Рекристаллизация металла — температура, описание процесса

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Около 10…15 % всей энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом и накапливается в нем. Остальная часть энергии идет на нагрев металла.

Деформированный металл находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, и в нем могут протекать процессы, направленные на достижение устойчивого состояния. Этот переход связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке и снятием напряжений, что в свою очередь определяется возможностью перемещения атомов.

С повышением температуры подвижность атомов увеличивается и начинают развиваться процессы, приводящие металл к равновесному состоянию. По мере нагрева деформированный металл проходит стадии возврата и рекристаллизации, в результате чего изменяются его структура и свойства (рисунок 20).

В области возврата (при нагреве до 0,3 Тпл) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения. При этом не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптический микроскоп. Механические свойства металла изменяются незначительно, порядка на 5…7 %.

При низких температурах (ниже 0,2 Тпл) протекает первая стадия возврата — отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц. При нагреве вакансии поглощаются дислокациями, которые двигаются к границам зерен. Часть дислокаций противоположного знака уничтожается.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса
Рисунок 20 — Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве

Вторая стадия возврата — полигонизация, под которой понимают дробление (фрагментацию) кристаллов на субзерна (полигоны). При нагреве беспорядочно распределенные дислокации одного знака выстраиваются в дислокационные стенки, что приводит к образованию в монокристалле или в зерне поликристалла субзерен (полигонов), свободных от дислокаций и отделенных дислокационными границами (рисунок 21).

Этот процесс протекает обычно при небольших деформациях при температуре (0,25…0.3)Тпл, и им создаются условия для образования в структуре металла зародышей новых зерен.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рисунок 21 — Схема процесса полигонизации

Стадия первичной рекристаллизации в деформированном металле происходит при его нагреве выше 0,3Тпл. При высоких температурах подвижность атомов возрастает и образуются новые равноосные зерна.

Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется первичной рекристаллизацией.

В деформированном металле на участках с повышенной плотностью дислокаций образуются и растут зародыши. Образуется совершенно новое зерно, по размерам отличающееся от исходного до деформации. Наклеп практически полностью снимается, и свойства приближаются к их исходным значениям.

Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурным порогом рекристаллизации.

Температурный порог рекристаллизации (Тр) связан с температурой плавления металла зависимостью А.А.Бочвара:

  • Тр = а∙Тпл ,
  • где Тпл — абсолютная температура плавления, К;
  • а — коэффициент, зависящий от чистоты металла.
  • Для металлов высокой чистоты а = 0,1…0,2; для технически чистых металлов а=0,4; для сплавов твердых растворов а = 0,5…0,6.
  • Для некоторых металлов значение температурного порога рекристаллизации приведено в таблице 2.
  • Рекристаллизационный отжиг малоуглеродистых сталей проводят при 600…700 0С, латуней и бронз при 560…700 0С, алюминиевых сплавов при 350…450 0С, титановых сплавов при 550…750 0С.

Собирательная рекристаллизация проходит после завершения первичной рекристаллизации в процессе дальнейшего нагрева. Она заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Таблица 2 — Температура начала рекристаллизации технически чистых металлов

Металл Температура
плавления, 0С
Температура
рекристаллизации, 0С
Вольфрам 3400 1200
Молибден 2625 900
Железо 1539 450
Медь 1083 200
Алюминий 660 100

Особенность собирательной рекристаллизации состоит в том, что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, ”поедая” их вследствие перехода атомов через границы раздела. Зерна с вогнутыми границами растут за счет зерен с выпуклыми границами (рисунок 22).

Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомами на выпуклой поверхности. Малые зерна постепенно исчезают.

Собирательная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов и поэтому чаще всего недопустима для наклепанного металла.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рисунок 22 — Схема роста зерен при собирательной рекристаллизации

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень производительной пластической деформации (рисунок 23).

Величина зерна возрастает с повышением температуры нагрева и времени выдержки. При температурах Т1 и Т2 (выше Тр) образование рекристаллизованного зерна происходит не сразу, а через некоторый отрезок времени t1 и t2, который называется инкубационным.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса
Рисунок 23 — Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна

Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации, обычно порядка 3…15 %, такую степень деформации называют критической.

Критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации.

Холодная и горячая деформация >
Дальше >

Источник: https://dprm.ru/materialovedenie/vlianie-nagreva-na-strukturu-i-svojstva-deformirovannogo-metalla

Температурный порог рекристаллизации металлов

Главная / Теория термической обработки металлов / Отжиг первого рода / Рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиги / Температурный порог рекристаллизации металлов

23 мая 2011

Справедливость формулы иллюстрируется данными таблицы. По правилу А. А. Бочвара можно оценить в первом приближении температурный порог рекристаллизации по известной температуре плавления металла.

Это бывает необходимо, когда нет справочных данных. Например, можно оценить температуру начала рекристаллизации свинца: (327 + 273) 0,4 — 273 = — 33°. 

