Собирательная и вторичная рекристаллизация

Собирательная рекристаллизация – процесс роста одних зерен данной фазы за счет других при практически равной объемной энергии, реализуемый путем миграции границ под влиянием неуравновешенностью сил зернограничного натяжения в тройных стыках и кривизны границ в направлении уменьшения неуравновешенности и кривизны.

Под действием неуравновешенности сами стыки мигрируют в направлении приближения углов к 120°, а границы при этом мигрируют к своим центрам кривизны. Условием равновесия на границе между двумя соседними зернами является минимальная протяженность такой границы – её прямолинейность.

Поэтому на криволинейных межзеренных границах, сформировавшихся в результате развития первичной рекристаллизации, собирательная рекристаллизация будет проходить путем миграции границ «параллельно» самим себе к центру радиуса кривизны границы, т. е. в направлении ее выпрямления (рис. 6.4, а).

Следует отметить, что условием равновесия в тройном стыке (рис. 6.4, б) является равенство углов между границами трех зерен, соприкасающихся друг с другом в «тройной» точке. Все три угла должны быть равными 120°, что отвечает минимуму сил поверхностного натяжения в рассматриваемом стыке.

Анализируя последовательно процессы, приводящие к установлению равновесия на единичной межзеренной границе, а затем в зоне стыка трех зерен, можно видеть, что эти процессы становятся конкурирующими друг другу и обеспечивающими непрерывность миграции межзеренных границ вплоть до установления относительного равновесия.

При этом если до начала процесса граница была криволинейной, а в тройных стыках наблюдалось относительное равновесие (см. рисунок 6.4, а, поз. 1 границы), то при ее выпрямлении будут нарушены условия равновесия в обоих тройных стыках (см. поз. 2, 3 на этом же рисунке). Это требует начала процессов миграции всех трех границ вместе со стыком в сторону угла, меньшего 120°. При этом, возникающее равновесие в тройном стыке за счет его миграции вместе с примыкающими границами вызывает их искривление, что требует вновь установления равновесия на единичных границах (их выпрямления).

Все границы зерен при этом становятся прямолинейными, а углы во всех тройных стыках оказываются равными 120° (рисунок 6.3, в). Это может оказаться возможным лишь при относительном равенстве размеров подрастающих при собирательной рекристаллизации зерен. Такое структурное состояние отвечает окончанию стадии собирательной рекристаллизации.

В реальной ситуации такое «идеальное» зёренное строение чаще всего не может быть сформировано, поскольку наличие дефектов кристаллического строения в объемах зерен, неодновременность развития рекристаллизационных процессов в соседних зернах, наличие примесей, а также наложение друг на друга различных стадий рекристаллизации приводят к некоторой разнозернистости и нарушению равномерного «сотового» зеренного строения.

Однако и в реальных структурах всегда можно обнаружить множество прямолинейных границ между зернами и равновесные тройные стыки трех зерен.В результате собирательной рекристаллизации происходит статистически однородное укрупнение зерен, однако основной рост зерен наблюдается на последующей стадии вторичной рекристаллизации.

Начало вторичной рекристаллизации обнаруживается по внезапному появлению очень крупных зерен, часто различимых невооруженныи глазом. По мере развития вторичной рекристаллизации количество таких зерен, их размеры и занимаемый или объем возрастают, однако они всегда остаются в окружении мелкозернистой структуры (её называют матрицей вторичной рекристаллизации) заметных изменений в которой не происходит.

Таким образом вторичная ректристаллизация – это процесс предпочтительного роста некоторых зерен с равной объемной энергией за счет зерен той же фазы, практически не увеличивающихся в размерах («стабилизированных»), осуществляется миграцией границ, стимулируемой выигрышем в зернограничной (в случае когда центры рекристаллизации обладают заметным преимуществом в размерах по сравнению с окружающими зернами) или поверхностной энергией (в случае когда в тонких образцах поверхностная энергия центров вторичной рекристаллизации заметно меньше поверхностной энергии зерен другой ориентировки).

Следует отметить о зародышах вторичной рекристаллизации, так как зарождение в классическом смысле при вторичной рекристаллизации отсутствует. Зародышами вторичной рекристаллизации становятся крупные зерна, которые имелись в материале до начала процесса и которые превратились в зародыши в ходе нормального роста (на стадии инкубационного периода) предшествующего вторичной рекристаллизации.

Поскольку после появления первых скачкообразно выросших зерен их размер очень сильно отличается от размеров окружающей мелкозернистой матрицы, процесс миграции границ идет непрерывно вплоть до полного исчезновения мелких зерен и общего огрубления структуры (рис. 6.5).

Если после собирательной рекристаллизации границы 1, 2, 3 (рис. 6.5, а) оказываются нестабильными, то они расформировываются, в связи с чем появляются неуравновешенные криволинейные границы 4, 5, 6 (рис. 6.5, б), которые, в свою очередь, выпрямляясь и мигрируя параллельно самим себе, занимают новые положения 7,8,9. Эти процессы приводят к скачкообразному росту нового зерна и исчезновению мелкозернистой окружающей матрицы.

Сопутствующим процессом при вторичной рекристаллизации является перераспределение атомов примесей, в том числе газовых включений, к границам зерен, имеющим относительно малую протяженность. При этом на границах резко повышается концентрация примесей, обусловливающих образование тонких, но хрупких пленок либо образование вдоль границ газовой пористости, что ухудшает свойства изделий. Такое явление носит название пережог.

В связи со все более широким применением горячей деформации для производства полуфабрикатов и заготовок, а также готовых изделий, в частности с использованием высоко температурной механической обработки (ВТМО), резко возрос интерес к особенностям рекристаллизации после горячей деформации. Эти особенности весьма существенны. Поэтому многие авторы классифицируют процессы рекристаллизации в зависимости от условий деформации и нагрева.

Статическая и постдинамическая рекристаллизация могут быть как первичными, так и собирательными, и вторичными, тогда как динамическая – только первичной. Соответственно различают также статический и динамический возврат.