Рекристаллизация металла

Введение

Микрокристаллические (МК) материалы, полученные специальными методами
интенсивного пластического деформирования, обладают целым рядом уникальных
физико-механических свойств . Экспериментальные данные свидетельствуют о
том, что многие особенности поведения МК материалов обусловлены их особой
структурой, в первую очередь, большой протяженностью межзеренных границ и их
неравновесностью .

Одной из особенностей МК металлов, полученных методами интенсивного
пластического деформирования, является существенная нестабильность их структуры
при нагреве. В частности, температура рекристаллизации в МК материалах
оказывается существенно ниже обычной температуры рекристаллизации чистых
металлов (, – абсолютная
температура плавления) и составляет . Кроме того,
рекристаллизация в МК материалах носит весьма бурный характер: скорость роста
зерен при достигает 10-5 см/с,
а энергия активации роста зерен оказывается существенно более низкой, чем
энергия активации процессов зернограничной самодиффузии .

Несмотря на большое число работ, посвященных экспериментальным исследованиям
процессов рекристаллизации и роста зерен в МК материалах , в
литературе отсутствуют адекватные теоретические модели, позволяющие
рассчитывать температуру начала рекристаллизации и описывать закономерности
роста зерен в этих материалах.

Целью настоящей работы являются экспериментальные исследования процесса
рекристаллизации в МК металлах.

Ссылки

1. Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). Материаловедение и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. С. 286–288. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC   .
2. Кирпич, Роберт Мейнард (1977). Структура и свойства инженерных материалов . Макгроу-Хилл.

• RD Doherty (2005). «Первичная перекристаллизация». В RW Cahn; и другие. (ред.). Энциклопедия материалов: наука и технологии . Эльзевир. С. 7847–7850.
• RD Doherty; Д.А. Хьюз; Ф. Дж. Хамфрис; Джей Джей Джонас; D Juul Jenson; М. Е. Касснер; МЫ Король; Т.Р. Макнелли; HJ McQueen; А. Д. Роллетт (1997). «Актуальные проблемы перекристаллизации: обзор». Материаловедение и инженерия . A238 : 219–274.
• Ф. Дж. Хамфрис; М. Хазерли (2004). Рекристаллизация и связанные с ней явления отжига . Эльзевир.

Определение

Три карты EBSD запасенной энергии в сплаве Al-Mg-Mn после воздействия увеличивающейся температуры рекристаллизации. Объемная доля рекристаллизованных зерен (светлых) увеличивается с температурой в течение заданного времени. Люк Хаген

Рекристаллизация определяется как процесс, в котором зерна кристаллической структуры приобретают новую структуру или новую форму кристалла.

Трудно дать точное определение рекристаллизации, поскольку этот процесс тесно связан с несколькими другими процессами, в первую очередь с восстановление и рост зерна. В некоторых случаях трудно точно определить точку, в которой начинается один процесс и заканчивается другой. Доэрти и другие. (1997) определили перекристаллизацию как:

Таким образом, процесс можно отличить от восстановления (когда большеугловые границы зерен не мигрируют) и роста зерен (где движущая сила возникает только из-за уменьшения площади границы). Рекристаллизация может происходить во время или после деформации (во время охлаждения или последующей термическая обработка, например). Первый называется динамичный в то время как последний называется статический. Кроме того, рекристаллизация может происходить прерывисто, когда образуются и растут отдельные новые зерна, или непрерывно, когда микроструктура постепенно превращается в рекристаллизованную микроструктуру. Различные механизмы, с помощью которых происходит рекристаллизация и восстановление, сложны и во многих случаях остаются спорными. Следующее ниже описание в первую очередь применимо к статической прерывистой рекристаллизации, которая является наиболее классической разновидностью и, вероятно, наиболее понятной. Дополнительные механизмы включают (геометрический) динамическая рекристаллизация и граничная миграция, вызванная деформацией.