  Температурный порог рекристаллизации металлов (tп.р)

Металл tпл, °С tп.р, °С tп.р/tпл
W 3400 1200 0,4
Ti 1668 450 0,37
Fe 1539 450 0,4
Ni 1455 350 0,36
Cu 1084 200 0,35
Al 660 100 0,4
Zn 419,5 20 0,4

На температуру начала рекристаллизации, кроме степени деформации, времени отжига и примесей, влияют также температура и скорость, деформирования и размер зерна перед деформированием.

С повышением температуры деформирования температура начала рекристаллизации возрастает.

Объясняется это тем, что при более высоких температурах обработки давлением полнее проходят процессы возврата при деформации, меньше накопленная при деформации энергия, т. е. меньше термодинамический стимул рекристаллизации.

  • Если энергия дефектов упаковки высокая, то полигонизация при горячей деформации может создавать весьма совершенную субзеренную структуру со стабильной сеткой малоугловых границ и рекристаллизация при последующем отжиге сильно затруднится.
  • С увеличением скорости деформации температура начала рекристаллизации снижается, так как высокоскоростная деформация, например взрывом, создает более высокую общую плотность дислокаций и больший избыток дислокаций одного знака.
  • Измельчение исходного (до деформации) зерна приводит к понижению температуры начала рекристаллизации, так как в более мелкозернистом металле больше суммарная площадь высокоугловых границ, где зарождаются центры рекристаллизации, и больше накопленная при деформации энергия.

«Теория термической обработки металлов»,И.И.Новиков

Оптимальный режим рекристаллизационного отжига Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Оптимальный режим отжига можно выбрать по графикам температурной зависимости свойств (смотрите Влияние температуры отжига и Влияние температуры часового отжига).

Так, для восстановления пластичности меди можно рекомендовать часовой отжиг при 500 — 700 °С (смотрите Влияние температуры часового отжига).

Верхняя температурная граница отжига выбрана ниже температуры перегрева (~800 °С), а нижняя — с некоторым превышением tкp…

Рекристаллизационный отжиг Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рекристаллизационный отжиг подразделяют на полный, неполный и текстурирующий. Полный рекристаллизационный отжиг, обычно называемый просто рекристаллизационным — одна из наиболее широко применяемых операций термообработки.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую…

Выбор режимов дорекристаллизационного и рекристаллизационного отжига Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Основные параметры отжига наклепанных металлов и сплавов — температура и продолжительность.

Они определяют характер и полноту структурных изменений при отжиге, а также свойства металла и сплава после отжига.

В отдельных случаях, которые будут рассмотрены ниже, важную роль играют также скорость нагрева до температуры отжига и скорость охлаждения с этой температуры. Режим отжига каждого металла и…

Упрочнение при дорекристаллизационном отжиге Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Давно было замечено, что при низкотемпературном отжиге некоторых металлов и сплавов до начала рекристаллизации значительно повышаются твердость, предел прочности и особенно пределы текучести и упругости.

У каждого из таких материалов имеется своя оптимальная температура отжига, при которой упрочнение максимально.

Максимальный прирост предела упругости (Δσ/σ ) после дорекристаллизационного получасового отжига при оптимальной температуре (tопт) (Э. Н….

Изменение физических свойств при отжиге Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Электросопротивление изменяется при отжиге сложным образом. У многих деформированных металлов и неупорядоченных твердых растворов электросопротивление в значительной степени восстанавливается при дорекристаллизационном отжиге.

Первичная рекристаллизация окончательно снимает деформационный прирост электросопротивления.  Принято считать, что с повышением температуры рекристаллизационного отжига электросопротивление снижается (если при наклепе оно возрастало).

Но справочные данные не согласуются с этим представлением. У меди, никеля,…

Источник: https://www.ktovdome.ru/teoriya_termicheskoy_obrabotki_materialov/otzhig_pervogo_roda/rekristallizacionnyy_i_dorekristallizacionny/10419.html

3.4.2. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. В металле возникают внутренние напряжения. Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. Самопроизвольно должны происходить явления возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и другие внутризеренные процессы и образование новых зерен.

Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов.

Уже небольшой нагрев (для железа 300 – 400 °С) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения,  слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д..

Снятие искажений решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20 – 30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т.е.

образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры.

Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: 0,2 Тпл.

После того, как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла и его свойства становятся прежними, которые он имел до деформации. Схема процессов, происходящих при нагреве наклепанного металла, представлена на рис. 3.17.

Читайте также:  Эскизный проект:госты, состав, оформление

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Рекристаллизация металла - температура, описание процессаВ соответствии с описанными процессами изменения строения наклепанного металла при его нагреве следует ожидать и соответствующего изменения его свойств. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твердость резко падает и достигает исходного значения (значения твердости до наклепа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации. Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести). Низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат несколько повышают пластичность, но лишь рекристаллизация восстанавливает исходную (до наклепа) пластичность металла.

