Сущность процессов возврата, полигонизации и рекристаллизации

Процессы перераспределения и уменьшения концентрации структурных несовершенств по атомному механизму и в порядке повышения энергии активации делят на три основные стадии: возврат; полигонизация и рекристаллизация (первичная, собирательная и вторичная).

Сущность процесса полигонизации заключается в перераспределении дислокаций под влиянием упругих напряжений (создаваемых самими дислокациями) сопровождающимся аннигиляцией дислокаций противоположных знаков:

• и образованием оставшимися дислокациями малоугловыхдислокационных границ, разбивающих зерно или монокристалл на блоки (после малых степеней деформации);
• или (в случае больших степеней деформации) образованием оставшимися дислокациями дислокационных скоплений («стенок»), окаймляющих бездислокационные (или с очень малой плотностью дислокаций) субзерна («ячейки») которые склонны к укрупнению путем миграции субграниц или коалесценции (слияние) группы соседних субзерен.

Сущность процесса рекристаллизации, протекающего в поликристаллических телах, заключается в полной или частичной замене одних зерен данной фазы (содержащих те или иные структурные несовершенства) другими, более совершенными зернами той же фазы. Реализация многостадийного процесса (механизм) рекристаллизации возможна за счет:образования высокоугловых границ; или образования и движения высокоугловых границ; или только посредством движения высокоугловых границ.

Так как взаимосвязанная совокупность процессов рекристаллизации, возврата и полигонизацииявляется наиболее распространенным видом структурных изменений протекающих при нагреве и уменьшающих свободную энергию системы (энергию Гиббса), то это позволяетв широком диапазоне управлять зёренной структурой металлов и сплавов и соответ ственно её структурно-чувствительными свойствами (прочностью, пластичностью, электросопротивлением, магнитными свойствами, коррозионная стойкость и др.).

К структурно-чувствительным свойствам и процессам относятся те механические и физические свойства материалов и технологические процессы, которые связаны с перемещением на расстояния больше межатомных, атомов или групп атомов, дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ зерен, носителей электрических зарядов (электронов, ионов), электрических, магнитных, оптических, звуковых, тепловых (фотонов и фононов) и других полей. Наиболее важными структурно-чувствительными процессами являются пластическая деформация, диффузия, старение, спекание, электропроводность, теплопроводность, намагничевание и размагничевание.

Зёренную структуру характеризуют (и являются ее основными управляемым параметрам): размер зёрен (кристаллитов) и распределение их по размерам; кристаллографическая ориентировка (текстура) и распределение зерен по текстурным компонентам; характер (форма, кривизна) границ разделяющих соседние зерна и закономерности ее атомного строения; углы в тройных стыках границ зерен и степень их уравновешенности (степень структурного несовершенства т. е. наклеп зерен за счет наличия точечных дефектов, пор, дислокаций, малоугловых границ). Краткие пояснения о перечисленных параметрах зёренной структуры представлены ниже.

В соответствии с определением по ГОСТ 5639-82 зёрна металлов это отдельные кристаллы поликристаллического конгломерата, разделенные между собой смежными поверхностями, называемыми границами зерен. Зерна могут быть равноосными и неравноосными.

Также для описания размера используют «эквивалентный» диаметр – диаметр круга (сферы), площадь (объем) которого равен площади (объему) зерна. Термин «диаметр» условный, так как зерна не имеют ни форму круга в плоском сечении, ни форму сферы в пространстве.

Так в поликристалле, состоящем их зерен одинакового размера, последние должны иметь форму кубооктаэдра с несколько искривленными гранями и ребрами, что обеспечивает равновесие натяжений границ в стыках. В реальном однофазном материале в поликристалле, состоящем из зерен разных размеров, форма их не может быть одинаковой. Это следствие того, что, во-первых, зёрна плотно заполняют пространство, и во-вторых, зёрна разных размеров непосредственно контактируют друг с другом.

Как правило, поликристалл текстурирован, т.е. у некоторой части зерен кристаллическая решетка ориентирована почти одинаково в некоторой внешней системе координат. Зерна с одинаковой ориентировкой относятся к одной составляющей (компоненте) текстуры, причем таких составляющих может быть больше, чем одна. Особо важным практическим примером народно-хозяйственного изучения текстуры является исследование закономерностей анизотропии магнитных свойств электротехнических сталей и разработка способов управления и создания нужной текстуры для повышения уровня магнитных свойств.

