25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации. Виды рекристаллизации

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

Изменение формы и размеров поликристаллического металла в результате пластической деформации в той или иной мере связано с изменением формы отдельно взятого зерна. Поэтому при пластической деформации металл претерпевает структурные изменения, что ведет к изменению механических и других свойств металла. В деформируемом металле с увеличением степени деформации увеличиваются его прочностные характеристики. Явление изменения структуры и увеличение механических свойств металла в процессе пластической деформации называется наклепом или упрочнением.

Явление упрочнения в настоящее время объясняет теория дислокаций. Упрочнение - это увеличение сопротивляемости сдвигу, которое вызывается накоплением (повышением плотности) дислокаций при пластической деформации. Продвижение дислокаций по кристаллу затрудняется в связи со скоплением их у препятствий. Такими препятствиями могут быть другие дислокации, точечные дефекты кристаллов, границы зерен и т.д. В результатеплотность дислокаций значительно возрастает. Кроме того, упрочнение вызывается также торможением дислокаций в связи с измельчением зерен, искажением решетки металла, возникновением напряжений. Особенно эффективными "барьерами" для дислокаций являются границы зерен.

В результате пластической деформации при низкой температуре металл не только упрочняется, но также изменяются многие его свойства. Более интенсивно изменение свойств происходит в области малых деформаций. При больших деформациях свойства, изменяются в меньшей степени.

На рисунке показан характер изменения свойств металла с увеличением степени пластической деформации. Кривая 1 характеризует изменение твердости НВ, предела прочности бВ, предела текучести бТ, растворимости в кислоте, электросопротивления и др. Кривая 2 характеризует удлинение б и уменьшение поперечного сечения при растяжении, ударную вязкость ак, теплопроводность, плотность и др.

Применительно к механическим свойствам металлов следует отметить, что с увеличением степени пластической деформации характеристики прочности возрастают, а характеристики пластичности убывают.

Появление наклепа при деформации позволяет в широких пределах регулировать конечные свойства металлоизделий. Холодной пластической обработкой (прокаткой, волочением и др.) можно в 2-3 раза повысить предел прочности и увеличить предел текучести. Например, для стали, содержащей 0,3 % С, при степени деформации 70 % прочность увеличивается с 500 до 950 МПа.

С другой стороны, упрочнение заметно увеличивает сопротивление металла пластической деформации, а это увеличивает усилия, необходимые при деформировании. Одновременно с этим наклеп вызывает понижение пластических свойств металла, что приводит к опасности образования трещин, расслоений и других дефектов при дальнейшей деформации. Так, у той же стали с содержанием 0,3% С относительное удлинение, которое является одним из показателей пластических свойств, при степени деформации 70% снижается с 30 до 2%, т.е. примерно в 15 раз.

В наклепанном металле в результате пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки. Атомы в такой решетке стремятся к перестройке, приводящей к уменьшению ее искажений, т.е. стремятся к более устойчивому состоянию. При низких температурах подвижность атомов мала. С повышением температуры она увеличивается, начинают развиваться процессы, которые приводят металл к равновесному состоянию.

Различают следующие стадии процесса устранения наклепа при нагреве: - отдых (возврат); - первичная рекристаллизация или рекристаллизация обработки; - собирательная рекристаллизация или рост зерен; - вторичная рекристаллизация.

Под отдыхом (возвратом) понимают частичное снятие напряжений и восстановление упруго искаженной кристаллической решетки путем перемещения атомов на небольшие расстояния, при нагреве металла на относительно невысокие температуры (ниже температуры рекристаллизации). Например, для железа до 100-400 °С. При отдыхе заметных изменений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. В результате отдыха твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов заметно возрастает и происходят процессы рекристаллизации.

Рекристаллизацией называется процесс образования и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры (температуры начала рекристаллизации). Этот процесс протекает в две стадии. Различают рекристаллизацию первичную (обработки) и собирательную.

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. Стадия первичной рекристаллизации длится до тех пор, пока новые неискаженные зерна не заполнят весь объем металла.

Собирательная рекристаллизация является второй стадией процесса рекристаллизации и заключается в росте образовавшихся зерен. При этом одни зерна растут за счет других, за счет перехода атомов через границы раздела. Процессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации. Результатом этого процесса может быть резкая неоднородность структуры по величине зерна.

Скорость рекристаллизации и характер конечной структуры зависят от многих факторов: - степени предварительной деформации; - температуры нагрева; - скорости нагрева; - скорости деформации; - наличия примесей в сплаве и др.