При нагреве наклепанного металла изменяется его структура (рис. 3.18). В исходной структура нагартованной латуни (рис. 3.18, а) видны вытянутые зерна с большим числом сдвигов.

Невысокий нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры (рис. 3.18, б). Нагрев до 350 °С приводит зерна металла почти к равноосному состоянию вследствие рекристаллизации.

Эта температура, очевидно, лежит несколько выше порога рекристаллизации (но незначительно), так как размер зерен невелик. Более высокая температура (550 – 800 °С) вызывает рост зерна.

  • Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:
  • 1) первичную рекристаллизацию, или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;
  • 2) вторичную, или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающая при более высокой температуре.
  • Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей.
  • Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен.

Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной рекристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров (рис. 3.19);

3) слияние зерен – состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное.

Источник: http://libraryno.ru/3-4-2-vliyanie-nagreva-na-stroenie-i-svoystva-deformirovannogo-metalla-rekristallizacionnye-processy-materialog/

Пластическая деформация и рекристаллизация металлов и сплавов (стр. 2 из 3)

Упрочнение сопровождается накоплением остаточной энергии в металле. Пластическая деформация вызывает искажения решетки металла. Остаточная энергия складывается в основном из энергии отклонившихся из положения равновесия атомов. Упрочненное состояние неустойчиво.

Неустойчивая структура пластически деформированного металла стремится освободиться от искажений кристаллической решетки и запаса остаточной энергии и перейти в устойчивое состояние.

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия атомов, в связи с чем ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при нагреве подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию; обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при относительно низких температурах, рекристаллизация — при более высоких.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма кристаллов при возврате не изменяются.

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых кристаллов с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего, равноосные кристаллы.

Возврат.
Процесс возврата протекает обычно при температурах ниже 0,3 ТПЛ (ТПЛ
— абсолютная температура плавления металла или сплава).

Стадию возврата, в свою очередь, разделяют на две возможные стадии: отдых и полигонизацию.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой вследствие перемещения атомов уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких как алюминий и. железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности.

Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых вызывает значительное уменьшение удельного электросопротивления и повышение плотности металла.

Если при отдыхе уменьшается плотность дислокаций, то наблюдается уменьшение твердости и прочности металла (алюминий, железо); если плотность дислокаций при отдыхе не меняется, то отдых не сопровождается изменением механических свойств (медь, латунь, никель).

Полигонизацией называют стадию возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций; в результате кристалл разделяется на субзерна — полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки.

Два полигона, разделенные стенкой (малоугловой границей), состоящей из нескольких краевых дислокаций схематично показаны на рис.8.

  • Рисунок 8. Дислокационное строение малоугловой границы
  • Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и характеристик прочности.

Рекристаллизация.
Пластически деформированные металлы могут рекристаллизоваться лишь после деформации, степень которой превосходит определенную минимальную величину, которая называется критической степенью деформации (Рекристаллизация металла - температура, описание процесса — относительное обжатие, где H0 — начальная высота заготовки, h- высота заготовки после обжатия). Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика (2 — 8%); для алюминия она близка к 2%, для железа и меди — к 5%.

Существует также температурный порог рекристаллизации — это наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. Температурный порог рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла:

ТРЕКР = а
×ТПЛ
.

Значение коэффициента а
зависит от чистоты металла и степени пластической деформации. Для металлов технической чистоты а =
0,3 — 0,4 и понижается с увеличением степени деформации.

Уменьшение количества примесей может понизить а
до 0,1 — 0,2. Для твердых растворов а =
0,5 — 0,6, а при растворении тугоплавких металлов может достигать 0,7 — 0,8.

Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100° С, 270° С и 450° С.

Рекристаллизация состоит из зарождения новых зерен и их последующего постепенного роста. Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает центров рекристаллизации.

С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке.

Рассмотренная стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.
Первичная рекристаллизация заканчивается при полном поглощении новыми зернами старых деформированных зерен.

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией.
Собирательная рекристаллизация не связана с предварительной пластической деформацией металла.

Этот процесс самопроизвольно развивается при достаточно высоких температурах в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше суммарная протяженность границ).

Рост зерен происходит путем перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела, одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем исчезают, а другие становятся более крупными, поглощая соседние зерна. С повышением температуры рост зерен ускоряется. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна (рис.9).

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рисунок 9. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а) наклепанный металл; б) начало первичной рекристаллизации; в) конец первичной рекристаллизации; г) собирательная рекристаллизация.

Рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Восстанавливаются все физические и механические свойства (рис.10).

