Вторичная рекристаллизация

Новиков В.Ю.

Металлургия, 1990 г.

ВВЕДЕНИЕ

Процесс роста зерен — явление, хорошо знакомое металловедам и специалистам по порошковой металлургии. В последние годы он привлекает внимание специалистов, занимающихся поликристаллическими тонкими пленками и оксидной керамикой. Рост зерен проявляется в поглощении одних кристаллитов другими кристаллитами той же фазы, благодаря чему средний размер зерен увеличивается. При росте зерен может наблюдаться либо постепенное укрупнение всей массы зерен без заметных изменений однородности микроструктуры, либо внезапное появление и бурный рост отдельных крупных кристаллитов при практически неизменных размерах остальных зерен. В первом случае процесс называют нормальным ростом зерен (HP) либо собирательной рекристаллизацией, во втором — аномальным ростом, огрублением зерен или вторичной рекристаллизацией (BP).

Явление BP известно в течение более полувека [1] и часто встречается в технологии обработки металлургических материалов. Так, при выборе температуры нагрева под закалку изделий из конструкционной стали необходимо учитывать "наследственное" зерно аустенита, величина которого связана с наличием или отсутствием BP. Укрупнение зерна при отжиге после слабых ("критических") деформаций — один из источников часто встречающейся разнозернистости поковок и штамповок [2] — типичное проявление BP[3]. При окончательной термообработке изделий из жаропрочных сплавов стремятся получить крупнозернистую структуру, что, как правило достигается с помощью BP. Наиболее показательны в этом отношении непровисающие нити из вольфрама и изделий из сложнолегированных никелевых сплавов. Если к сказанному добавить, что при BPкардинальным образом изменяется не только микроструктура, но и текстура материала, становится понятной актуальность этого явления в технике, например при изготовлении анизотропной электротехнической стали. В заключение остается упомянуть о решающей роли BP в надежности интегральных микросхем: она зависит от времени службы тонкопленочных проводников из алюминиевых сплавов, которое возрастает с укрупнением зерна в этих пленках.

Технические аспекты использования BP непосредственно связаны с пониманием природы этого явления. Большой вклад в рассматриваемую область теоретического металловедения внесли многие советские и зарубежные исследователи, среди которых в первую очередь следует назвать Г.Мазинга, Ф.Павлека, П.Бека, К.А.Малышева, С.Даннв, С.С.Горелика, К.Детерта, Дж.Уолтера. К настоящему времени достигнуто согласие в том, что BP— одно из проявлений роста зерен. Теоретическое описание BPосновано на рассмотрении роста отдельного кристаллита, окруженного соседями одинакового размера с идентичными по свойствам границами. Однако этого явно недостаточно, поскольку в поликристалле происходит взаимодействие зерен, различающихся размерами и топологическими характеристиками. Существенную роль в этом взаимодействии должно играть поведение границ зерен, поскольку именно движение границ ответственно за изменения микроструктуры при росте зерен. В связи с этим в теории роста зерен следует учитывать накопленные в последние годы результаты теоретического и экспериментального изучения структуры и свойств границ. Наконец, стимулом к разработке теории роста зерен, кроме перечисленных выше обстоятельств, является необходимость развития теории текстурообразования. Пока, с сожалению, в отсутствие последовательной теории роста зерен управление размером зерна и текстурой материала основывается главным образом на эмпирических данных.

В предлагаемой читателю монографии предпринята попытка рассмотреть на единой основе закономерности изменения микроструктуры при росте зерен и выявить тесную взаимозависимость BP и HP. Такой основой должны послужить представления о поликристалле как ансамбле зерен, отличающихся друг от друга размерами, формой и ориентировкой. При этом необходим учет свойств границ, разделяющих кристаллиты разной ориентировки, а также взаимодействие этих границ с дислокациями решетки, растворенными примесями, включениями дисперсной фазы, свободной поверхностью и друг с другом (в тройных стыках). Желателен, кроме того, учет взаимного расположения кристаллитов в ансамбле. Намеченная программа в настоящее время не может быть выполнена полностью в связи со слабой разработанностью некоторых аспектов. Например, еще недостаточно изучены свойства тройных стыков и мигрирующих границ. Однако обширный экспериментальный материал в совокупности с работами по компьютерной имитации и теоретическими исследованиями все же позволяют представить в известной степени завершенную картину различных проявлений процесса роста зерен.

Результаты экспериментальных работ по изучению BP разбросаны в научной периодике. Имеющиеся обзоры либо довольно кратки [4], либо посвящены специфическим особенностями BPв отдельных классах материалов [2, 5]. Настоящее издание, в котором обобщены результаты исследований BPи HP, является первой монографией на эту тему в отечественной и зарубежной литературе.

Построение книги отражает логику системного подхода, который все шире используют в различных технических науках. Поскольку процесс роста зерен характеризует поведение ансамбля кристаллитов, монографию открывает раздел, в котором сведены данные о строении этого ансамбля, включающие, с одной стороны, информацию о размерах, форме и ориентировке кристаллитов, а с другой — описание структуры и свойств границ между кристаллитами, миграция которых и приводит, собственно, к изменению размера последних. В этом же разделе введены понятия эффективной энергии и эффективной подвижности границы кристаллита определенной ориентировки, который окружен поликристаллической матрицей с некоторой преимущественной ориентировкой зерен, имеющих разные размеры. Использование этих понятий при анализе процесса роста позволяет увязать поведение отдельных элементов ансамбля кристаллитов со строением и изменением всего ансамбля в целом. Много внимания уделено подробному анализу термодинамики процесса роста зерен. Вводную часть завершает описание процесса нормального роста зерен, который всегда предшествует BP и в ходе которого создаются предпосылки для развития BP. Дан краткий обзор теории нормального роста, в котором показана ограниченность этих теорий: несмотря на учет геометрической и топологической неоднородности строения поликристалла, эти теории позволяют описать поведение ансамбля кристаллитов только с идентичными по свойствам границами. Приведенные результаты натурных и компьютерных экспериментов показывают, что кинетика HPзависит как от геометрических характеристик кристаллитов, так и от степени выраженности их преимущественной ориентировки. На той же основе с привлечением представлений об эффективных энергии и подвижности границ зерен разных размеров и ориентировок проведен анализ изменений текстуры при HP.

Описание вторичной рекристаллизации начинается с подробного анализа условий развития BP в различных типичных ситуациях: при задержке ИР в текстурованном материале с малоподвижными границами зерен и при торможении HP канавками термического травления или дисперсными частицами. Показано, что именно на стадии заторможенного HP происходит увеличение размера кристаллитов, которые получают возможность расти при BP. Проведено обсуждение того, какими отличительными особенностями могут характеризоваться эти кристаллиты, и сделан вывод, что полное подавление HPне может привести к развитию BP. Описание и анализ текстурных преобразований, происходящих при BP, также подтверждают тесную связь этих преобразований с изменениями микроструктуры и текстуры материала на инкубационном периоде BP. Естественно, большую роль играет и текстура матрицы, которую поглощают растущие центры BP. Представленные здесь результаты свидетельствуют о возможности регулирования микроструктуры и текстуры, формирующихся в процессе BP. В заключительных главах рассмотрена специфика развития BP в ряде технически важных приложений: при изготовлении анизотропной электротехнической стали и при регулировании размера и формы зерен в изделиях из конструкционных   материалов.   Совместный   анализ изменений микроструктуры и текстуры выявил факторы, позволяющие регулировать микроструктуру и текстуру этих сплавов.