Основными из указанных факторов являются степень предварительной деформации и температура нагрева.

Самая низкая температура, при которой обнаруживаются новые зерна, называется порогом рекристаллизации, или температурой рекристаллизации. Установлено, что для чистых металлов температура начала рекристаллизации может быть определена из соотношения Тр = 0,4Тпл, где Тр - абсолютная температура рекристаллизации; Тпл - абсолютная температура плавления.

При нагреве металла до Тр происходит возврат - восстановление искаженной кристаллической решетки. Металл сохраняет волокнистое строение. Начиная с температуры Тр происходит первичная рекристаллизация, которая завершается образованием новых мелких зерен. При более высоком нагреве металла наблюдается рост зерен - происходит собирательная рекристаллизация.

С началом рекристаллизации происходит существенное изменение свойств металла, которое противоположно изменению свойств металла принаклепе. При повышении температуры происходит разупрочнение металла, понижается прочность и твердость, а также электросопротивление и другие свойства, которые повышаются при наклепе. В то же время увеличиваются пластичность, а также вязкость, теплопроводность и другие свойства по сравнению с наклепанным состоянием.

При обработке металла давлением процессы упрочнения (наклепа) и разупрочнения (рекристаллизационного отжига) протекают одновременно. Эти процессы обусловлены условиями деформации (температурой, скоростью, степенью деформации), происходят во времени, с определенными скоростями, а также зависят от природы деформируемого металла.

При холодной деформации главенствует упрочнение, а процессы разупрочнения (возврата и рекристаллизации) полностью отсутствуют. В результате плотность и пластичность уменьшаются, металл охрупчивается, при высоких степенях деформации образуется текстура. При холодной деформации температура не должна быть выше 0,3 Тпл. В результате теплой деформации рекристаллизация и разупрочнение проходят не полностью, структура металла может быть полосчатой (волокнистой) без следов рекристаллизации, а при значительной деформации наблюдается текстура деформации. Пластические свойства такого металла выше, чем металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже. Температура неполной холодной деформации равна 0,3- 0,5 Тпл.

2вариант

Первичная рекристаллизация. При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает, и при достижении определенной температуры образуются новые равноосные зерна (рис.31). При нагревании наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизациейобработки, или первичной рекристаллизацией. В результате рекристаллизации полностью снимается наклеп и свойства приближаются к исходным значениям. Наименьшую температуру начала кристаллизации t п.р при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации. Эта температура не является постоянной физической величиной, как например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т.д. Температурный порог рекристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации. Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации, для технически чистых металлов составляет 0,4 Тпл, для чистых металлов снижается до (0,1 - 0,2) Тпл, а для сплавов твердых растворов возрастает до (0,5 - 0,6) Тпл. Для полного снятия наклепа металл нагревают до более высоких температур, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания. Такая термическая обработка получила название рекристаллизационный отжиг. Собирательная рекристаллизация. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизационных зерен за чет других. Процесс роста новых рекристаллизованных зерен называют собирательной рекристаллизацией, что способствует уменьшению зерно граничной (поверхностной) энергии. Вторичная кристаллизация. Если какие-то из новых зерен имеют предпочтительное условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называютвторичной. Зерна, растущие с большей скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры, и поэтому процесс их роста получил название вторичной кристаллизаций. В результате вторичной кристаллизации образуется большое количество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен, что приводит к снижению механических свойств кристалла. Величина зерна после рекристаллизации. Величина зерна оказывает большое влияние на свойства металла. Металлы и сплавы, имеющие мелкое зерно, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Однако в некоторых случаях необходимо, что бы зерно было крупное (трансформаторная сталь). Размер зерна зависит от температуры рекристаллического отжига, его продолжительности, степени предварительной деформации, химического состава сплава, величины исходного зерна, наличия нерастворимых примесей. При данной степени деформации с повышением температуры и при увеличении продолжительности отжига величина зерна возрастает( рис. 32а). При температурах t1 и t2 (выше t п.р.) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу (рис. 32б), а через некоторый отрезок времени (on, onў) - инкубационный период. Величина рекристаллизационного зерна тем меньше, чем больше степень деформации (рис. 32в). При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% -ой деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во многом превысить величину исходного зерна. Такую степень деформации (f,f1) называют критической.. Такой механизм рекристаллизации, сходный со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации. Поэтому при нагреве становится возможным рост менее деформированных зерен, т. е. имеющих более низкое значение энергии Гиббса, за счет более деформированных, т.е. имеющих большую энергию Гиббса. Критическая степень деформации тем меньше, чем выше температура отжига. Следовательно, критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизация. При уменьшении величины исходного зерна повышается критическая степень деформации (критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная кристаллизация) и рекристаллизационное зерно становится мельче. Текстура рекристаллизации. После высоких степеней предшествующей деформации возникает текстура, которая нередко является причиной образования при последующем нагреве текстуры рекристаллизации. В этом случае новые рекристаллизованные зерна имеют преимущественную кристаллографическую ориентацию. Характер текстуры рекристаллизации определяется условием проведения отжига, видом предшествующей обработки давлением (проката, волочения), а также количеством и природой примесей. При образовании текстуры рекристаллизации отожженный поликристаллический металл, характеризуется анизотропией свойств. Так, при глубокой штамповке листов во избежание образовании складчатости, волнистой кромки и т.д. лист должен деформироваться во всех направлениях одинаково, поэтому анизотропия в данном случае нежелательна. Анизотропию трансформаторной стали используют таким образом, что бы максимальное значение магнитной проницаемости вдоль направления [100] было параллельно направлению магнитного потока.