Время выдержки при нагреве оказывает влияние на размер зерна в том же направлении, что и температура, но значительно слабее. С увеличением степени деформации выше критической размер зерен уменьшается вследствие увеличения числа центров рекристаллизации, а повышение температуры нагрева укрупняет зерна из-за ускорения собирательной рекристаллизации.

В рекристаллизованном металле при известных условиях возникает предпочтительная ориентировка зерен — текстура. Текстура рекристаллизации, также как и текстуры другого происхождения, вызывают значительную анизотропию физических и механических свойств.

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств обычно нежелательна.

Однако при использовании сплавов с особыми физическими свойствами (магнитными, с особыми зависимостями теплового расширения, с особыми упругими свойствами) анизотропию удается практически использовать, улучшая то или иное свойство в определенном направлении изделия.

Так, например, широко используется обработка, состоящая из холодной пластической деформации и последующего отжига (нагрева), приводящая к получению текстуры рекристаллизации в листах трансформаторного железа. Образование текстуры обеспечивает более легкую намагничиваемость в определенных направлениях листа. Применение текстурованного трансформаторного железа позволяет уменьшить потери на перемагничивание.

Возможность образования текстуры при рекристаллизации зависит от химического состава сплавов, в технических металлах — от природы и количества примесей, от температуры и времени выдержки при рекристаллизации, от сечения изделия и ряда других технологических факторов.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рисунок 10 — Схема изменения свойств наклепанного металла при возврате и рекристаллизации

5. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Читайте также:  Конденсаторная сварка: схемы, описание, оборудование

Холодная деформация
характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис.11, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом) (механизм рассмотрен выше).

Источник: https://mirznanii.com/a/189895-2/plasticheskaya-deformatsiya-i-rekristallizatsiya-metallov-i-splavov-2

Деформация и рекристаллизация металлов

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса

Рассмотрим более подробно понятие рекристаллизации.

Этот процесс известен с 19 века. В микроскопе рассматривались частички стали. Частички состояли из длинных зерен, которые при увеличении температуры изменили свою форму и стали ровными со всех сторон. Такое явление назвали рекристаллизацией.

Рекристаллизация – это образование новых кристаллических зерен с помощью других. Данный процесс происходит при повышении температуры. Чем выше температура, тем быстрее скорость процесса рекристаллизации.

При рекристаллизации изменяются свойства металлов. Может снизиться прочность и стойкость, увеличится пластичность.  Во время данного явления становится меньше общая масса зернограничной энергии.

В процессе рекристаллизации используются металлы, состоящие из большого количества кристаллов. Такие металлы являются поликристаллическими. Пластичные металлы, легко поддающиеся деформации, в большей степени подвержены рекристаллизации.

Микроструктура кристаллического тела – понятие характеризующее общее число кристаллов, их расположение, и границы между зернами. Если происходит увеличение количества кристаллов, то снижается качество огнеупоров и их механические свойства. Это происходит, потому что при росте кристаллов повышается напряжение между границами зерен.

При уменьшении размера кристаллов также могут происходить ухудшения свойств металлов.

Для того, чтобы улучшить свойства металлов, необходимо получать изделия с небольшими и крупными кристаллами.

Статическая рекристаллизации происходит уже после деформации изделия. Для этого необходимо повышение температуры.

Динамический вид рекристаллизации происходит в самом процессе деформации изделия из металла.

В науке рекристаллизацию подразделяют на три этапа – первичная, собирательная, вторичная.

  • Первичная рекристаллизация характеризуется тем, что в изделии, подвергшемся деформации с помощью повышения температуры, появляются новые кристаллы. Эти кристаллы увеличиваются в размерах и забирают в себя деформированные зерна. К концу завершения процесса деформированные зерна практически исчезают. Также сокращается количество дефектов в металле. Изделия из металла приходит в прежний вид и состояние. Чем выше поднимается температура, тем быстрее происходит процесс первичной рекристаллизации.
  • В процессе собирательной рекристаллизации — зерна, неискаженной формы, увеличиваются в размерах, за счет действия друг на друга. Размеры каждого зерна при этом увеличиваются. Чем сильнее деформация, тем больше увеличиваются зерна в размере.
  • Вторичная рекристаллизация отличается тем, что лишь небольшое количество зерен способны изменяться в размерах. Такой вид рекристаллизации увеличивает стойкость изделия к повышенным температурам.

Кроме этого, выделяется такое понятие, как динамическая рекристаллизация. В этом процессе появляются совершенно новые зерна. Чем выше повышается температура для деформации металла, тем быстрее осуществляется появление новые зерен. Если температура выше необходимой, то процесс динамической рекристаллизации может завершиться за одну секунду.

Бывает так, что после перенесенной рекристаллизации материал изменяет свою структуру и свойства. Для того, чтобы определить температуру рекристаллизации для определенного металла, необходимо выяснить температуру его плавления.

Рекристаллизация позволяет изменять зерна, их форму, размеры, свойства и структуру. За счет изменения зерен меняется и сам металл. 

