Восстановительная перекристаллизация и рост зерна – рабочий процесс

Восстановление, рекристаллизация и рост зерен - микроструктурные изменения, возникающие при отжиге после холодной пластической деформации и/или при горячей обработке металлов.

Восстановление, перекристаллизация и рост зерна

Пластическая деформация, искажающая кристаллическую решетку и разбивающая блоки исходных равноосных (имеющих оси примерно одинаковых размеров) зерен с образованием волокнистой структуры или тонких пластин, повышает энергетическую ценность металла.

Деформированный металл по сравнению с недеформированным состоянием находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. Поэтому в нагартованном металле даже при комнатной температуре происходят самопроизвольные процессы, переводящие его в более устойчивое состояние.

Если температура достаточно повышена, металл пытается приблизиться к равновесию посредством трех процессов:(а) восстановление , (b) перекристаллизация и (c) рост зерна .

На рис. 3.16 показана систематика этих процессов с изменением во времени. Новые зерна начинают зарождаться из холоднодеформированных зерен в момент времени Т1; зарождение зерен будет продолжаться и расти до времени T2. К этому моменту все зерна холодной обработки превратятся в новые зерна. В момент времени T3 размер этих новых зерен растет медленнее.

Схематический рисунок, показывающий восстановление, рекристаллизацию и рост зерен, а также основные изменения свойств в каждой области, показан на рис. 2.9.

Восстановление

Что такое восстановление?

Это низкотемпературное явление, которое приводит к восстановлению физических свойств без заметного изменения микроструктуры. Восстановление имеет решающее значение для снятия внутренних напряжений в ковочном, сварном и сборном оборудовании без снижения прочности, полученной во время и после работы.

Работает

Если упрочненный металл нагреть до сравнительно низкой температуры, упругие искажения кристаллической решетки уменьшаются за счет увеличения амплитуды тепловых колебаний атомов. Этот нагрев несколько снизит прочность наклепанного металла, но повысит предел упругости и пластичность, хотя и не достигнет значений, которыми обладает исходный материал (до наклепа).

Никаких изменений в микроструктуре в этот период не наблюдается. Такое частичное восстановление первоначальных свойств, производимое за счет уменьшения искажения кристаллической решетки без заметных изменений микроструктуры, называется восстановлением.

При заданной температуре скорость восстановления вначале самая высокая, а при более длительном времени падает. Таким образом, количество восстановления, которое происходит за практическое время, увеличивается с повышением температуры. В данном холоднодеформированном металле отдельные свойства восстанавливаются с разной скоростью и достигают разной степени завершенности.

Характеристики кривой восстановления

На рис. 3.18 показаны характеристики процесса восстановления. На рисунке показано, что I скорость восстановления сначала высокая, а затем со временем замедляется, и (ii) степень восстановления увеличивается с повышением температуры. Отдельные свойства металлов восстанавливаются с разной скоростью.

При восстановлении снимаются напряжения с холоднодеформированных сплавов, что предотвращает коррозионное растрескивание под напряжением. Можно снять напряжение без существенного влияния на механические свойства. Для полного снятия остаточных напряжений требуется высокая температура восстановления. Эта высокотемпературная обработка полезна для литых или сварных деталей.

Рекристаллизация

Что такое рекристаллизация?

Это процесс, при котором деформированные зерна холоднодеформированного металла заменяются новыми зернами без деформации при нагревании выше температуры, известной как температура рекристаллизации. Перекристаллизация вызывает резкое снижение твердости и прочности при увеличении пластичности.

Рабочий процесс

Образование нового равноосного зерна в процессе нагрева вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией. Равноосные кристаллы – это кристаллы, у которых оси примерно одинаковой длины. Равноосные зерна могут быть признаком перекристаллизации. Равноосные кристаллы могут быть получены термической обработкой, а именно отжигом и нормализацией.

Это показано на рис. 2.10. Первым эффектом нагревания является образование новых мельчайших зерен, как показано белым цветом на (а), и они быстро увеличиваются до тех пор, пока дальнейший рост не будет ограничен из-за встречи зерна с другим, как показано на (б) и (с). В конечном итоге исходная система зерен исчезает с рисунка, а новая кристаллизованная структура показана на (d), причем исходные зерна обозначены на рисунке пунктирными линиями. Рекристаллизация, по сути, не создает новых структур, а создает новые зерна или кристаллы той же структуры.

Рекристаллизация, по существу, состоит в преодолении атомами деформированного металла связей искаженной решетки, образовании зародышей равноосных зерен и последующем росте этих зерен за счет перехода атомов из деформированных в недеформированные кристаллиты. В мелком зерна измельчаются и приобретают форму, напоминающую волокна, как показано на рис.2.11.