studfiles.net

Рекристаллизация Сущность, виды и значение рекристаллизации

Рекристаллизация — происходящий в твердой фазе процесс роста одних кристаллов твердого тела при его термической обработке за счет других кристаллов.

Применяемые в технике материалы обычно являются поликристаллическими и состоят из многих кристаллов. Размер, количество кристаллов, их взаимная ориентация, характер межзеренных границ, т.е. все, что в совокупности называется микроструктурой кристаллического тела, является важнейшими параметрами любого поликристаллического тела. Поскольку следствием процесса рекристаллизации является изменение указанных параметров, этот процесс оказывает существенное влияние, как на ход синтеза технических продуктов, так и на их конечные свойства. Например, чрезмерный рост кристаллов часто ухудшает механические свойства керамики и огнеупоров, поскольку он вызывает увеличение напряжений на межзеренных границах. С другой стороны, снижение размеров кристаллов в материалах типа люминофоров приводит к ряду отрицательных для этого класса материалов последствий. Размер зерен сегнетоэлектрической керамики оказывает значительное влияние на диэлектрическую проницаемость материала. Для улучшения некоторых электрических и магнитных свойств требуется получать материалы, содержащие как мелкие, так и крупные кристаллы. При производстве портландцемента следует стремиться к получению микроструктуры, сложенной из хорошо ограненных, не слишком мелких, но и не слишком крупных кристаллов.

Эти примеры показывают, что проблема регулирования роста кристаллов, обусловленного процессом рекристаллизации, имеет большое практическое значение.

Различают два вида рекристаллизации: первичную или истинную рекристаллизацию (называемую иногда рекристаллизацией обработки) и вторичную или собирательную рекристаллизацию.

Первичная рекристаллизация

Первичная рекристаллизация представляет собой процесс, при котором в твердом теле, подвергнутом пластической деформации, при нагревании происходит образование центров кристаллизации и последующий рост кристаллов, свободных от искажений, за счет кристаллов, искаженных при деформации.

Таким образом, следствием первичной рекристаллизации является образование в твердом теле неискаженных кристаллов на месте деформированных кристаллов с искаженной кристаллической решеткой. С точки зрения микроструктуры первичная рекристаллизация проявляется в равномерном росте свободных от искажений кристаллов, при котором их первичное распределение по относительным размерам практически остается неизменным, т.е. микроструктура тела в результате первичной рекристаллизации существенным образом не изменяется. Первичная рекристаллизация (например, за счет механической обработки) может иметь место только в пластически деформированных твердых телах, содержащих кристаллы с внутренними напряжениями, от которых тело стремится освободиться. Поэтому движущей силой процесса первичной рекристаллизации является уменьшение внутренней энергии системы за счет снятия искажений и напряжений, вызванных пластической деформацией, и роста неискаженных, менее дефектных и более стабильных кристаллов, обладающих меньшим запасом внутренней энергии.