Процесс рекристаллизации происходит в тесной связи с деформацией металла.

Рекристаллизация металла - температура, описание процесса Влияние пластической деформации на микроструктуру металла (схема)

Рассмотрим более подробно понятие деформации и ее назначение.

Деформация – это процесс, при котором меняется форма и размеры изделия. Деформация может происходить за счет воздействия специальных инструментов на металл. Также для деформации изделия используют определенные процессы (например, повышение температуры). Изделие можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Это и есть процессы деформации.

Выделяют такое понятие, как упругая деформация. Она характеризуется тем, что, когда устраняют внешнюю нагрузку, которая способствовала деформации, изделие из металла приходит в прежнее состояние.

Даже небольшое силовое воздействие на металл вызывает деформацию. Если применяется растяжение изделия, то расстояние между атомами становится больше. А при сжатии изделия происходит обратный процесс.

  • Если на металл оказывается минимальное воздействие, то эту деформацию можно назвать упругой.
  • При сильном воздействии металл не возвращается в исходное состояние, и такая деформация называется пластичной.
  • Чем пластичнее металл, тем больше он поддается пластической деформации.

Во время пластической деформации свойства металла могут измениться до неузнаваемости. Даже если изделие из металла обладает повышенной твердостью, при подборе определенной превышающей нагрузки может произойти пластическая деформация. Предел упругости у каждого металла разный, поэтому и воздействие нужно подобрать исходя из свойств металла.

Если изделие подвергнуть статичной нагрузке, изменения металла будут происходить постепенно и медленно. Такой процесс называется ползучестью. Если увеличить температуру воздействия на изделие, то скорость процессов также возрастет.

Сама же пластическая деформация зависит от свойств металлов, скорости воздействия, температуры и длительности нагрузки.

Те металлы, которые характеризуются кубическим видом кристаллической решетки, считаются наиболее пластичными. Поэтому они быстрее и проще поддаются деформации.

Можно изменить изделие с помощью холодной деформации. Такой процесс происходит при температуре ниже рекристаллизации изделия.  При таком виде деформации происходит увеличение прочности металла. Но холодная деформация возможна только с изделиями характеризующимися малым сечением (например, проволока).

Деформация с применением высоких температур, называется горячей. В этом процессе происходит полная рекристаллизация металла. Такой вид деформации обычно используется для крупных изделий.

Также деформация может происходить и без специального воздействия. Такой вид деформации встречается в природе. Свойства, внешний вид определенного металла, его прочность могут поменяться и из-за природных воздействия, независимых от человека.

В данной статье подробно были рассмотрены два важных процесса: деформация и рекристаллизация металлов. Эти процессы взаимосвязаны между собой. Они могут быть обратимыми и необратимыми.

Процесс рекристаллизации металла происходит в ходе деформации и различных физических воздействий на металл.

Естественно, все металлы отличаются друг от друга по свойствам и структуре, а значит процессы рекристаллизации и деформации происходит по-разному.

Деформация и рекристаллизация широко применяются в изготовлении различных металлических изделий. Эти процессы позволяют увеличить качество металла, изменить форму изделия и его внешний вид.

Важно подобрать оптимальное воздействия на металл, только в этом случае его свойства можно улучшить. Не всегда рекристаллизация и деформация оказывают положительное влияние на изделие.

Но несмотря на это, эти два процесса являются обязательными в металлообработке.

12.09.2019 Назад к списку Следующая новость 

Источник: https://prom-market.com/news/231/

Перекристаллизация (металлургия) — Recrystallization (metallurgy)

Перекристаллизация представляет собой процесс , посредством которого деформированных зерна заменяются новым набором бездефектных зерен , которые зарождаются и растут , пока оригинальные зерна не было полностью израсходованы. Перекристаллизация обычно сопровождается снижением прочности и твердостью материала и одновременным увеличением пластичности .

Таким образом, процесс может быть введен в качестве преднамеренного шага в обработке металлов или может быть нежелательным побочным продуктом другой стадии обработки. Наиболее важные промышленные виды использования размягчение металлов , ранее закаленные или оказываемые хрупкие под воздействием холодной обработки , и контроль структуры зерна в конечном продукте.

Определение

Три Й карты запасенной энергии в сплаве Al-Mg-Mn после воздействия повышения температуры рекристаллизации. Объемная доля рекристаллизованных зерен (света) увеличивается с ростом температуры в течение заданного времени. Люк Hagen

Перекристаллизация определяются как процесс, в котором зерно кристаллической структуры приходит в новой структуре или новой форме кристалла.