Температура, при которой происходит кристаллизация, т. е. образуются новые зерна, называется температурой рекристаллизации. Это определяется как температура, при которой 50 % материала после холодной обработки будут рекристаллизоваться в течение одного часа.

Рост зерна

Что такое рост зерна?

Это относится к увеличению среднего размера зерна, вызванному дополнительным отжигом после рекристаллизации материала. Маленькие зерна имеют меньше свободной энергии, чем крупные зерна. Меньшие кристаллы с более высокой энергией атомов имеют тенденцию становиться частью более крупных кристаллов. Эта склонность способствует росту зерна. .

Рабочий процесс

Сразу после рекристаллизации металла зерна становятся мелкими и имеют правильную форму. Зерно будет расти, если температура будет достаточно высокой или если температура превысит минимум, необходимый для рекристаллизации. Этот рост является результатом тенденции вернуться к более стабильному и крупному состоянию и, по-видимому, зависит в первую очередь от формы зерна.

Для любой температуры выше температуры рекристаллизации обычно существует практический максимальный размер, при котором зерна достигают равновесия и перестают заметно расти, независимо от того, как долго они выдерживаются при этой температуре. Однако существуют определенные виды аномального роста зерен, возникающие в результате приложенных или остаточных градиентов деформации из-за неравномерного распределения примесей, которые позволяют выращивать очень большие одиночные зерна.

Факторы, влияющие на контроль размера зерна

1. Степень предшествующей деформации

Повышенная степень предшествующей деформации способствует зарождению и уменьшает окончательный размер зерна. Прежде чем рекристаллизация может произойти, требуется определенная степень деформации. Это примерно 2,8 процента от общей деформации. Когда деформация мала (но больше, чем минимальная деформация), размер зерна грубый, потому что образуется небольшое количество зародышей. По мере увеличения деформации увеличивается количество искаженных точек и, следовательно, уменьшается размер зерна.

2. Температура

Существует температура, ниже которой рекристаллизация не происходит. Размер зерна постепенно увеличивается выше этой температуры.

3. Отопление

Влияние времени нагрева на размер зерна определяется температурой, при которой происходит рекристаллизация. Для завершения рекристаллизации требуется определенное время, но это время уменьшается с повышением температуры. Чем меньше размер зерна, тем короче время отжига. Зерно становится грубее по мере увеличения времени отжига. Медленное нагревание способствует росту зерна за счет образования новых зародышей, что приводит к крупному зерну.

4. Примеси

Более мелкий размер зерна будет присутствовать с большим количеством и более тонким распределением примесей. Примеси способствуют зарождению и препятствуют росту зерен.

Влияние температуры на восстановительную рекристаллизацию и рост зерна

На рис. 3.21 обобщено влияние различных явлений на механические и физические свойства.

В. В каком из следующих процессов происходит восстановительная рекристаллизация и рост зерен?
а) поверхностное упрочнение
б) Закалка
в) Укрепление
г) Отжиг

Ответ :- Д

Пояснение :- В процессе отжига кристалл проходит три стадии, которые по порядку называются восстановительной рекристаллизацией и ростом зерна.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между восстановлением и перекристаллизацией?

Восстановление — Низкотемпературная отжиговая термическая обработка, предназначенная для устранения остаточных напряжений, возникающих при деформировании, без снижения прочности нагартованного материала.

Температура рекристаллизации – Температура, выше которой при отжиге устраняются эффекты деформационного упрочнения.

В чем разница между восстановительной рекристаллизацией и ростом зерна?

Восстановление происходит при низких температурах и уменьшает или устраняет эффекты наклепа.

Перекристаллизация происходит, когда имеется достаточно тепловой энергии для создания и роста новых зерен в существующей матрице без деформации.

Рост зерен является результатом продолжающихся высоких температур после рекристаллизации, поскольку границы зерен устраняются, что приводит к увеличению нынешнего размера зерна независимо от его предыдущего размера аустенитного зерна.

Почему для восстановления требуется холодная обработка?

Холодная обработка увеличивает прочность материала, но снижает его пластичность и электропроводность. Кроме того, в материал вводятся остаточные напряжения из-за наложения и запутывания дислокаций.

Каковы движущие силы рекристаллизации и роста зерен?

Движущей силой роста зерен, будь то непрерывный (нормальный рост зерен) или прерывистый (аномальный рост зерен), является энергия большеугловых границ. Основной движущей силой рекристаллизации является накопленная энергия при деформации в виде кристаллических дефектов.