Вторичная рекристаллизация происходит, когда определенное очень небольшое количество {110}<001> Зерна (Госса) растут избирательно, примерно одно из 106 первичных зерен, за счет многих других первично рекристаллизованных зерен. Это приводит к аномальный рост зерна, что может быть положительным или отрицательным для свойств материала продукта. Механизм вторичной рекристаллизации заключается в небольшом и однородном размере первичного зерна, достигаемом за счет ингибирования нормального роста зерна мелкими осадками, называемыми ингибиторами. Гусовые зерна названы в честь Норман П. Госс, изобретатель зерновой электротехническая сталь около 1934 года.

Практический пример: значение скорости охлаждения для кристаллизации

В этом примере скорость охлаждения в конце процесса вызвала вторичное образование зародышей (зафиксировано зондом ParticleTrack с технологией FBRM), в результате чего образовалось множество мелких частиц. Это было обнаружено в режиме реального времени с помощью видеомикроскопа ParticleView с технологией PVM.

Увеличение скорости охлаждения раствора ведет к более быстрому пересыщению, в результате скорость образования зародышей кристаллов будет выше скорости их роста

Следовательно, чтобы получить нужное распределение кристаллов по размеру, чрезвычайно важно контролировать скорость охлаждения

Дисперсность кристаллов льда, например, влияет на вкус и консистенцию мороженого: так, кристаллы размером менее 50 мкм предпочтительнее кристаллов, которые больше 100 мкм. Она влияет и на технологические свойства распыляемых агрохимикатов: их частицы должны быть малы настолько, чтобы не засорять сопла при распылении, но при этом достаточно большими, чтобы их не уносило на соседние поля.

Описание первичной рекристаллизации

Деформированный металл или свежий прокат переживает естественный процесс формирования ячеек с наиболее энергетически выгодными формами. Физическое воздействие смещает слои, при этом структура подвержена растяжению и, наоборот, сжатию в других точках. Этот дисбаланс склонен к возврату в естественное нормальное состояние. При комнатных температурах и минимальном нагреве эти события происходят с очень низкой скоростью, так как колебательных движений атомов недостаточно. Резкое ускорение возникает при увеличении внутренней энергии. Оптимальный показатель зависит от веса первичного элемента и степени связи с соседями, то есть от химического состава.

Материалы и методика проведения эксперимента

В качестве объектов исследования выбраны медь технической чистоты M1 (99,98%
Cu, 0,005% Fe, 0,005%
Pb, 0,004% Zn, 0,002% Sb, 0,002% Ni, 0,001% Bi, 0,002% Sn) и никель технической
чистоты НП-1 (99,88 %Ni, 0,04% Fe, 0,03% Si, 0,01% Mg, 0,005% Zn, 0,01% C,
0,015% Cu, 0,002% Mn, 0,001% Pb, 0,001% Bi, 0,001% Sb, 0,001% Sn). Образцы
размерами 14×14×165 мм меди и никеля с зерном исходного
размера 50 и 30 мкм соответственно были подвергнуты пластическому деформированию
по технологии равноканального углового (РКУ) прессования с числом циклов 2, 4, 8, 12 и 16, соответствующих истинной деформации 2,1; 2,4; 2,8; 3,2 и 3,5. Предварительно образцы были подвергнуты
рекристаллизационному отжигу при температуре (30 мин) в
вакууме.

РКУ-прессование осуществлялось при нормальной температуре в инструменте с
углом пересечения рабочего и выходного каналов . Однородность деформации простого сдвига контролировалась на
каждом цикле РКУ-прессования с помощью поперечных рисок, механически нанесенных
в плоскости течения образца. Использовался максимально жесткий режим
РКУ-прессования (режим “D”) . При этом режиме заготовка на каждом цикле
поворачивается на угол вокруг своей
продольной оси. Такой режим позволяет обеспечивать наиболее интенсивное
измельчение зеренной структуры.

Интенсивность сдвиговой деформации за цикл РКУ-прессования составляла . Истинная (логарифмическая) деформация при этом вычисляется
с помощью выражения . Скорость
деформирования (или скорость проталкивания заготовки из рабочего в выходной
канал) составляла 0,4 мм/с. При этом скорость деформации не превышала
1 с-1.