Точное определение перекристаллизацией трудно утверждать , как процесс тесно связан с несколькими другими процессами, в первую очередь восстановления и роста зерна . В некоторых случаях трудно точно определить точку , в которой один процесс начинается и еще заканчивается. Doherty и соавт. (1997) определяется рекристаллизации , как:

«… формирование новой структуры зерна в деформируемом материале за счет образования и миграции границ зерен высоких угловых, приводимых в действие запасенной энергии деформации. Высокие границы угла являются те, с более чем 10-15 ° разориентации»

Таким образом, процесс может быть дифференцирована от восстановления (где границы зерен высокий угол не мигрируют) и роста зерен (где движущая сила только за счет уменьшения граничной области). Перекристаллизация может произойти во время или после деформации (при охлаждении или последующей термической обработке, например).

Первое называется динамическим в то время как последний называется статическим . Кроме того, рекристаллизация может происходить в прерывистом образом, где различные новые зерна формируются и растут, или непрерывный способом, в котором микроструктура постепенно превращается в перекристаллизованную микроструктуру.

Различные механизмы , посредством которых происходят рекристаллизации и восстановления являются сложными и во многих случаях остаются спорными. Ниже описание в основном относится к статической прерывистой рекристаллизации, которая является наиболее классическим разнообразием и , вероятно, наиболее изучено.

Дополнительные механизмы включают ( геометрический ) динамической рекристаллизации и деформации , индуцированной миграции границ .

Вторичный рекристаллизационный возникает , когда определенное очень небольшое число {110} (Goss) зерна растут избирательно, примерно один из 106 первичных зерен, за счет многих других первичных рекристаллизованных зерен.

Механизм вторичной рекристаллизации является небольшой и равномерный размер первичных зерен, достигается за счет ингибирования нормального роста зерен путем мелких выделений , называемых ингибиторами. Зерна Goss названы в честь Нормана П.

Госса , изобретатель текстурированной электротехнической стали ок 1934.

Законы перекристаллизации

Есть несколько, в основном эмпирические законы рекристаллизации:

  • Термоактивационная . Скорость микроскопических механизмов , контролирующих зарождение и рост рекристаллизованных зерен в зависимости от температуры отжига. Уравнения Аррениуса типа указывают на экспоненциальную зависимость.
  • Критическая температура . Исходя из предыдущего правила было обнаружено , что рекристаллизация требует минимальной температуры для необходимых атомных механизмов произойти. Эта температура рекристаллизации уменьшается со временем отжига.
  • Критическая деформация . До деформации применительно к материалу должна быть достаточной , чтобы обеспечить достаточное количество ядер и запасенную энергию , чтобы управлять их ростом.
  • Деформация влияет на критическую температуру . Увеличение величины предварительной деформации или снижение температуры деформации, будет увеличивать накопленную энергию и число потенциальных ядер. В результате, температура рекристаллизации будет уменьшаться с увеличением деформации.
  • Начальный размер зерен влияет на критическую температуру . Границы зерен являются хорошими местами для ядер с образованием. Так как увеличение размера зерна приводит в меньшем количестве границ , это приводит к уменьшению скорости зародышеобразования и , следовательно , увеличение температуры рекристаллизации
  • Деформация влияет на конечный размер зерна . Увеличение деформации или снижение температуры деформации, увеличивает скорость нуклеации быстрее , чем это увеличивает скорость роста. В результате конечный размер зерен уменьшается увеличением деформации.
Читайте также:  Организация рабочего места сварщика: требования, описания

Движущая сила

В процессе пластической деформации работы , выполняемая является интегралом от напряжения и деформации в пластической деформации режиме. Хотя большая часть этой работы преобразуется в тепло, некоторую часть (~ 1-5%) сохраняется в материале как дефектов — в частности дислокаций.

Перегруппировка или устранение этих дислокаций уменьшит внутреннюю энергию системы , и поэтому существует термодинамическая движущая сила для таких процессов.

При умеренных до высоких температур, в частности , в материалах с высокой энергией дефектов упаковки , таких как алюминий и никель, восстановление происходит легко и свободные дислокации будут легко перестраиваются в субзерен окружении границ зерен малоугловых.

Движущей силой является разница в энергии между деформированной и перекристаллизовывают состояния Δ E , которое может быть определено с помощью плотности дислокаций или размера субзерен и граничной энергии (Doherty, 2005):

Δ   Е ≈ ρ г б 2 о р ≈ 3 γ s / d s { Displaystyle Delta E ок ; Rho ; Gb ^ {2} ; { тт {или}} ; ок ; 3 гамма-_ {s} / D_ {s} , !}

где ρ представляет собой плотность дислокаций, G представляет собой модуль сдвига, б является вектором Бюргерса дислокаций, γ s является граничной энергией субзерна и д ы является размером субзерен.

Зарождение

Перекристаллизация из металлического материала (A → B) и роста кристаллических зерен (B → C → D).

