Рекристаллизация (металлургия) - Recrystallization (metallurgy)

Кристаллизация
Кристаллизация
Основы
	Кристалл · Кристаллическая структура · Зарождение
Концепции
	Кристаллизация · Рост кристаллов ; Перекристаллизация · Затравочный кристалл ; Протокристаллический · Монокристалл
Методы и технологии
	Кряж ; Бриджмен-Стокбаргер метод ; иодидного метод ; Чохральский Метод ; эпитаксия · Флюс метод ; фракционная кристаллизация ; Фракционного замораживание ; гидротермального синтеза ; Киропулос метод ; лазерного нагретого роста пьедестала ; Микро-тягового вниз ; Shaping процессов роста кристаллов в ; Черепе Тигель ; Верной метод ; зонных плавках
	v; т; е;

Рекристаллизация - это процесс, при котором деформированные зерна заменяются новым набором бездефектных зерен, которые зарождаются и растут до тех пор, пока исходные зерна не будут полностью израсходованы. Рекристаллизация обычно сопровождается снижением прочности и твердости материала и одновременным увеличением пластичности . Таким образом, процесс может быть введен как преднамеренный этап обработки металлов или может быть нежелательным побочным продуктом другого этапа обработки. Наиболее важными промышленными применениями являются смягчение металлов, ранее закаленных или сделанных хрупкими в результате холодной обработки , и контроль зернистой структуры конечного продукта.

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 восстановлением и ростом зерен . В некоторых случаях сложно точно определить точку, в которой начинается один процесс и заканчивается другой. Доэрти и др. (1997) определили перекристаллизацию как:

«... формирование новой зеренной структуры в деформированном материале путем образования и миграции высокоугловых границ зерен, вызванных накопленной энергией деформации. Высокоугловые границы - это границы с разориентацией более 10-15 °»

Таким образом, процесс можно отличить от восстановления (когда границы зерен под большим углом не мигрируют) и роста зерен (где движущая сила возникает только из-за уменьшения площади границ). Рекристаллизация может происходить во время или после деформации (например, во время охлаждения или последующей термообработки). Первый называется динамическим, а второй - статическим . Кроме того, рекристаллизация может происходить прерывисто, когда формируются и растут отдельные новые зерна, или непрерывно, когда микроструктура постепенно превращается в рекристаллизованную микроструктуру. Различные механизмы, с помощью которых происходят 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 ( геометрическую ) динамическую рекристаллизацию и перемещение границ, вызванное деформацией .

Вторичная рекристаллизация происходит, когда определенное очень небольшое количество зерен {110} <001> (Goss) селективно растет, примерно одно из 106 первичных зерен, за счет многих других первично рекристаллизованных зерен. Это приводит к аномальному росту зерен , что может быть полезно или вредно для свойств материала продукта. Механизм вторичной рекристаллизации заключается в небольшом и однородном размере первичного зерна, достигаемом за счет подавления нормального роста зерна мелкими осадками, называемыми ингибиторами. Зерна Госса названы в честь Нормана П. Госса , изобретателя текстурированной электротехнической стали примерно в 1934 году.

Законы рекристаллизации

Существует несколько, в основном, эмпирических законов рекристаллизации:

Термически активированный . Скорость микроскопических механизмов, контролирующих зарождение и рост рекристаллизованных зерен, зависит от температуры отжига. Уравнения типа Аррениуса указывают на экспоненциальную зависимость.
Критическая температура . Следуя предыдущему правилу, было обнаружено, что рекристаллизация требует минимальной температуры для возникновения необходимых атомных механизмов. Эта температура рекристаллизации снижается со временем отжига.
Критическая деформация . Предварительная деформация, приложенная к материалу, должна быть достаточной для образования зародышей и достаточной накопленной энергии для стимулирования их роста.
Деформация влияет на критическую температуру . Увеличение величины предшествующей деформации или снижение температуры деформации увеличит запасенную энергию и количество потенциальных ядер. В результате температура рекристаллизации будет снижаться с увеличением деформации.
Исходный размер зерна влияет на критическую температуру . Границы зерен - хорошие места для образования зародышей. Поскольку увеличение размера зерна приводит к уменьшению количества границ, это приводит к снижению скорости зародышеобразования и, следовательно, к увеличению температуры рекристаллизации.
Деформация влияет на конечный размер зерна . Увеличение деформации или снижение температуры деформации увеличивает скорость зародышеобразования быстрее, чем скорость роста. В результате конечный размер зерна уменьшается из-за повышенной деформации.