Механизм процесса первичной рекристаллизации можно представить себе следующим образом. В любом деформированном кристаллическом теле имеются участки (микрообъемы) с различной степенью искажения решетки, характеризуемой, например, плотностью дислокаций. Микрообъемы, отличающиеся малой степенью искажения, являются местами предпочтительного возникновения зародышей новых, неискаженных кристаллов. После возникновения таких зародышей и достижения ими критических размеров (см. раздел «Кристаллизация») начинается их рост за счет перехода (диффузии) атомов или ионов от искаженных микрообъемов к растущему зародышу, в результате чего на месте искаженного кристалла с большой плотностью дислокаций вырастает кристалл, более или менее, свободный от искажений, с меньшей плотностью дислокаций.

Кинетика процесса первичной рекристаллизации определяется двумя величинами: скоростью зародышеобразования и скоростью роста кристалла. Эти величины зависят от степени деформации кристалла, температуры термической обработки, наличия примесей, размера исходных зерен и т.д.

Рассмотрим некоторые из этих факторов.

Очевидно, что движущая сила процесса зародышеобразования будет тем больше, чем больше различие в степени упорядоченности решетки кристаллов в разных частях твердого тела. Кроме того, интенсивность этого процесса, связанная с переходом атомов от искаженных частей кристалла к неискаженным, должна зависеть от расстояния между микрообъемами тела с различной степенью упорядоченности. Для характеристики влияния обоих этих факторов вводится понятие условного градиента искажений (ΔH):

ΔH=

где h2 и h3 — степень искажения решетки в первом и втором сравниваемых пунктах тела, определяемая, например, плотностью дислокаций;

L1-2 — расстояние между этими пунктами.

Исходя из этого выражения можно записать: i=k·ΔH·n

где i — интенсивность процесса зародышеобразования при данной температуре; k — коэффициент пропорциональности; п — число искажений в единице объема.

Другими словами, интенсивность или скорость зародышеобразования при данной температуре увеличивается при увеличении градиента степени искажения решетки в разных частях тела и числа искажений в единице объема. Поскольку градиент искажений ΔH пропорционален степени деформации тела, скорость процесса зародышеобразования увеличивается при возрастании степени деформации. Степень деформации влияет также на скорость роста кристаллов, хотя с повышением степени деформации скорость зародышеобразования увеличивается быстрее, чем скорость роста кристаллов. Поэтому большая степень деформации приводит к уменьшению конечных размеров зерен рекристаллизующегося тела.

Таким образом, скорость первичной рекристаллизации пропорциональна степени деформации твердого тела.

Число искажений в единице объема тела зависит от размера исходных зерен: чем меньше размер зерен, тем больше градиент искажений (особенно у границ зерен) и, соответственно, больше скорость зародышеобразования и роста кристаллов.

Как скорость образования зародышей, так и скорость роста кристаллов весьма сильно зависят от температуры, экспоненциально возрастая с ее увеличением. При определенной степени деформации кристаллического тела зависимость скорости зародышеобразования (п) и скорости роста кристаллов (с) от абсолютной температуры (Т) приближенно дается уравнениями

где Qn и Qc — энергии активации скорости зародышеобразования и скорости роста кристаллов соответственно;

n0 и co —константы; R — газовая постоянная.

Первичная рекристаллизация зависит от наличия в материале различных примесей. Установлено, что чистые вещества рекристаллизуются особенно интенсивно. Небольшое количество примесей (иногда менее 0,01%) может уменьшить скорость рекристаллизации на несколько порядков, а температуру рекристаллизации — на сотни градусов.

Следует отметить, что процесс первичной рекристаллизации особенно характерен для материалов, склонных к пластической деформации при механической обработке, например для металлов. Неметаллические тугоплавкие, в том числе силикатные, материалы, не отличающиеся, за некоторым исключением, пластичностью, как правило, плохо подвержены пластической деформации, в связи с чем, первичная рекристаллизация ддя них не характерна. В технологии силикатных и других тугоплавких неметаллических материалов, пожалуй, единственным процессом, где первичная рекристаллизация может играть существенную роль, является горячее прессование, при котором материал подвергается одновременному воздействию нагревания и давления.

studfiles.net

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

Основными из указанных факторов являются степень предварительной деформации и температура нагрева.

2вариант

studfiles.net

6.4. Основы рекристаллизации

В самом общем виде рекристаллизация может быть определена как самопроизвольно протекающий при нагреве многостадийный процесс полной или частичной замены одних зерен данной фазы другими зернами этой же фазы, обладающими меньшей энергией и более высоким структурным совершенством. Разница между спеканием и рекристаллизацией в том, что в первом случае атомы, ионы перемещаются, главным образом, внутри отдельных частиц, а при рекристаллизации – от одного зерна к другому. Температура рекристаллизации несколько выше, чем при спекании. Движущие силы рекристаллизации обусловлены стремлением системы перейти в более равновесное состояние с меньшей суммарной поверхностью зерен.