После РКУ-обработки образцы разрезались на пластинки и отжигались при
температурах в интервале от 100-500°С с продолжительностью выдержек от
5 мин до 10 ч. Отжиги образцов проводились в воздушной печи.
Температура отжига выдерживалась с точностью 2-3°С. Образцы охлаждались на
воздухе. Длительность отжига контролировалась с точностью ± 10 с.

Для структурных исследований использовались методы оптической микроскопии
(ОМ) (металлографии), атомно-силовой микроскопии (АСМ) и просвечивающей электронной
микроскопии (ПЭМ).

Структурные исследования методом ПЭМ были выполнены на просвечивающих
электронных микроскопах JEM2000EX и JMX200CX при ускоряющих напряжениях 200 и
120 кВ соответственно. Снимки делались с площади не менее 5 мкм2.
Фольги для электронномикроскопических исследований готовились стандартными
методами на приборе для струйной электрополировки.

Для ОМ (оптический микроскоп NEOFOT-32) и АСМ (универсальный воздушный
атомно-силовой микроскоп “Accurex-2100”, контактный режим) поверхность образцов
меди последовательно подвергалась механической шлифовке и полировке, а также
электролитическому полированию в электролите CrO₃+H₃PO₄ при напряжении
8-10 В и плотности тока 0,2-0,4 А/см2. Селективное
травление зеренной структуры в течение 10 с осуществлялось путем
последовательного травления поверхности шлифа 4%- и 10%-ными растворами HNO₃
в дистиллированной воде и спирте (обеспечивающим общее выявление дефектной
структуры металла (дислокаций, границ зерен, двойников и т. д.) и 10%-ным
раствором персульфата аммония (NH₄)₂S₂O₈
в дистиллированной воде (обеспечивающим селективное выявление границ зерен).

Текстура — рекристаллизация

Текстура рекристаллизации зависит от температуры отжига после деформации: чем выше температура, тем совершеннее текстура.
 

Текстура рекристаллизации является результатом кристаллографически ориентированного роста рекристаллизованных зерен.
 

Весьма стойкая текстура рекристаллизации отожженного после прокатки мельхиора приводит к образованию фестонов при штамповке. В данном случае текстура рекристаллизации вредна, и ее необходимо устранять.
 

Возникновение текстуры рекристаллизации объясняется, очевидно, тем, что зародыши новых зерен, существующие в деформированном металле, имеют преимущественную ориентировку кристаллографических осей в пространстве.
 

Схема въцезкн разрывных образцов для выявления анизотропии механических свойств в отожженном медном листе.

Наибольший вред текстура рекристаллизации приносит в том случае, когда листы или ленты предназначаются для глубокой вытяжки. Холоднокатаный лист или ленту перед штамповкой отжигают. Если при отжиге возникает достаточно совершенная текстура рекристаллизации, то лист становится анизотропным.
 

Что такое ребровая текстура рекристаллизации электротехнической кремнистой стали и какие требования предъявляют к магнитопроводам из текстуре-запных сталей.
 

Что такое ребровая текстура рекристаллизации электротехнической кремнистой стали и какие требования предъявляют к магнитопроводам из текстуро-занпых сталей.
 

Что такое ребровая текстура рекристаллизации электротехнической кремнистой стали и какие требования предъявляют к магнитопроводам из текстуре-за иных сталей.
 

На характер текстуры рекристаллизации существенное влияние оказывает чистота металла: и примеси. Влияние малых добавок, очевидно, связано с их поверхностной активностью и анизотропным воздействием на скорость роста зародышей рекристаллизации.
 

На тип текстуры рекристаллизации влияет значитель-га большее число факторов, чем на тип текстуры дефор-лации. Последняя формируется в процессе сдвиговой 1еформации под воздействием ориентированно прило-кенных внешних сил. В текстурах деформации отчетли-зо проявляется значение условий и схемы деформации, шсла и типа действующих систем скольжения, особен-юсти поведения дислокаций в данном материале.
 