Исторически сложилось так, что предполагалось , что скорость зарождения новых рекристаллизованных зерен будет определяться термофлуктуационного модель успешно используется для кристаллизации и осаждения явлений. В этой теории предполагается , что в результате естественного движения атомов (который возрастает с увеличением температуры) малые ядра спонтанно возникают в матрице. Образование этих ядер будет связано с требованием энергии из — за формирования нового интерфейса и выделения энергии из — за формирования нового объема нижнего энергетического материала. Если ядра были больше некоторого критического радиуса , то было бы термодинамически стабильным и может начать расти. Основная проблема с этой теории является то , что накопленная энергия из — дислокаций очень низка (0,1-1 Jm -3 ) в то время как энергия границы зерна достаточно высока (~ 0.5Jm -2 ). Расчеты , основанные на этих значениях обнаружено , что наблюдаемая скорость нуклеации была больше расчетной некоторым невероятно большим коэффициентом (~ 10 50 ).

В результате, альтернативная теория , предложенная Кан в 1949 году в настоящее время общепризнанная. Рекристаллизованная зерна не зарождаются в классической манере, а вырастают из уже существующих суб-зерна и клеток. «Время инкубации» затем период восстановления , где суб-зерно с малоугловыми границами (

Источник: https://ru.qwertyu.wiki/wiki/Recrystallization_%28metallurgy%29

Рекристаллизация металла

Технология получения большинства металлических изделий связана с пластической деформацией и нагревом металла. При этом существенно изменяются структуры материала и его структурно-чувствительные свойства:

  • прочность;
  • пластичность;
  • электропроводность;

Металлы и сплавы, за редким исключением, используют в поликристаллическом состоянии. В микроскоп видно, что поликристаллы состоят из множества зерен – кристаллитов.

В поляризованном свете зерна различаются своей окраской, вследствие разной кристаллографической ориентировки относительно плоскости шлифа.

В зависимости от обработки размеры зерен могут различаться по величине очень сильно. От нескольких микрон до нескольких сантиметров. В изделии может сформироваться и разнозернистая структура.

Зерна отделены границами, граница которых зависит от угла разориентировки соседних зерен. Если эти углы больше 10-15 градусов, границы называют большеугловыми.

Величина зерна влияет на свойства металлов и сплавов. Так металлы с мелкозернистой структурой отличаются повышенной прочностью и пластичностью. Это хорошо видно при испытании на растяжение. Крупнозернистые металлы хрупкие и менее прочные.

Микроструктура может отличаться характером кристаллографической ориентировки зерен. Если большая часть зерен близко ориентирована, то такой поликристалл называют текстурованным.

Весьма распространены структуры, в которых кристаллографические плоскости куба, пентаэдра, ромбододекаэдра, располагаются параллельно плоскости прокатки.

Текстура может содержать разное число текстурных компонент:

  • двухкомпонентная текстура;
  • однокомпонентная текстура;

Характер текстуры сказывается на свойствах металла. Пластичность не текстурованного материала одинакова во всех направлениях. То есть, изотропна. В этом случае металл при штамповке тянется однородно.

Пластичность текстурованного металла анизотропна. При штамповке металл тянется неоднородно.

Управлять микроструктурой можно с помощью разных способов деформации и последующего нагрева.

Прокатка

При прокатке зерна меняют свою форму и ориентировку. Они сплющиваются и вытягиваются в направлении прокатки. Возникает текстура деформации. Кроме того, в зернах повышается концентрация структурных несовершенств.

Такое состояние металла является метастабильным. Для перевода в более стабильное состояние металл нагревают.

При этом, в искаженных участках микроструктуры возникают и растут новые, неискаженные равноосные зерна. Это и есть первичная рекристаллизация.

Возникшие зерна значительно меньше по размерам, чем исходные. При дальнейшем нагреве эти зерна укрупняются. Происходит собирательная, либо вторичная рекристаллизация. (В фильме эти стадии не рассматриваются).

В целом, под рекристаллизацией понимают процесс замены одних зерен данной фазы, другими зернами той же фазы, с меньшей энергией.

Пластическая деформация и рекристаллизация

Пластическая деформация

Изменения формы зерен при деформации происходит, в основном, путем перемещения дислокаций по плоскостям скольжения. Атомный механизм этого процесса связан с образованием и скольжением дислокаций. Линии сдвига являются местом скопления скользящих дислокаций.

По мере увеличения деформации, дислокации движутся в новых системах скольжения. Повышается плотность дислокаций. Взаимодействие полей напряжения вокруг дислокации, вызывает их сложные сплетения. При этом металл упрочняется и становится менее пластичным.

Наблюдать изменения дислокационной структуры внутри зерна можно с помощью электронного микроскопа, при увеличении в десятки тысяч раз. При этом, дислокации видны как темные линии, а скопления дислокаций, как темные области.

На первой стадии упрочнения дислокации движутся, в основном, в одной системе скольжения.

На второй стадии начинается скольжение в нескольких системах.