Процесс рекристаллизации происходит в результате формирования и миграции или только миграции большеугловых границ. Это области контактов (сочленения) кристаллических решеток соседних зерен, различно ориентированных в структуре и представляющих собой внутрифазовые межзеренные границы. В принципе, это величина разориентирования зерен в структуре, и углы этих границ могут достигать до 180°. Малоугловые границы – это границы между кристаллическими субзернами (блоками) внутри зерна, слегка разориентированными между собой, обычно не больше, чем на несколько градусов. Коэффициент диффузии по границам Dгp в 102–103 раз превышает объемные значения Dоб. Разница между указанными величинами зависит не только от разориентировки границ, но и от температуры (рис. 68), с понижением которой Dгp убывает медленнее.

Это связано с повышенной энергией границ из-за большой дефектности и некоторого различия в прочности межатомных связей поверхностных слоев по сравнению с объемам зерен. Энергию таких границ и натяжение называют зернограничными – гр. При нагреве до температуры, обеспечивающей достаточную диффузионную подвижность атомов и миграцию границ, происходит самопроизвольный процесс уменьшения протяженности границ. Он является следствием миграционных процессов, роста одних зерен за счет других и выражает сущность рекристаллизации. При этом изменяется структурное совершенство, размеры и форма зерен, их распределение и даже кристаллографическая ориентировка (текстура).

Рис. 68. Разница граничной и объемной диффузии при изменении температуры

Процесс рекристаллизации наиболее ярко проявляется у металлических материалов при их нагреве после холодной пластической деформации, когда кристаллическое строение основательно разрушается. После снятия внутренних напряжений (отдых) зарождаются новые центры зерен (возврат), образуется их новая сетка и происходит рост (полигонизация). Существующая теория рекристаллизации в основном и разработана для металлических материалов. Отдельные ее положения, очевидно, можно использовать и для керамических материалов. В отличие от металлов оксидные композиции обладают хрупкостью, пористостью и имеют в своем составе дисперсные частицы разных фаз, что повышает концентрацию дефектов в структуре. Если к тому же фазы отличаются по химическому составу и взаимодействуют между собой, то из-за встречной диффузии при высокой температуре могут дополнительно образовываться вакансии и микропоры при спекании материала. Неоднородность дефектов в микрообъемах приводит к градиенту распределения, что создает дополнительные движущие силы рекристаллизации. Избыточная свободная поверхностная энергия межзеренных границ составляет около 30% от значения энергии всего материала (поверхностной и объемной). Это вызывает термодинамическую нестабильность системы, приводящую при диффузии к самопроизвольному уменьшению площади межкристаллических границ.

Различают три стадии рекристаллизации: первичную, собирательную и вторичную. Одновременное их протекание встречается редко. Обычно проявляется одна из стадий, притом любая, или две.

Движущие силы. Основное уравнение рекристаллизации в общем виде выражает скорость миграции границ зерен и имеет вид

V = (Рдв – Рторм),

(77)

где  – подвижность границы; Рдв, Рторм – движущие и тормозящие силы процесса.

Объектами, препятствующими рекристаллизации, могут быть дисперсные включения других фаз, поры, атомные сегрегации и тому подобное, при обходе которых происходят задержка и отклонение фронта движения частиц (рис. 69).

Рис. 69. Торможение фронта миграции границы дисперсным включением в зерне

Значение Рторм определяется уравнением Мак-Лина

(78)

где f – объемная доля барьерных частиц; d – размер барьерных частиц.

Движущие силы процесса составляют комплекс сил (Е, , D, R и ), которые зависят от большого числа факторов.

Градиент объемной энергии активации Е зависит от разориентировки кристаллов в различных кристаллографических направлениях и количества

дислокаций в структуре. В хрупких материалах из-за отсутствия пластично- сти эта энергия очень мала, в то время как у металлов она составляет одну из главных движущих сил.