Границей зёрен называют поверхность между кристаллитами одной и той же фазы. В работах показано, что граница не поверхность, а слой толщиной не менее двух-трех межкомпонентных расстояний, в котором атомы заметно смещены из узлов кристаллической решетки (см. ниже в следующей лекции схему строения границы).

При геометрическом описании строения границы ее считают двумерным дефектом и характеризуют двумя группами параметров: первая описывает взаимный разворот (разориентировку – поворот решетки одного зерна, необходимый для ее полного совмещений с решеткой другого) зерен, вторая – положение, (ориентацию – описывают через взаимное расположение ее плоскости и выбранной оси разориентировки) самой границы.

Рост зерен проявляется в поглощении одних кристаллитов другими кристаллитами той-же фазы, благодаря чему средний размер увеличивается. В поликристалле рост зерен происходит самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Это уменьшение, отнесенное к единице объема поликристалла, называется термодинамической движущей силой процесса. Граница в поликристалле движется согласованно с другими границами, соединенными с ней в стыках.

При этом движущая сила роста зерна в поликристалле связана с кривизной его границ и требует учета размеров кристаллитов контактирующих с растущим зерном и свойств границ между ними.

Термодинамический стимул (движущая сила) процессов возврата, полигонизации и рекристаллизации – понижение свободной энергии системы за счет уменьшения концентрации структурных несовершенств, или за счет их перераспределения, когда образуются более стабильные конфигурации с меньшей энергией.

Важнейшей особенностью всех перечисленных элементарных процессов является то, что это термически активируемые процессы. Их скорость V зависит от температуры Т в соответствии с уравнением Аррениуса:

V = V0exp (–Q / kТ)

где V0 – константа; Q – энергия активации процесса, эВ или кал/г•моль имеет разные значения; k – постоянная Больцмана.

В реальных условиях, когда несколько элементарных процессов накладываются друг на друга, Q характеризует эффективную энергию активации суммарного процесса и температурную зависимость скорости его протекания.

Вследствие того, что подвижность различного типа структурных несовершенств неодинакова, а перемещение и взаимодействие одних дефектов может приводить к образованию дефектов другого типа, процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации являются многостадийными.

Помимо условий нагрева, это зависит так же от предыстории изделия, определяющей тип структурных несовершенств, их концентрацию и характер распределения. Затормозить ту или иную стадию процесса могут фазовые превращения и особенно распад пересыщенных твердых растворов, если они накладываются на процессы возврата и рекристаллизации.

Следует отметить, что утверждение, что процессы рекристаллизации, возврата и полигонизации совершаются только при нагреве деформированных металлов и сплавов – ошибочно. В действительности же этот случай наиболее распространен и хорошо изучен, но он, не единственный. Так как любое внешне воздействие, приводящее к созданию тех или иных структурных несовершенств и их градиенту или к изменению размеров и формы зерен, приводит при нагреве к перераспределению и уменьшению концентрации этих несовершенств, и увеличению однородности зёренной структуры.

Также следует отметить, что для металлов и сплавов содержащих структурные дефекты не деформационного происхождениянеобходимо знать какие типы несовершенств вводятся при том или ином воздействии и какими будут процессы их удаления. Ниже перечислены некоторые практически важные примеры: В технологическом процессе порошковой металлургии при получении различных композитов процесс спекания всегда сопровождается рекристаллизаций как в случае твердофазного синтеза из различных по составу исходных порошковых материалов, так и получение однофазных спечённых материалов.

Полиморфные и другие фазовые превращения, сопровождающиеся значительным «объёмным эффектом» с большой разницей в удельных объемах исходной и новой фаз (например, полиморфное превращение в олове, в котором низкотемпературная фаза обладает ковалентными связями, а высокотемпературная – металлическими с разницей в удельных объемах более 20 %.

Закалка с высоких (предплавильных) температур и большая скорость кристаллизации фиксируют точечные дефекты, которые термодинамически равновесны при высоких температурах, но оказавшиеся неравновесны при температуре закалки. В процессе последующего низкотемпературного нагрева или длительного вылеживания при комнатной температуре реализуются процессы возврата.

Таким образом для современного машиностроения процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации имеют важнейшее практическое значение, так как позволяют получить совершенно новые структурные состояния с широким диапазоном свойств в том числе значительно превосходящих свойства в исходном состоянии, а изучение закономерностей протекания этих процессов при всей внешней простоте является сложной металловедческой задачей.