Восстановление, рекристаллизация и рост зерна при отжиге металлов

Анализ микроструктурных превращений при отжиге после холодной пластической деформации и/или горячей деформации: три последовательных стадии — восстановление, рекристаллизация, рост зерна. Описание механизмов, кривых, факторов управления размером зерна, влияние температуры на свойства и тестовые вопросы.

Восстановление, рекристаллизация и рост зерна

Пластическая деформация искажает кристаллическую решетку, разрушает эквиаксиальные зерна (оси примерно равны) -> фиброзная/пластинчатая структура, повышает энергетический уровень металла. Деформированный металл — неравновесное, термодинамически нестабильное состояние. Даже при комнатной температуре идут спонтанные процессы перехода в более стабильное состояние. При нагреве происходят три процесса: (а) восстановление, (б) рекристаллизация, (в) рост зерна.

Схема (рис. 3.16): новые зерна нуклеируются из холоднодеформированных в момент T1; нуклеация/рост до T2 (все старые зерна рекристаллизовались); после T3 — медленный рост новых зерен. Схема изменений свойств по зонам — рис. 2.9.

Восстановление (Recovery)

Суть

Низкотемпературный процесс: восстановление физических свойств без заметных изменений микроструктуры. Критично для снятия внутренних напряжений в ковках, сварных/сборных изделиях без потери прочности от отвердевания.

Механизм

При нагреве до сравнительно низкой температуры эластические искажения решетки уменьшаются за счет роста амплитуды тепловых колебаний атомов. Прочность слегка снижается, предел эластичности и пластичность растут, но не до исходных значений. Микроструктура не меняется. Эта частичная регенерация свойств за счет снижения искажений решетки без изменения структуры — восстановление.

Скорость восстановления максимальна в начале, падает со временем. Количество восстановления за практичное время растет с температурой. Разные свойства восстанавливаются с разной скоростью и степенью.

Характеристическая кривая

Рис. 3.18: (i) скорость высокая сначала, потом падает; (ii) глубина восстановления растет с температурой. Индивидуальные свойства восстанавливаются с разной скоростью. Снятие напряжений предотвращает коррозионное трещинование под напряжением. Возможно снять напряжения без существенного изменения мех. свойств. Для полного снятия нужна высокая температура — полезно для литьев/сварных деталей.

Рекристаллизация (Recrystallisation)

Суть

Процесс замены искаженных зерен холоднодеформированного металла новыми напряжение-свободными зернами при нагреве выше температуры рекристаллизации. Вызывает резкое падение твердости/прочности и рост пластичности.

Механизм

Образование новых эквиаксиальных зерен вместо ориентированной фиброзной структуры. Эквиаксиальные кристаллы — оси примерно равны. Достигают термообработкой (отжиг, нормализация). Иллюстрация (рис. 2.10): появление минутных зерен (белые), быстрый рост до встречи с соседними, замена исходной системы зерен (пунктир). Рекристаллизация не создает новых структур, а новые зерна той же структуры.

Сущность: атомы преодолевают связи искаженной решетки -> ядра эквиаксиальных зерен -> рост за счет переноса атомов из деформированных в недеформированные кристаллиты. Зерна дробятся, приобретают волокнистую форму (рис. 2.11).

Температура рекристаллизации — при которой 50% холоднодеформированного материала рекристаллизуется за 1 час.

Рост зерна (Grain Growth)

Суть

Увеличение среднего размера зерна при дополнительном отжиге после рекристаллизации. Мелкие зерна имеют больше свободной энергии. Атомы мелких кристаллов с высокой энергией стремятся присоединиться к крупным -> движущая сила роста зерна.

Механизм

Сразу после рекристаллизации зерна малые, регулярные. При температуре выше рекристаллизационной они растут. Стремление к более стабильному крупному состоянию. Зависит от формы зерна. Для каждой температуры выше Трек существует практический предельный размер равновесия, дальше рост прекращается. Существует аномальный рост (абнормальный) от приложенных/остаточных градиентов деформации или неоднородного распределения примесей -> одиночные гигантские зерна.

Факторы, управляющие размером зерна

1. Степень предварительной деформации — больше деформация -> больше ядер -> мельче зерна. Минимум ~2,8% деформации для начала рекристаллизации. Малая деформация (но > мин.) -> крупное зерно (мало ядер). Рост деформации -> рост числа искаженных точек -> уменьшение зерна.
2. Температура — существует порог ниже которого рекристаллизации нет. Выше порога зерно постепенно грубеет.
3. Время нагрева/выдержки — эффект времени зависит от температуры. Рекристаллизация требует времени, уменьшающегося с ростом T. Короче отжиг -> мельче зерно. Дольше отжиг -> грубее зерно. Медленный нагрев -> образование новых ядер -> грубое зерно.
4. Примеси — большее количество и мелкое распределение примесей -> мельче зерно. Примеси способствуют нуклеации и препятствуют росту границ зерен.

Влияние температуры на восстановление, рекристаллизацию и рост зерна

Рис. 3.21 суммирует влияние на мех. и физ. свойства.

Тестовый вопрос

В каком процессе происходят восстановление, рекристаллизация и рост зерна по порядку? Отжиг (Annealing). При отжиге кристалл проходит три стадии в указанном порядке.

Частые вопросы (FAQ)

• Разница восстановление vs рекристаллизация: Восстановление — низкотемпературный отжиг для снятия остаточных напряжений без потери прочности отвердевания. Температура рекристаллизации — порог, выше которого эффекты отвердевания устраняются при отжиге.
• Разница между тремя стадиями: Восстановление — низкие T, снижение/устранение отвердевания. Рекристаллизация — достаточно тепловой энергии для рождения/роста новых напряжение-свободных зерен в существующей матрице. Рост зерна — продолжение высоких T после рекристаллизации, слияние границ -> увеличение размера зерна независимо от первичного аустенитного зерна.
• Зачем нужна холодная деформация для восстановления? Холодная деформация повышает прочность, снижает пластичность/электропроводность. Вносит остаточные напряжения от перекрытия/запутывания дислокаций.
• _{Движущие силы рекристаллизации и роста зерна:} Для роста зерна (непрерывный/абнормальный) — энергия границ высокого угла. Главная движущая сила рекристаллизации — запасенная энергия деформации в виде кристаллических дефектов (дислокации).