На третьей стадии образуются сложные сплетения дислокаций, возникает ячеистая структура. Ячеистая структура, важнейший признак третьей стадии упрочнения.

В объеме ячеек плотность дислокации относительно невелика. В основном, они сосредоточенны в стенках ячеек. Толщина стенок может отличаться от нескольких сотен ангстремов, до нескольких долей микрона.

Тонкие стенки характерны для металлов с высокой энергией дефектов упаковки. Размытые стенки характерны для металлов с малой энергией дефектов упаковки.

В середине зерна ячейки незначительно разориентированы друг относительно друга. У границы зерна разориентировка значительно сильнее. Если скольжение дислокаций затруднено, деформация реализуется двойникованием. При этом, атомы кристаллита закономерно сдвигаются относительно плоскости двойникования.

Изменения в структуре деформированного металла при его нагреве

  • При нагреве введенные деформации и дефекты перераспределяются и частично устраняются.
  • Ʈ —  время начала такого перераспределения, связана с температурной зависимостью.
  • Ʈ=Ʈ₀ exp ()
  • Где Q – энергия активации процесса.
  • Структурные изменения при нагреве делят на три стадии:
  • отдых;
  • полигонизация;
  • рекристаллизация;

Отдых и полигонизацию часто объединяют в одну стадию – возврат.

Отдых происходит при низких температурах. Ниже десятой доли температуры абсолютной доли плавления. Он связан с уменьшением концентрации точечных дефектов.

Вакансии – межузельные атомы и их комплексы, стекают в дислокации и в границы. Об отдыхе можно судить по выделению тепла, определяемому с помощью колориметра. Либо по изменению электросопротивления, которое существенно снижается при отдыхе. Прочность на этой стадии практически не меняется.

Полигонизация связана с перераспределением дислокаций. Она происходит при более высоких температурах, так как требует больше энергии активации.

При нагреве слабо деформированного металла дислокации перераспределяются в энергетически более выгодные стенки, перпендикулярные плоскостям скольжения. Эти стенки являются границами субзерен – полигонов.

При нагреве после сильной деформации, когда сформировалась ячеистая структура, полигонизация заключается в перераспределении дислокаций в стенках ячеек. Эти стенки сплющиваются и превращаются в плоские субграницы повышенной кривизны.

Образование таких субграниц происходит не одновременно во всем объеме. В результате сплющивания стенок, ячейки превращаются в субзерна. Затем, субзерна укрупняются.

Укрупнение может реализоваться двумя механизмами:

  • Миграция границ. При этом, более крупные субзерна увеличиваются за счет более мелких.
  • Коалесценция группы смежных субзерен. При этом, внутренние границы этих субзерен рассыпаются. Дислокация из них втягивается полями напряжений во внешнюю границу сливающихся субзерен. Последующий рост этого крупного субзерна ведет к миграции границы. В результате, его разориентировка увеличивается. Когда его граница становится больше угловой, субзерно превращается в зародыш первичной рекристаллизации.

Первичная рекристаллизация происходит при высоких температурах. Порядка трех-четырех десятых от абсолютной температуры плавления.

Формирование центров рекристаллизации можно наблюдать с помощью электронного микроскопа. Зародыши первичной рекристаллизации, прежде всего, возникают у тройных стыков границ исходных зерен. А так же вдоль этих границ. Там где при деформации решетка была сильнее всего разориентирована.

При дальнейшем нагреве, зародыши рекристаллизации растут миграцией своих границ. Существенно, что зародыши имеют ориентировку того субзерна, из которого они образовались.

Во время роста новые зерна сталкиваются между собой. Возникают тройные стыки. Наиболее стабильны те стыки, в которых граница зерен образует углы в 120 градусов.

Чем более углы в стыках отличаются от 120 градусов, тем быстрее мигрируют их границы.

В результате многократных столкновений, зерна приобретают форму многогранников. После небольших и средних деформаций, когда разные зерна искажены неодинаково, менее искаженные зерна растут миграцией своих границ за счет более искаженных. Возникшие выступы играют роль зародышей первичной рекристаллизации.

Чем больше центров рекристаллизации возникло, тем меньше, конечно, размер зерна. Число центров зависит от степени деформации.

Диаграмма рекристаллизации иллюстрирует это положение.

Перед вами микроструктура металла после разных степеней деформации. Нагрев после слабых деформаций не вызывает образование центров. Размер зерна не изменяется.

При нагреве после критической степени деформации возникает мало центров, зерно резко укрупняется.

При нагреве после закритической степени деформации, зарождается много центров. Зерно резко измельчается.

Первичная рекристаллизация завершается, когда весь объем металла заполняется новыми зернами.

Рекристаллизация, это важная, а для металлов и сплавов, не испытывающих фазовых превращений, единственное средство управления их структурой. 

Источник: https://kovkapro.com/metalloobrabotka-obschie-svedeniya/temperatura-rekristallizacii/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector