012
см — 2
) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла меняются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость; s_В
; s_Т
; s_УПР
) и понижаются пластичность и вязкость (d, y, KCU). Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, после 40% -ной деформации механические свойства меняются незначительно (Рис.6). С увеличением степени деформации предел текучести растет быстрее предела прочности (временного сопротивления). Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным, при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление (предел прочности) удается повысить в 1,5 — 3 раза, а предел текучести — в 3 — 7 раз при максимально возможных деформациях. Металлы с ГЦК-решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК-решеткой.

Рисунок 6. Зависимость механических свойств от степени деформации

С ростом степени деформации возрастает удельное электросопротивление, коэрцитивная сила, понижается магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность металла.

Наклепанные металлы более активно, вступают в химические реакции, они легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. При больших степенях деформации в результате образования текстуры деформации проявляется анизотропия механических и магнитных свойств.

Упрочнение при наклепе широко используют для повышения механических свойств деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. В частности, наклеп поверхностного слоя деталей повышает сопротивление усталости.

В промышленности широко применяют следующие высокопроизводительные эффективные и дешевые способы поверхностного упрочнения деталей: дробеструйный наклеп, накатывание поверхности роликами или шариками, чеканка специальными бойками, гидроабразивный наклеп и др.

Эти способы позволяют значительно увеличить долговечность деталей, повысить прочность и твердость, уменьшить пластичность и вязкость.

Дробеструйный наклеп осуществляется потоком стальной или чугунной дроби (диаметр 0,4 — 2,0 мм,
твердость 62 — 64 HRC),ударяющей об поверхность готовой детали с большей скоростью (70 м/сек). Удары дробинок приводят к пластической деформации и наклепу поверхности деталей. Степень наклепа зависит от многих факторов: материала детали, вида предшествующей обработки, диаметра дроби и т.д. Например, термически обработанная рессора после наклепа имеет упрочненный слой толщиной 0,2 — 0,4 мм.

При накатывании деталей стальными роликами упрочненный слой получается толщиной несколько миллиметров.

При чеканке бойками малоуглеродистой стали при помощи механических или пневматических устройств можно получить упрочненный слой толщиной до 20 — 30 мм.

Гидроабразивный наклеп осуществляется действием струи жидкости с песком на поверхность деталей.

Понижение пластичности при наклепе используют для улучшения обрабатываемости резанием вязких и пластичных материалов (сплавов алюминия, латуней и др.).

Изменение механических свойств от степени пластической деформации для некоторых металлов приведено на рисунке 7.

в)

б)

а)

Рисунок 7. Изменение механических свойств в зависимости от степени деформации: а) изменение механических свойств низкоуглеродистой стали в зависимости от вытяжки; б) изменение механических свойств меди в зависимости от степени деформации; в) изменение механических свойств алюминия в зависимости от степени деформации.

Описание процесса

Рекристаллизация характеризуется следующими показателями:

скоростью протекания рекристаллизации;
температурой начала кристаллизации;
последовательностью рекристаллизационных преобразований.

При постепенном повышении температуры наступает момент,когда начинается разрушение прочных кристаллических связей. Температура, при которой он начинается, называется температурный порог рекристаллизации. Этот показатель во многом зависит от чистоты материала, то есть количества имеющихся добавок и примесей. Например, для алюминия этот порог равен 100 °С, для железа обладающего нормальной технической чистотой он равен 450 °С. Для меди она составляет 270 °С. В теории металловедения получена однозначная зависимость, которая связывает абсолютную температуру порога рекристаллизации и температуру плавления. Эта температура справедлива для всех металлов и сплавов.Теория описания этого показателя полностью подтверждается на практике.

Было установлено, что температура начала кристаллизации связана с температурой плавления через определённый коэффициент. Он имеет свою величину для различных материалов. В частности принято считать, что этот коэффициент равен:

для металлов с небольшим количеством примесей и добавок он равен 0,4;
металлы с высокой чистотой обладают коэффициентом 0,1-0,2;
для так называемых твёрдых растворов он находится в интервале от 0,5 до 0,8.

Более точные значения для каждого материала можно найти в справочной литературе по металловедению.

В зависимости от химических и физических свойств и условий протекания процесса зависит скорость рекристаллизации.Она изменяется при изменении состава металла, давления или механического воздействия на образец. Скорость влияет на рекристаллизационные процессы, конечный результат преобразований.Очень важным является возможность регулирования скорости этого превращения. Например, при производстве так называемой трансформаторной стали необходимо обеспечивать условия формирования крупных кристаллов, которые будут ориентированы в одном направлении. Эта задача решается с помощью соответствующих добавок. Такими добавками служат сера и марганец. Эти добавки создают соответствующий катализ для получения материала с необходимыми физическими и механическими характеристиками.

В результате применения катализаторов, создания определённых условий (температуры, давления) начинается собирательный процесс зёрен необходимого размера и формы с их строгой ориентацией, что позволяет придать металлу требуемые свойства.