Важнейшая особенность текстур рекристаллизации — та, что они часто кристаллографически связаны с исходными текстурами деформации.
 

При объяснении текстур рекристаллизации в настоящее время исходят из гипотез ориентированного зарождения и ориентированного роста рекристаллизованных зерен.
 

Зависимость скорости.

Экспериментальное изучение текстур рекристаллизации показывает, что угол поворота отклоняется на несколько градусов в обе стороны по сравнению с идеальным соотношением Кронберга-Вильсона.
 

Стадии рекристаллизации

В металлургии используются три фазы данного метода:

• Первичная обработка способствует образованию новых неискаженных зерен и формированию областей, которые будут освобождены от дислокаций или более совершенных, чем окружающая матрица (зародыши растут благодаря ее искажениям). Восстановление структуры и качеств недеформированного сырья происходит наиболее радикально.
• Собирательная стадия отличается ростом кристаллитов благодаря течениям, протекающим внутри самих зерен. За счет уменьшения их протяженности наблюдается снижение уровня энергии границ элементов.
• Вторичная характеризуется созданием разнозернистой структуры с применением различных химических соединений, как пример, сульфида марганца.

Рекристаллизация

Подробности Категория:

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

, процесс вторичной кристаллизации деформированных металлов при нагреве. Для рекристаллизации необходимы два условия: 1) состояние наклепа металла и 2) нагрев после наклепа. Технический металл в литом или отожженном (ненаклепанном) состоянии представляет собой некоторую массу кристаллов, по границам которых располагается т. н. межклеточное вещество, которое мешает кристаллам соприкасаться между собой. Кроме того, при кристаллизации сплава (переход из жидкого состояния в твердое) между кристаллами остаются некоторые промежутки — поры, незаполненные металлом (усадочные микропоры). Деформацией кристаллы металла разрушаются, разрывают оболочку из межклеточного вещества и частично соприкасаются чистыми изломами меж собой, уничтожая микропоры. При низкой температуре энергия атомов кристаллической решетки не может преодолеть сопротивления вязкости твердого металла, а потому деформированные кристаллы на холоде остаются раздробленными, но при повышении температуры начинается ориентация атомов разрушенной кристаллической решетки, и образовавшиеся кристаллы начинают расти за счет обломков прежних кристаллов до размеров, иногда значительно больших, чем первоначальные. Та низшая температура, при которой начинается этот процесс кристаллизации, и называется температура рекристаллизации.

Очевидно эта температура зависит от состояния и структуры рекристаллизующегося металла (чем больше имеется свежих стыков осколков кристаллов, чем тоньше, т. е. меньше межклеточного вещества в металле, иначе — чем он чище, тем ниже лежит начальная температура рекристаллизации), но в известном пределе эта температура является функцией только природы металла. А. А. Бочвар на основании некоторых теоретических выводов, подтвержденных рядом практических наблюдений, предлагает такую зависимость:

Ниже в таблице приведены температуры плавления и температуры рекристаллизации некоторых металлов по Бочвару.

По мере повышения нагрева процесс рекристаллизации идет быстрее. Из опыта найдено, что рост зерна кристалла тем больше, чем выше температура (при данной деформации) и чем слабее деформация (при данной температуре). Имеется некоторая «критическая» величина деформации (в пределах около 5%), вызывающая наибольший рост кристаллизации. Всякая прослойка, например, другая составляющая сплава, мешает росту кристаллов; например, феррит стали, содержащий до 0,10—0,12% С, способен к образованию больших кристаллов, а в стали с большим содержанием С (0,2— 0,3% и выше) перлитные островки мешают ему образовать крупные кристаллы. Крупнокристаллическое строение кристаллов вследствие рекристаллизации сообщает всякому металлу малое сопротивление удару, поэтому надо избегать при технологических процессах условий, вызывающих рост кристалла; как предупредительную меру против этого следует считать высокий нагрев, т. е. отжиг металла.

