Рекристаллизация
Рекристаллиза́ция — это процесс зарождения и роста новых зёрен или только роста зёрен (кристаллитов) поликристалла в деформированном поликристаллическом металле или сплаве за счёт других зёрен той же фазы, приводящий к повышению структурного совершенства и восстановлению свойств до уровня недеформированного состояния[1].
Рекристаллизация устраняет структурные дефекты (в первую очередь уменьшает на несколько порядков плотность дислокаций), изменяет размеры зёрен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру). Рекристаллизация изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала и часто восстанавливает исходные структуру, текстуру и свойства (до деформации). Иногда структура и текстура после рекристаллизации отличаются от исходных, соответственно отличаются и свойства[2].
Общие сведения
| Рекристаллизация | |
|---|---|
| Изучается в | материаловедение |
| Описывающая закон или теорему формула | |
Стадии рекристаллизации
- первичная рекристаллизация, когда в деформированном материале образуются новые неискажённые зёрна (кристаллиты), которые растут, поглощая зёрна, искажённые деформацией; эти зёрна имеют пониженную по сравнению с матрицей плотность дефектов кристаллического строения; первичная рекристаллизация происходит в интервале температур плавления от 0,3 до 0,6 Т.
- собирательная рекристаллизация, когда неискажённые зёрна нормально растут за счёт друг друга, вследствие чего средняя величина зерна увеличивается;
- вторичная рекристаллизация, которая отличается от собирательной тем, что способностью к росту обладают только немногие из неискажённых зёрен, а сам рост является анормальным; при этом структура характеризуется различными размерами зёрен[1].
Рекристаллизация переводит вещество в состояние с большей термодинамической устойчивостью: при первичной рекристаллизации — за счёт уменьшения искажений, внесённых деформацией; при собирательной и вторичной рекристаллизации — за счёт уменьшения суммарной поверхности границ зёрен.
В сталях рекристаллизация сочетается со сфероидизацией цементита. Получаются круглые частицы цементита размером 0,5—2 мкм. Такая структура называется структурой сорбита отпуска[2].
Параметры рекристаллизации
При решении большинства прикладных задач условное начало рекристаллизации определяют с помощью световой микроскопии по появлению первых обычно более светлых равноосных зёрен на фоне сильнее травящейся деформированной матрицы или рентгеновским методом по появлению точечных пятен («уколов») на размытых интерференционных линиях рентгенограммы. Каждое такое пятно соответствует отражению рентгеновских лучей от рекристаллизованного зерна размером 2—5 мкм. Световая микроскопия надёжно выявляет рекристаллизованные зёрна после достижения ими размера 10—60 мкм. Температура появления рекристаллизованных зёрен, то есть температура начала рекристаллизации (Трн), не является физической константой, такой как точка плавления или модуль упругости. В отличие от температуры фазового равновесия температура начала рекристаллизации зависит от времени отжига[3].
Другой фактор, сильно влияющий на температуру начала рекристаллизации,— степень деформации при обработке давлением. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается. Объясняется это тем, что с увеличением степени деформации растут плотность дислокации и энергия, накопленная при деформации, то есть возрастает термодинамический стимул рекристаллизации. Кроме того, с увеличением степени деформации растёт концентрация вакансий, что также способствует зарождению центров рекристаллизации при более низких температурах. Скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры. Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах[3].
На температуру начала рекристаллизации, кроме степени деформации, времени отжига и примесей, влияют также температура и скорость деформирования и размер зерна перед деформированием. С повышением температуры деформирования температура начала рекристаллизации возрастает. Объясняется это тем, что при более высоких температурах обработки давлением полнее проходит возврат при деформации, меньше накопленная при деформации энергия, то есть меньше термодинамический стимул рекристаллизации[3].
Пользуясь коэффициентом а, легко подсчитать температуру рекристаллизации металлов обычной чистоты: для железа она будет около 450 °С, для меди около 270 °С, для алюминия около 5 °С. Для таких легкоплавких металлов, как цинк, олово, свинец, температура рекристаллизации ниже комнатной. Кроме чистоты металла, минимальная температура рекристаллизации зависит также и от степени предшествующей деформации. Чем больше степень деформации, чем более искажена структура, тем менее она устойчива, тем больше её стремление принять более устойчивое состояние. Следовательно, большая степень деформации облегчает процесс рекристаллизации и снижает минимальную температуру рекристаллизации. По мере повышения температуры твёрдость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твёрдость резко падает и достигает исходного значения (значения твёрдости до наклёпа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации. Аналогично изменению твёрдости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести)[4].
Примечания
Литература
- Блантер М. С., Кершенбаум В. Я., Мухин Г. Г., Новиков В. Ю., Прусаков Б. А., Пучков Ю. А. Металлы. Строение. Свойства. Обработка (многоязычный толковый словарь) / Под научной редакцией В. Я. Кершенбаума и Б. А. Прусакова. — Москва: Наука и техника, 1999. — С. 67. — 712 с. — ISBN 5-900359-31-X.
- Афонин В. К., Ермаков Б. С., Лебедев Е. Л., Пряхин Е. И., Самойлов Н. С., Солнцев Ю. П., Шипша В. Г. Металлы и сплавы. Справочник. — СПб.: НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья», 2003. — С. 442—443. — 1090 с.
- Жадан В. Т., Полухин П. И., Нестеров А. Ф., Вишкарёв А. Ф., Гринберг Б. Г. Материаловедение и технология материалов. — М.: Металлургия, 1994. — С. 80-85. — 624 с.
- Редикульцев А. А., Юровских А. С. Влияние меди на процессы деформации и первичной рекристаллизации монокристаллов сплава Fe — 3 % Si. Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 2012. № 5. С. 45-50.
- Исаенкова М. Г., Перлович Ю. А., Фесенко В. А., Крымская О. А., Крапивка Н. А., Сок Сан Тху. Закономерности рекристаллизации прокатанных моно- и поликристаллов циркония и сплава Zr — 1 % Nb. Физика металлов и металловедение. 2014. Т. 115. № 8. С. 807—815.
- Рохлин Л. Л., Бочвар Н. Р., Добаткина Т. В., Тарытина И. Е. Исследование процесса рекристаллизации в сплавах Al-Sc-Hf. Технология лёгких сплавов. 2010. № 1. С. 92-99.