Рекристаллизация металлов и сплавов.
Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М.
МИСИС, 2005 г.
РОЛЬ ПРОЦЕССОВ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ, ВОЗВРАТА И ПОЛИГОНИЗАЦИИ В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМЕ ЭТИХ ПРОЦЕССОВ
1.1. Сущность и роль процессов рекристаллизации, возврата и полигонизации
Под рекристаллизацией понимают процесс полной или частичной замены в поликристаллических телах одних зерен данной фазы, содержащих те или иные структурные несовершенства, другими, более совершенными, зернами той же фазы. Процесс осуществляется образованием, или образованием и движением или только движением высокоугловых границ [1, 2].
Рекристаллизация и примыкающие к ней процессы возврата и полигонизации представляют собой наиболее распространенный вид структурных изменений, совершающихся при нагреве в металлах и сплавах и неорганических материалах вообще и уменьшающих свободную энергию системы. Трудно найти такую же взаимосвязанную совокупность процессов, как рекристаллизация, возврат и полигонизация, которые давали бы возможность изменять в очень широком диапазоне микроструктуру, текстуру и все структурно-чувствительные свойства. Распространено ошибочное представление о том, что эти процессы совершаются только при нагреве деформированных материалов. В действительности же этот случай наиболее часто встречающийся, но не единственный. Любое внешнее 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 зеренной структуры.
Рекристаллизация почти всегда сопровождает полиморфные, а часто и другие виды фазовых превращений, совершающихся при нагреве. Например, превращение феррит -> аустенит в железе (Fea~> Fey) включает в реальных условиях две стадии:
1 — зарождение зерен аустенита и их рост за счет зерен исчезающего феррита (их разделяет межфазная граница);
2 — рост зерен аустенита за счет друг друга.
Стадия 1 — процесс фазовой перекристаллизации,
стадия 2 — чисто рекристаллизационный процесс.
Двухстадийно протекает и процесс получения монолитного материала в порошковой металлургии. На первой стадии идет спекание исходных порошковых частиц, на второй — рост зерен спеченных частиц за счет друг друга, т. е. собственно рекристаллизация. Таким образом, конечная зеренная структура почти всегда формируется при рекристаллизации за счет межзеренного взаимодействия.
Возвратом называют:
1 — процесс перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов (вакансий, межузельных атомов) в пределах зерен;
2 — движение вспять дислокаций, образовавшихся при деформации легким скольжением, и частичная аннигиляция дислокаций противоположных знаков. Процесс не сопровождается образованием новых границ, он может протекать в монокристаллах и в пределах отдельных зерен поликристаллов.
Полигонизацией называют процесс перераспределения дислокаций под влиянием упругих напряжений, созданных самими дислокациями, сопровождающийся аннигиляцией дислокаций противоположных знаков и образованием оставшимися дислокациями малоугловых дислокационных границ, разбивающих зерно или монокристалл на блоки (после малых степеней деформации), или — в случае больших степеней деформации — дислокационных скоплений («стенок»), окаймляющих бездислокационные (или с очень малой плотностью дислокаций) субзерна («ячейки»). Процесс чаще всего реализуется в объеме исходных (деформированных) зерен поликристалла.
Процессы возврата и полигонизации в отличие от рекристаллизации не сопровождаются образованием новых границ (возврат), или сопровождается образованием только малоугловых границ (полигонизация). Они могут быть самостоятельными процессами или предшествовать рекристаллизации. В условиях быстрого нагрева до высокой температуры (температуры рекристаллизации) все три процесса накладываются друг на друга, что сказывается на получаемой структуре рекристаллизации. Важнейшее практическое значение всех трех процессов и особенно рекристаллизации в том, что они существенно изменяют зеренную структуру и оказывают очень сильное влияние на структурно-чувствительные свойства и процессы. Они не только возвращают микроструктуру в исходное состояние, но позволяют получить очень разнообразную структуру с большим диапазоном свойств, часто существенно превышающих исходные.
Зеренную структуру характеризуют размеры зерен (кристаллитов), распределение их по размерам, кристаллографическая ориентировка (текстура), характер границ, разделяющих соседние зерна, их кривизна, закономерности их атомного строения, углы в тройных стыках границ зерен и степень их уравновешенности, наличие и характер внутризеренных несовершенств (тип, концентрация и характер распределения точечных дефектов, пор, дислокаций, малоутловых границ).
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 и атомных групп, дислокаций, малоутловых 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, намагничивание и размагничивание и др.