Возврат и рекристаллизация

Неравновесная структура, созданная холодным деформированием, у большинства металлов устойчива при 25грС. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении темпе­ратуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и ре­кристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и поли-гонизацию.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, ко­торые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированно­го металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.

Рекристаллизация — это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию воз­врата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основ­ном вакансий; в ряде металлов (Al, Fe) отдых включает также перепол­зание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Пере­распределение дислокаций сопровождается уменьшением остаточных на­пряжений. Отдых уменьшает удельное электросопротивление и повыша­ет плотность металла. Твердость и прочность уменьшаются максималь­но на 10 - 15 % первоначальных значений и на столько же соответственно увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.

Полигонизацией называют процесс формирования субзерен, разделен­ных малоугловыми границами. Каждое субзерно представляет собой мно­гогранник, практически не содержащий дислокаций. Полигонизация явля­ется результатом нескольких элементарных процессов перемещения дис­локаций: скольжения и переползания краевых дислокаций, поперечного скольжения винтовых. Во время полигонизации несколько уменьшается плотность дислокаций благодаря взаимодействию и аннигиляции дислока­ций противоположных знаков. Для начала полигонизации в наклепанных металлах технической чистоты необходим нагрев до 0,3...0,35 Т(плав) а в наклепанных сплавах — до более высоких температур.

Различают предрекристаллизационную и стабилизирующую полиго-низацию. Предрекристаллизационная полигонизация развивается в накле­панных металлах с ячеистой дислокационной структурой. Дислокацион­ные стенки при нагреве уплотняются и ячейки превращаются в субзерна.

Уплотненные стенки ячеек сохраняют значительную кривизну и настоль­ко подвижны, что отдельные субзерна могут увеличиться и стать цен­трами первичной рекристаллизации. Предрекристаллизационная полиго­низация является начальной стадией первичной рекристаллизации. Стро­ение субзерен и их границ мало зависит от температуры. При повыше­нии температуры нагрева наклепанного металла увеличивается скорость поли тонизации: структуры полигонизации, образовавшиеся при разных температурах отжига, практически не отличаются.

Стабилизирующая полигонизация представляет собой формирование субзерен, разделенных плоскими дислокационными стенками (рис. 5.12). Стенки малоподвижны и весьма устойчивы, при дальнейшем нагреве они сохраняются почти до температур плавления металлов. После формиро­вания субзеренной структуры рекристаллизации не происходит. Стабили­зирующая полигонизация развивается лишь при определенных условиях: отсутствие ячеистой дислокационной структуры, избыток краевых дис­локаций одного знака и др. Такие условия выполняются в монокристал­лах и крупнозернистых поликристаллах после небольших пластических деформаций. В подобных материалах результаты перераспределения дис­локаций существенно зависят от температуры отжига. При сравнитель­но высоких температурах нагрева (выше 0, 35 Т(плав)) вместо полигонизации развивается первичная рекристаллизация. Если стабилизирующая поли­гонизация успешно завершилась после отжига при (0,3 - 0,35)Т(плав)) то при дальнейшем нагреве даже при более высокой температуре рекристалли­зация не развивается.

Ограничение подвижности дислокаций затрудняет полигонизацию. Закрепление дислокаций атомами легирующих элементов и примесей, образование дефектов упаковки, уменьшение концентрации вакансий (за­трудняется переползание дислокаций) — все это затрудняет полигониза­цию. Чаще она наблюдается в металлах с высокой энергией дефектов упаковки (Аl, Мо).

Практическое значение полигонизации проявляется в следующем.

1. Создание субзеренной структуры упрочняет металл по аналогии с формированием мелкозеренной структуры с высокоугловыми границами. Эффект упрочнения при полигонизации проявляется в меньшем масшта­бе, так как границы субзерен способны легче пропускать дислокации по сравнению с высокоугловыми границами.

2. Образование субзеренной структуры, сохраняя основную долю упрочнения наклепанного металла, снижает остаточные напряжения. Это повышает сопротивление коррозионному растрескиванию. В частности, для наклепанных латуней, содержащих (20 - 35) % Zn, назначают отжиг при ~ 300 грС для предупреждения растрескивания.

3. Границы субзерен являются препятствием для перемещения дисло­каций. Это используют для повышения жаропрочности деталей.

4. Субзеренная структура, образовавшаяся при динамической полиго­низации, т.е. в процессе деформирования обеспечивает при термомехани­ческой обработке сталей оптимальное сочетание пластичности и высокой прочности.

В зависимости от температуры нагрева и выдержки различают три стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой.

На стадии первичной рекристаллизации зарождение и рост новых зе­рен происходят одновременно. Зерна растут путем движения болынеугло-вых границ через наклепанный металл. В таком зерне плотность дисло­каций и других дефектов минимальна, в наклепанном металле — макси­мальна.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (см. рис. 5.13, б).

Первичная рекристаллизация полностью снимет наклеп, созданный при пластическом деформировании, металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического стро­ения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свой­ствам отожженного металла (рис. 5.14).

Особое значение имеет рост крупных зерен при нагреве дефор­мированного металла, когда его деформация близка к критичес­кой. При критической деформа­ции еще не формируется ячеистая дислокационная структура, спо­собная создать зародыши рекри­сталлизации, что способствовало бы формированию мелкозернис­той структуры. Неоднородность деформации зерен, различия энергии упругих искажений являются движущей силой укрупнения зерен за счет менее устойчивых мелких зерен.

Собирательная рекристаллизация представляет самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекри­сталлизации. Чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зер­на к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем совсем исчезают, другие — становятся более крупными, поглощая соседние зерна (рис. 5.13, г). С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Собирательная рекристаллизация тормозится, когда зерна становят­ся многогранниками с плоскими гранями, а углы между соседними гра­нями составляют 120° (рис. 5.13, д).

Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию неравно­мерного роста одних зерен по сравнению с другими. В результате форми­руется конгломерат зерен-гигантов, соседствующих с зернами-карликами. Механические свойства подобной разнозернистой структуры хуже, чем од­нородной структуры рекристаллизованного металла. Вторичной рекри­сталлизации соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.

Описанный процесс рекристаллизации типичен для скоростей нагре­ва в обычных термических печах, и для завершения той или иной стадии рекристаллизации требуются выдержки порядка нескольких часов.

Первичная рекристаллизация ускоряется при высоких (~ 1000 грС/с) скоростях нагрева, где она развивается при высоких температурах и за­канчивается формированием мелкозернистой структуры за секунды вме­сто часов. Для реализации скоростной рекристаллизации используют ин­дукционный нагрев или непосредственное пропускание электрического то­ка через наклепанный металл.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зе­рен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от сте­пени пластической деформации (рис. 5.15, а), а также от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рис. 5.15, б).

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, од­нородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпо­чтительная кристаллографическая ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации. Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, тех­нологических факторов.

Нередко она является копией текстуры деформации наклепанного ме­талла. Образование текстуры рекристаллизации имеет практическое зна­чение для сплавов с особыми физическими свойствами, когда требуется улучшить свойства в определенном направлении изделия. Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры дает возможность уменьшить потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зе­рен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и объемные соотношения между фазами. Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены частицы второй фазы, тем труднее переме­щаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в повышении температуры рекристаллизации и увеличе­нии времени для завершения первичной рекристаллизации многофазного сплава по сравнению с однофазным. Близость частиц второй фазы обеспе­чивается при достаточно высоком их содержании в сплаве. Когда частиц мало и они далеко друг от друга, их роль в рекристаллизации незначи­тельна. Мелкие частицы (0,1 мкм и меньше) тормозят рекристаллизацию (рис. 5.16). Более крупные частицы (свыше 0,1 - 0,5 мкм) тормозят ре­кристаллизацию, когда располагаются близко одна от другой, и ускоряют ее, когда расстояние между ними возрастает (см. рис. 5.16). В последнем случае сказывается влияние межфазной границы, на которой преимуще­ственно зарождаются новые зерна.

Тормозящее влияние дисперсных частиц второй фазы на рекристал­лизацию успешно используют в промышленных сплавах для повышения рабочих температур.

При горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5 - 10 мкм) проявляется сверхпластичное состояние металла. При низких скоростях деформирования (10е-5 – 10е-4 с(-1)) металл течет равно­мерно, не упрочняясь: относительные удлинения достигают 10е2 — 10е3 %.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под дей­ствием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным сколь­жением внутри зерен. Для того чтобы реализовать сверхпластичное со­стояние, требуется сохранить ультрамелкие зерна в течение всего периода деформирования (порядка десятков минут) при температуре выше 0,5Т(плав). Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1, так как при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелко­зернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу та­ких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные сме­си, двухфазные сплавы титана и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производ­ства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического фор­мования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность самого процесса формования и сравнительно высокие рабочие температу­ры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200 - 300 % и выше.

Процессы, основанные на использовании мелкозернистой структуры, широко применяются в промышленности. Сверхпластичность наблюда­ется при горячем деформировании сплавов в непосредственной близости к температурам полиморфного превращения или плавления. В этих слу­чаях микроструктура сохраняется, но кристаллическая решетка основы сплава оказывается неустойчивой: например, модуль упругости уменьша­ется в 2 - 3 раза. При малых скоростях деформирования металл способен деформироваться без разрушения на десятки процентов.