Возврат и рекристаллизация

Неравновесная структура с высоким уровнем плотности дислокаций, создаваемая холодной деформацией у большинства металлов, устойчива при комнатной температуре (20 ºС) за исключением металлов и сплавов с низкой температурой плавления, например, свинец, олово и сплавы на их основе. Переход металла в более устойчивое стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшение их плотности.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяются на следующие две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением избыточной свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах (ниже 0,3 Т_пл), а рекристаллизация обычно при более высоких температурах (> 0,3Т_пл).

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением видимой под микроскопом микроструктуры холодно деформированного металла. Как отмечалось, деформация металлов неоднородна. Те элементарные ячейки, плоскости наилегчайшего сдвига которых не совпадают с направлением сдвига (большеугловые границы), будут упруго деформироваться, элементарные ячейки плоскости наилегчайшего сдвига которых совпадают или разориентированы на малые углы (субзерна) разворачиваются и пластически деформируются при сдвиге (скольжения). Это вызывает возникновение внутренних напряжений 1-го и 2-го рода.

Возврат, в свою очередь, подразделяется на две стадии: отдых и полигонизацию. Отдых при нагреве деформированных металлов происходит всегда, а полигонизация развивается лишь при определенных условиях.

Отдыхом холодно деформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. В ряде металлов, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных внутренних напряжений 2-го и 3-го рода.

При отдыхе твердость и прочность максимально снижаются на 10 – 15% первоначальных значений и соответственно увеличивается пластичность, повышается сопротивление коррозии под напряжением. Это связано с тем, что в жидкой коррозионной среде коррозия металлов является процессом электрохимическим. При неоднородном распределении напряжений возникает разность потенциалов между участками деформированного металла с большей и меньшей плотностями дислокаций. Отдых уменьшает плотность дислокаций и, таким образом, частично повышает сопротивление коррозии под напряжением.

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы (субзерна). Границы возникают при скольжении и переползании дислокаций. В результате единый кристалл разделяется на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций (рис. 5.7, б). Дислокации разных знаков взаимно уничтожаются (происходит так называемая аннигиляция), т.е. избыточные дислокации одного знака выстраиваются в стыки (полигоны).

Рис. 5.7. Схема полигонизации наклепанного металла:

а – до и б – после полигонизации

Полигонизация в металлах технической чистоты и в сплавах – твердых растворах – наблюдается только при небольших степенях деформации и не у всех металлов. Так, полигонизация редко развивается в медных сплавах (латунях и бронзах) и хорошо выражена в алюминии, железе, молибдене и их сплавах. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и других характеристик прочности. Блочная структура, возникшая благодаря полигонизации, весьма устойчива и сохраняется почти до температуры плавления сплава. После формирования блочной структуры рекристаллизация не наступает. Таким образом, полигонизация и рекристаллизация являются конкурентами.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения (плотности дислокаций). В результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные (полиэдрические) кристаллы.

Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, называемое критической степенью деформации (ε_кр). Если степень деформации меньше ε_кр, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит, а энергия от нагрева затрачивается на увеличение размеров зерна. Критическая степень деформации обычно невелика и составляет 2 – 8%. Например, для алюминия она близка к 2%, для железа и меди – 5%.

При обработке металлов давлением важное значение имеет определение температуры рекристаллизации – это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Грубо, весьма ориентировочно температура равна: Т_рекр = а ∙ Т_пл.

Значение коэффициента а зависит от чистоты металла и степени пластиче­ской деформации. Для металлов техни­ческой чистоты а = 0,3 – 0,4 и понижает­ся с увеличением степени деформации, Уменьшение количества примесей мо­жет понизить коэффициент а до 0,1 – 0,2. Для твердых растворов а = 0,5 – 0,6, а при растворе­нии тугоплавких металлов может дости­гать 0,7 – 0,8. Для алюминия, меди и же­леза технической чистоты темпера­турный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 450 °C.

Зарождение новых зерен при рекри­сталлизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем выше степень пластической деформации, тем больше возникает цен­тров рекристаллизации. Они предста­вляют собой субмикроскопические области с минимальным количеством точечных и линейных дефектов строе­ния. Эти области возникают при перераспределении и частичном уничто­жении дислокаций; при этом между цен­тром рекристаллизации и деформиро­ванной основой появляется высокоугловая граница.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке; при этом большеугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Рассмотренная стадия рекристаллиза­ции называется первичной рекристалли­зацией или рекристаллизацией обработ­ки. Первичная рекристаллизация закан­чивается при полном замещении новы­ми зернами всего объема деформирован­ного металла.

По завершении первичной рекристал­лизации происходит рост образовав­шихся зерен при увеличении выдержки или температуры; эта стадия рекристал­лизации называется собирательной. Этот процесс само­произвольно развивается при достаточ­но высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к умень­шению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная поверхность границ).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшают­ся в размерах и затем исчезают, а дру­гие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.

Рис. 5.8.Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагрузке: а) – наклепанный металл; б) – начало первичной рекристаллизации; в) – завершение первичной рекристаллизации; г) и д) – стадии собирательной рекристаллизации

Дата добавления: 2015-08-13