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 б_В, предела текучести б_Т, растворимости в кислоте, электросопротивления и др. Кривая 2 характеризует удлинение б и уменьшение поперечного сечения при растяжении, ударную вязкость а_к, 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.