Движущая сила

При пластической деформации выполненная работа является интегралом напряжений и деформаций в режиме пластической деформации. Хотя большая часть этой работы преобразуется в тепло, некоторая часть (~ 1–5%) остается в материале в виде дефектов, особенно дислокаций. Перестройка или устранение этих дислокаций уменьшит внутреннюю энергию системы, и, таким образом, существует термодинамическая движущая сила для таких процессов. При температурах от умеренных до высоких, особенно в материалах с высокой энергией дефекта упаковки, таких как алюминий и никель, восстановление происходит легко, и свободные дислокации легко перестраиваются в субзерна, окруженные малоугловыми границами зерен. Движущей силой является разница в энергии между деформированным и рекристаллизованным состояниями Δ E, которая может определяться плотностью дислокаций или размером субзерен и граничной энергией (Doherty, 2005):

{\ Displaystyle \ Delta \ E \ приблизительно \; \ rho \; Gb ^ {2} \; {\ rm {or}} \; \ приблизительно \; 3 \ gamma _ {s} / d_ {s} \, \ !}

где ρ - плотность дислокаций, G - модуль сдвига, b - вектор Бюргерса дислокаций, γ _s - энергия границы субзерен, а d _s - размер субзерен.

Зарождение

Рекристаллизация металлического материала (a → b) и рост кристаллических зерен (b → c → d).

Исторически считалось, что скорость зарождения новых рекристаллизованных зерен будет определяться моделью тепловых флуктуаций, успешно применяемой для явлений затвердевания и выделения . В этой теории предполагается, что в результате естественного движения атомов (которое увеличивается с температурой) в матрице спонтанно возникают небольшие ядра. Образование этих ядер будет связано с потребностью в энергии из-за образования новой границы раздела и высвобождением энергии из-за образования нового объема материала с более низкой энергией. Если бы зародыши были больше некоторого критического радиуса, они были бы термодинамически стабильными и могли бы начать расти. Основная проблема этой теории состоит в том, что запасенная энергия из-за дислокаций очень мала (0,1-1 Дж · м ^-3 ), в то время как энергия границы зерен довольно высока (~ 0,5 Дж · м ^-2 ). Расчеты, основанные на этих значениях, показали, что наблюдаемая скорость нуклеации была больше расчетной в какой-то невероятно большой фактор (~ 10 ⁵⁰ ).

В результате альтернативная теория, предложенная Каном в 1949 году, теперь получила всеобщее признание. Рекристаллизованные зерна не зарождаются классическим способом, а растут из уже существующих субзерен и ячеек. «Время инкубации» - это период восстановления, когда субзерна с малоугловыми границами (<1-2 °) начинают накапливать дислокации и становятся все более дезориентированными по отношению к своим соседям. Увеличение разориентации увеличивает подвижность границы и, таким образом, скорость роста субзерен увеличивается. Если одно субзерен в локальной области имеет преимущество перед своими соседями (например, локально высокая плотность дислокаций, больший размер или благоприятная ориентация), то это субзерно сможет расти быстрее, чем его конкуренты. По мере роста его граница становится все более дезориентированной по отношению к окружающему материалу, пока его нельзя будет распознать как совершенно новое зерно без деформации.