Модуль отклонения углов в тройных стыках зерен от 120° (). Для общего случая (рис. 70, а), когда силы натяжения и углы между ними на стыке трех зерен разные, то для равновесия системы необходимо условие 1/sin1 = 2/sin2 = 3/sin3, из которого следует, что если границы между зернами образуют тупые углы (>90°) и обладают одинаковой энергией, то двугранные углы равны 120°. Тогда стык, в котором пересекаются границы, будет обладать равновесным зернограничным натяжением. Такое равновесие может быть только при числе сторон зерен n = 6 с равными размерами и прямыми границами (рис. 70, б). Это идеальный вариант, когда зерна будут уравновешены и их рост при рекристаллизации исключен. Чем больше угол стыка отличается от 120°, т. е. больше модуль , тем больше движущая сила миграции стыка. В реальных условиях 6 > n > 6.

В условиях воздействия температур за счет зернограничного натяжения структура зерен будет стремиться к равновесию, т. е. каждый угол – к 120°. Механизм в этом случае будет зависеть от числа сторон зерна.

Рис. 70. Изображение поверхности трех стыкующихся зерен:

а– общий случай;б– стабильная структура

Стремление к равновесию приводит к изгибу границ стыка, и угол между ними будет определяться касательными к поверхностям изгиба (рис. 71).

При n < 6 (рис. 71, а, в данном случае n = 4) границы стремятся к выпуклости, т. е. выгибаются в сторону соседних зерен и центр кривизны будет в зерне с n < 6. Это создает движущую силу F = 2/r (r – радиус выпуклости) для миграции границ, которая направлена к центру данного зерна. Во втором случае n > 6 (рис. 71, б, в данном случае n = 8) имеет место обратная картина, т. е. границы стремятся к вогнутости и это порождает силу, движущую границу в сторону соседних зерен. На вогнутой стороне границ положение атомов более устойчивое, чем на выпуклой, поэтому частота перескока их на вогнутую сторону больше, чем в обратном направлении. В результате граница между зернами одной фазы, приближаясь к равновесному состоянию, мигрирует к центру своей кривизны и должна спрямляться. И зерна с n > 6 будут расти при миграции границ в направлении вне зерна и увеличиваться за счет соседних зерен. В зернах с n < 6 границы мигрируют вовнутрь, т. е. их размеры будут уменьшаться.

Направление миграции границ по Пинесу определяется тем, что в двух смежных зернах, разделенных неплоской границей, создается градиент концентрации вакансий из-за механических напряжений. При этом выпуклая поверхность сжата и концентрация вакансий в ее поверхностном слое понижена (дефицит вакансий), вогнутая поверхность растянута и имеет избыток вакансий. В результате на границе образуется градиент вакансий, который и приводит к диффузионной миграции атомов от выпуклого зерна к вогнутому. Стремясь уйти от неуравновешенности сил граничного натяжения, крупные зерна в процессе рекристаллизации растут за счет мелких с выпуклыми гранями.

Рис. 71. Миграция границ зерен с числом сторон:

а – менее 6; б – более 6

Градиент размера соседних зерен D. Энергия кристаллитов представляет собой сумму объемной и зернограничной энергий. Чем меньше размер зерна, тем больше доля зернограничной энергии в общем балансе энергии, соответственно больше и суммарная энергия на единицу объема. Если принять для упрощения, что соседние зерна с одинаковой объемной энергией имеют форму куба с размерами D2 > D1, то разность зернограничной энергии, приходящаяся на единицу объема, и составляет движущую силу процесса:

(79)

Эта сила существенна при D2 / Dl > 5.

Кривизна границы R = R – Rн определяет отклонение формы границы от прямой линии. Разные значения R порождают разные значения , вносящие свой вклад в общий баланс движущих сил рекристаллизации. Однако в керамике иногда наблюдалось, что аномальные явления при рекристаллизации, связанные с резким ростом зерен, происходили при почти совершенно прямолинейных границах. В этом случае соображения о поверхностном натяжении и кривизне границ, очевидно, мало приемлемы. Соотношения движущих сил рекристаллизации керамики в общем случае в первом приближении следующие: Р > РD > РR > Р.

Если условия благоприятствуют формированию однородной по величине зерна микроструктуры, в которой зерна в сечении шлифа имеют форму шестиугольников, а углы в тройных стыках близки к 120°, то такая структура отличается очень высокой термической стабильностью. Нагрев вплоть до высоких температур не вызывает заметного укрупнения зерна, даже если их абсолютный размер очень мал – микрометры и менее. Стыки более чем из трех границ – нестабильны.

Градиент объемной энергии активации – основной признак первичной стадии рекристаллизации металлов. Распределение зерен по размерам при этом существенно не меняется. В керамических материалах, обладающих хрупкостью и абразивностью, при их обработке (измельчении, прессовании и т. д.) пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому считают, что в керамике первичная стадия рекристаллизации не имеет места; определяющими являются собирательная и вторичная стадии.

Собирательная рекристаллизация – процесс роста одних зерен данной фазы за счет других с практически равной объемной энергией и близкими размерами, отличающимися не более, чем в 3–4 раза, из-за миграции границ зерен. Движущей силой является неуравновешенность зернограничного натяжения в тройных стыках границ зерен  и кривизна границ R. Эта сила соответствует разнице между значениями свободных энергий исходного тонкозернистого материала и крупнозернистого, образовавшегося в результате уменьшения поверхности межзеренных границ и суммарной поверхностной энергии.

Процесс рекристаллизации идет в направлениях к центрам кривизны границ зерен. При этом кривизна уменьшается и границы спрямляются. Степень кривизны меняется при увеличении числа сторон от n < 6 до n > 6 (рис. 72). Радиус кривизны тем меньше, чем больше n отличается от 6. На рис. стрелками показано направление миграции границ. Особенность собирательной рекристаллизации – отсутствие зерен, обладающих предпочтительными условиями роста перед другими. В зависимости от характера неуравновешенности разных стыков один может мигрировать в направлении от зерна, увеличивая его площадь, другой – внутрь этого же зерна, уменьшая площадь. В процессе собирательной рекристаллизации происходит статически однородное укрупнение зерна. С увеличением времени  кривые постоянно смещаются в сторону более крупных зерен, не меняя своего характера (рис. 73 для Ni, Si). Скорость роста зерен на этой стадии заметно ниже, чем на первичной.

Рис. 72. Направление миграции границ в зернах с различным числом граней

Рис. 73. Смещение распределения зерен при увеличении времени собирательной

рекристаллизации: 123

Вторичная рекристаллизация – это процесс неравномерного (предпочтительного) роста отдельных зерен (центров вторичной рекристаллизации) с равной объемной энергией за счет других однородных по размерам (стабилизированных) зерен той же фазы, осуществляемый миграцией границ. Для развития этой стадии необходимы повышение температуры и увеличение времени выдержки. Если одно зерно вырастает до такого размера, что оно имеет значительно больше сторон, чем соседние зерна (рис. 72, где n > 50), то кривизна (вогнутость) каждой стороны увеличивается и рост такого зерна происходит интенсивно. Система в этом случае приобретает большую неустойчивость. При определенных критических значениях  и T наступает момент прорыва и скорость скачкообразно возрастает. Процесс приводит к образованию аномально крупных зерен, в 10–100 раз превышающих размеры основной массы зерен.

Окончательный размер зерна ограничивается столкновением смежных центров вторичной рекристаллизации, поглотивших окружающую их тонкодисперсную матрицу. Чаще всего это происходит тогда, когда непрерывный рост зерен сдерживается примесями, включениями второй фазы, порами и т. п. Неоднородность их растворения или коагуляции является одним из обязательных условий вторичной рекристаллизации. Такая неоднородность структуры закладывается на предшествующих операциях предварительного синтеза, измельчения порошка, формования изделий и т. п. В этих условиях единственными границами, способными двигаться, будут те, кривизна которых больше средней кривизны остальных зерен. Это означает, что расти могут только крупные зерна. Если в начале рекристаллизации скорость роста зависит от n, то когда зерно вырастет, кривизна его границ будет определяться размером основных зерен и будет пропорциональна 1 / D.

Движущей силой вторичной рекристаллизации является градиент размеров соседних зерен D, который должен быть больше пятикратного, или градиент поверхностной энергии . В этом процессе происходит сфероидация пор. Вторичной рекристаллизации присущи следующие особенности:

– для начала процесса нужен инкубационный период для формирования центров (зародышей) вторичной рекристаллизации; должны быть реализованы факторы, обеспечивающие прекращение нормального роста зерен, например остановка миграции границ дисперсными включениями второй фазы или порами;

– для начала процесса необходим нагрев выше определенной температуры вторичной рекристаллизации. Температурный интервал между началом и концом процесса незначительный для металлов и широкий для керамических материалов;

– источником всех движущих сил является энергия границ зерен;

– центры вторичной рекристаллизации не зарождаются вновь, а образуются при ускоренном росте отдельных зерен матрицы, находящихся в благоприятных условиях. Причины формирования центров пока не выяснены.

Для вторичной рекристаллизации характерна асимметрия в распределении зерен по размерам. Мера разнозернистости определяется уравнением:

(80)

где D и Di – соответственно средний и конкретный размеры зерен; Nk – число зерен. Для однородной структуры D/D = 30–50%; Dmax/D = 2,5–3,0.

Теоретически при полном завершении рекристаллизации должно произойти превращение поликристалла в монокристалл. На практике вряд ли это реально, так как нужны большие выдержки при повышенных температурах. Отдельные компоненты, например ZnO в ферритах, могут испариться и нарушить химический состав материала; создать равновесную среду в этих условиях практически невозможно. В процессе рекристаллизации всегда найдутся причины, останавливающие рост зерен.

152

studfiles.net

Рекристаллизация — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах. Скорость рекристаллизации экспоненциально возрастает с повышением температуры. Температура рекристаллизации зависит от состава сплава. Температура начала рекристаллизации определяет температурный уровень разупрочнения металлов и сплавов и убывает с увеличение степени деформации и продолжительности отжига. В поликристаллических материалах, не испытывающих фазовой перекристаллизации, деформация и последующая рекристаллизация являются средством изменения структуры, и, следовательно, структурно чувствительных, механических и физических свойств и их анизотропии.

Различают 3 стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Собирательная рекристаллизация, сопровождается увеличением средней величины зерна за счет роста неискаженных зерен за счет друг друга. Основной движущей силой собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению энергии границ зерен за счет уменьшения их протяженности.

Вторичная рекристаллизация, при которой только отдельные зерна оказываются способными расти со значительно большей скоростью, чем другие, т. е. играть роль вторичных центров, тогда как при собирательной рекристаллизации таких зерен нет. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зерен (разнозернистость).

Рекристаллизация переводит вещество в состояние с большей термодинамической устойчивостью: при первичной рекристаллизации это происходит за счет уменьшения искажений, внесенных деформацией, при собирательной и вторичной рекристаллизации - за счет уменьшения суммарной поверхности границ между зернами.

Рекристаллизация устраняет структурные дефекты, изменяет размеры зерен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру). С помощью рекристаллизации текстурой можно управлять. Ориентировка рекристаллизированных зерен может повторять текстуру исходного деформированного материала или закономерно от нее отличаться. С помощью рекристаллизации можно также устранить текстуру деформации и сделать материал изотропным. Текстурные изменения происходят на стадиях первичной и вторичной рекристаллизации. Огромное значение имеет текстурообразование при рекристаллизации трансформаторной и электротехнической стали.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная или окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации. Рекристаллизация изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала и часто восстанавливает исходные структуру, текстуру и свойства. Иногда структура и текстура после рекристаллизации отличаются от исходных, соответственно отличаются и свойства.

Горелик С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: МИСИС, 2005.
Новиков В. Ю. Вторичная рекристаллизация. - М.: Металлургия, 1990.
Рекристаллизация металлических материалов. - М.: Металлургия, 1982.

megabook.ru

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

Основными из указанных факторов являются степень предварительной деформации и температура нагрева.

2вариант

studfiles.net

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

Рекристаллизация Сущность, виды и значение рекристаллизации

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

6.4. Основы рекристаллизации

Рекристаллизация — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

25. Рекристаллизация и ее типы (первичная, собирательная.) Движущая сила и кинетика рекристаллизационных процессов. Текстура рекристаллизации.

2.1 Сущность процесса рекристаллизации и ее виды. Исследование рекристаллизации молибдена

Похожие главы из других работ:

1.1 Физическая сущность магнитной дефектоскопии

1.2 Понятие и сущность ветроэнергетики

2.2 Особенности рекристаллизации молибдена

3.4 Экспериментальные исследования рекристаллизации молибдена

2.1 Сущность явления усиления света

Определение и сущность явления

1.1 Сущность метода

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ НАЛЕДЕОБРАЗОВАНИЯ

1.1 Сущность метода и его физические основы

5.1 Нахождение энтальпий процесса расширения (идеального процесса)

2.1 Сущность метода

1. Сущность понятия "измерение"

1.7 Метод твердофазной рекристаллизации

3. Сущность профессии

Виды и этапы энергосберегающих мероприятий. Основные виды вторичных энергоресурсов (ВЭР). Возможность использования ВЭР на вашем предприятии