Структурные изменения металла при нагреве

Деформированный образец находится в неравновесном состоянии, поэтому необходима дальнейшая обработка при использовании повышенных температур. Данный метод позволяет перейти к равновесию за счет уменьшения искажений в решетке, а именно снятие напряжений для свободного перемещения атомов. В итоге при нагреве зарождаются и растут новые неискревленные кристаллиты исходной фазы. А это, в свою очередь, приводит к трансформации не только микроструктуры, но их свойств. После данных манипуляций происходит:

1. Резкое снижение прочности при одновременном увеличении пластичности.
2. Уменьшение сопротивления к электропроводности.
3. Повышение теплопроводности.

Данные параметры характерны для железа, в которых образовались маленького размера зерна. Для крупнозернистых материалов присущи высокие магнитные характеристики и физические качества начинают напоминать чугун.

Стадии рекристаллизации

Рекристаллизация может происходить в двух основных условиях: статическом и динамическом.

Главным фактором выступает температура рекристаллизации. Статика в основном возникает при отсутствии пластичности. Наиболее частым случаем статики является нагрев холоднодеформированного металла, приводящий к рекристаллизованной микроструктуре. Динамическая рекристаллизация протекает с сопутствующей ей пластичностью. От статической она отличается тем, что более чувствительна к скорости предшествующей деформации, но нечувствительна к предварительной деформации и температуре.

Процесс имеет три стадии:

1. Малые деформации (до 2…5 %), когда рост зёрен практически не заметен, а влияние температуры незначительно.
2. Резкий скачкообразный рост зёрен при соответствующем увеличении количество центров кристаллизации. Движение частиц усложняется, что приводит к быстрому повышению прочности металла и напряжений, необходимых для его деформирования.
3. Монотонное снижение прочностных показателей, когда рост центров кристаллизации компенсируется уменьшением размеров частиц.

Для динамической кристаллизации характерен один пик напряжений, когда прочностные характеристики материала достигают своего максимума, а затем снижаются (это явление называют разупрочнением). Оно связано с зарождением растущих новых зерен, которые уничтожают дислокации во время роста. Иногда динамическая рекристаллизация может начаться задолго до пиковых значений напряжения.

В некоторых случаях единственный пик в зависимости напряжения от деформации металла не наблюдается, зато очевидны множественные пики, приводящие к появлению волнообразных колебаний зависимости напряжения от деформации, которые затухают до эффективного устойчивого состояния. Такое циклическое поведение указывает на то, что происходит укрупнение зерна.

Динамический вариант данного явления может происходить с более умеренными скоростями, которые приближаются к таковым в обычных условиях ползучести.

На макроструктурном уровне деформированные частицы становятся заметно вытянутыми в направлении рабочих усилий, причём их форма сильно искажается. Это искажение проявляется в изгибе двойников отжига и неравномерностью травления, вызванной локальными деформационными неоднородностями.

Рекристаллизация стали (особенно в холоднодеформированном состоянии) сопровождается такими явлениями:

• повышением плотности дислокаций, а также плотности точечных дефектов – вакансий и междоузлий;
• снижением сопротивления коррозии;
• увеличением твёрдости;
• ростом значений удельного электросопротивления.

Иллюстрация изменений на примере танталового сплава

Этот материал имеет очень характерные преображения при подобного рода манипуляциях, так как он достаточно широко востребован в протезировании, защите особо важных узлов конструкций от коррозии и влияния агрессивных сред. Мы выбрали его для визуализации типичных процессов.

Механическое воздействие формирует явно заметные зоны с нарушенной структурой. Эти участки из-за отсутствия устойчивых кристаллических связей активно вступают в химические реакции с большим спектром реагентов. Само изделие приобретает повышенную хрупкость и неоднородное внутреннее строение с четко определенными областями сдвига. При температурной обработке хаотичные области наполняются вновь инициированными образованиями до полного заполнения повреждений. Что и называется текстурной рекристаллизацией. При этом сплав проходит очень медленный путь до прежнего состояния. Остановка действия в определенный момент времени позволяет зафиксировать свойства. Обычно проводится до достижения наименьшей площади касания зерен. Такое положение характеризуется очень низкой склонностью к окислению, так как межатомные связи, существующие в упорядоченной структуре кристаллов, не позволяют взаимодействовать даже с очень сильными окислителями.

Коррозия и проводимость

Танталовый сплав наносится тонким слоем на поверхность несущей конструкции. При этом действии формируются зоны с аморфным или полуаморфным состоянием, которые являются особо опасными очагами окисления. Для устранения дефектов проводится кристаллизация и рекристаллизация. Все изделие нагревается и выдерживается так заданное время. Такая операция позволяет получить в проблемных местах правильную структуру. Геометрическая выверенность положения ядер в зернах, а также минимальные тепловые колебания обеспечивают беспрепятственный проход электронов под воздействием поля. Что позволяет резко сократить количество столкновений, а значит, и нагрев (сопротивление) материала. Чем крупнее образования, тем выше проводимость.

Методы оценки изменений

Для эксперимента был взят образец, деформированный в прокатном станке. Заготовка уменьшилась с пяти миллиметров до 1,2 мм. Это позволило получить характерные структурные нарушения. После этого проведена выдержка при температуре 1200 градусов по Цельсию в течение десяти минут и второго образца – 1350° за 240 мин. Оба лепестка отшлифованы, обезжирены и очищены. На них сформированы зоны доступа (чистым оставлена фиксированная площадь, все остальное изолировано). После этого были подвержены воздействию агрессивными растворами (серная кислота, плавиковая и как растворитель – метиловый спирт). Проведены катодная и анодная реакции с замером токов.

Микроструктуры и результаты

По данным, полученным при тестировании, можно сделать выводы:

• Коррозийная поверхность деформированного образца заметно увеличилась за счет выработки легко реагирующих зон, не имеющих четко выраженной кристаллической структуры.
• Фрагменты, предварительно прошедшие процедуру рекристаллизации, показали линейную реакцию на влияние и фактически равномерное взаимодействие во времени.
• Второй образец с укрупненной кристаллической системой оказался наиболее устойчив как к анодному, так к катодному воздействию. При этом через заданный временной период поверхность сохранила равномерность без образования раковин и борозд.

Подробные выкладки и тонкости организации этого эксперимента можно найти в научных работах по металловедению. Там скрупулезно показаны все действия для достижения чистоты опыта и представлены отчеты в цифрах обо всех проведенных этапах.

Для бытового использования наиболее интересно знать, что такое температура рекристаллизации стали и чистых металлов, так как это позволяет посредством простых манипуляций кардинально изменить свойства предметов. Например, поменять параметры пружины, закалить или отпустить резец. Для закрепления материала посмотрите видео:

Что такое рекристаллизация металлов: стадии, процесс, температура

Твердое состояние любых веществ бывает аморфным или кристаллическим. Классическим примером отсутствия решетки является стекло. В быту, знакомая всем снежинка, есть результат упорядоченного объединения молекул воды посредством снижения внутренней энергии. Похожие события происходят и в металлических конструкциях. Наиболее наглядная картина видна на цинковом покрытии и месте слома свинцовой болванки. Интересным и важным для машиностроения являются изучение течений формирования внутренних характеристик у сплавов железа. Получение монокристалла (материала, имеющего упорядоченное строение на больших линейных размерах) это сложная технологическая задача, выполнение которой возможно только в строго определенных условиях. В обычной жизни мы имеем дело с хаотичными структурами, содержащими сформированные зерна того или иного размера. Это впрямую влияет на физические характеристики изделий. Металловедение – большой раздел неорганической химии, и только в начале прошлого столетия к изучению стали подходить с научной точки зрения. До этого вся область находилась в зоне прикладного искусства и качество, например, клинка зависело только от опыта и чутья мастера. Давайте вместе разбираться, что такое рекристаллизация металлов, как протекает действие и для чего это необходимо.