Кинетика

Изменение доли рекристаллизованного объема во времени

Кинетика рекристаллизации обычно соответствует показанному профилю. Существует начальный «период зародышеобразования» t _0, когда зародыши образуются, а затем начинают расти с постоянной скоростью, потребляя деформированную матрицу. Хотя этот процесс не строго следует классической теории зародышеобразования, часто оказывается, что такие математические описания обеспечивают, по крайней мере, близкое приближение. Для массива сферических зерен средний радиус R в момент времени t равен (Humphreys and Hatherly 2004):

{\ Displaystyle R = G \ влево (т-т_ {0} \ вправо) \, \!}

где t ₀ - время зарождения, G - скорость роста dR / dt. Если N ядер образуются за время dt и зерна предполагаются сферическими, то объемная доля будет равна:

{\ displaystyle f = {\ frac {4} {3}} \ pi \ {\ dot {N}} G ^ {3} \ int _ {0} ^ {t} (t-t_ {0}) ^ { 3} \, dt = {\ frac {\ pi \} {3}} {\ dot {N}} G ^ {3} t ^ {4} \, \!}

Это уравнение справедливо на ранних стадиях рекристаллизации, когда f << 1 и растущие зерна не сталкиваются друг с другом. Как только зерна вступают в контакт, скорость роста замедляется и связана с долей нетрансформированного материала (1-f) уравнением Джонсона-Мела:

{\ displaystyle f = 1- \ exp \ left (- {\ frac {\ pi \} {3}} {\ dot {N}} G ^ {3} t ^ {4} \ right) \, \!}

Хотя это уравнение обеспечивает лучшее описание процесса, оно все же предполагает, что зерна имеют сферическую форму, скорость зародышеобразования и роста постоянны, зародыши распределены случайным образом и время зародышеобразования t ₀ мало. На практике немногие из них действительно действительны, и необходимо использовать альтернативные модели.

Общепризнано, что любая полезная модель должна учитывать не только начальное состояние материала, но также постоянно меняющееся соотношение между растущими зернами, деформированной матрицей и любыми вторыми фазами или другими микроструктурными факторами. Ситуация еще более усложняется в динамических системах, где деформация и рекристаллизация происходят одновременно. В результате, как правило, оказалось невозможным создать точную прогнозную модель для промышленных процессов, не прибегая к обширному эмпирическому тестированию. Поскольку для этого может потребоваться использование промышленного оборудования, которое на самом деле еще не было построено, с этим подходом возникают явные трудности.

Факторы, влияющие на курс

Температура отжига оказывает сильное влияние на скорость рекристаллизации, что отражено в приведенных выше уравнениях. Однако для данной температуры есть несколько дополнительных факторов, которые будут влиять на скорость.

Скорость рекристаллизации сильно зависит от степени деформации и, в меньшей степени, от способа ее применения. Сильно деформированные материалы будут рекристаллизоваться быстрее, чем деформированные в меньшей степени. Действительно, ниже определенной деформации рекристаллизация может никогда не произойти. Деформация при более высоких температурах позволит одновременное восстановление, и поэтому такие материалы будут рекристаллизоваться медленнее, чем те, которые деформировались при комнатной температуре, например, в отличие от горячей и холодной прокатки . В некоторых случаях деформация может быть необычно однородной или происходить только на определенных кристаллографических плоскостях . Отсутствие градиентов ориентации и других неоднородностей может препятствовать образованию жизнеспособных ядер. Эксперименты 1970-х годов показали, что молибден деформируется до истинной деформации 0,3, рекристаллизовывается наиболее быстро при растяжении и при уменьшении скоростей волочения , прокатки и сжатия (Barto & Ebert 1971).

Ориентация зерна и то, как она изменяется во время деформации, влияют на накопление запасенной энергии и, следовательно, на скорость рекристаллизации. На подвижность границ зерен влияет их ориентация, поэтому некоторые кристаллографические текстуры приведут к более быстрому росту, чем другие.

Атомы растворенных веществ, как преднамеренные добавки, так и примеси, оказывают сильное влияние на кинетику рекристаллизации. Даже незначительные концентрации могут иметь существенное влияние, например, 0,004% Fe увеличивает температуру перекристаллизации примерно на 100 ° C (Humphreys and Hatherly 2004). В настоящее время неизвестно, вызван ли этот эффект прежде всего замедлением зародышеобразования или уменьшением подвижности границ зерен, то есть ростом.

Влияние вторых фаз

Многие сплавы, имеющие промышленное значение, имеют некоторую объемную долю частиц второй фазы либо из-за примесей, либо из-за преднамеренных легирующих добавок. В зависимости от их размера и распределения такие частицы могут либо стимулировать, либо замедлять перекристаллизацию.

Мелкие частицы

Влияние распределения мелких частиц на размер зерна в рекристаллизованном образце. Минимальный размер приходится на пересечение стабилизированного роста

Рекристаллизация предотвращается или значительно замедляется из-за диспергирования мелких, близко расположенных частиц из-за закрепления Зенера как на малоугловых, так и на высокоугловых границах зерен. Это давление прямо противодействует движущей силе, возникающей из-за плотности дислокаций, и будет влиять как на зарождение, так и на кинетику роста. Эффект может быть объяснен относительно уровня дисперсии частиц, где - объемная доля второй фазы, а r - радиус. При низком уровне размер зерна определяется количеством зародышей, поэтому изначально он может быть очень маленьким. Однако зерна нестабильны по отношению к росту зерна и поэтому будут расти во время отжига до тех пор, пока частицы не окажут достаточное удерживающее давление, чтобы остановить их. При умеренном значении размер зерна все еще определяется количеством зародышей, но теперь зерна стабильны по отношению к нормальному росту (в то время как аномальный рост все еще возможен). При высоких температурах неперекристаллизованная деформированная структура устойчива и рекристаллизация подавляется. ${\ displaystyle F_ {v} / r}$ ${\ displaystyle F_ {v}}$ ${\ displaystyle F_ {v} / r}$ ${\ displaystyle F_ {v} / r}$ ${\ displaystyle F_ {v} / r}$

Крупные частицы

Поля деформации вокруг крупных (более 1 мкм) недеформируемых частиц характеризуются высокой плотностью дислокаций и большими градиентами ориентации и поэтому являются идеальными местами для развития зародышей рекристаллизации. Это явление, называемое зародышеобразованием, стимулированным частицами (PSN), примечательно, поскольку оно обеспечивает один из немногих способов управления рекристаллизацией путем управления распределением частиц.

Влияние размера частиц и объемной доли на размер рекристаллизованного зерна (слева) и режим PSN (справа)

Размер и разориентация деформированной зоны зависят от размера частиц, поэтому существует минимальный размер частиц, необходимый для инициирования зародышеобразования. Увеличение степени деформации приведет к уменьшению минимального размера частиц, что приведет к режиму PSN в пространстве размерной деформации. Если эффективность PSN равна единице (т.е. каждая частица стимулирует одно ядро), то конечный размер зерна будет просто определяться количеством частиц. Иногда эффективность может быть больше единицы, если на каждой частице образуется несколько ядер, но это редкость. Эффективность будет меньше единицы, если размер частиц близок к критическому, а большие фракции мелких частиц фактически предотвратят рекристаллизацию, а не инициируют ее (см. Выше).

Бимодальные распределения частиц

Поведение при рекристаллизации материалов, содержащих частицы с широким распределением размеров, может быть трудно предсказать. Это входит в состав сплавов, частицы которых термически нестабильны и со временем могут расти или растворяться. В различных системах может происходить аномальный рост зерен, в результате чего возникают необычно крупные кристаллиты, растущие за счет более мелких. Ситуация более проста в бимодальных сплавах, которые имеют две различные популяции частиц. Примером являются сплавы Al-Si, где было показано, что даже в присутствии очень крупных (<5 мкм) частиц в поведении рекристаллизации преобладают мелкие частицы (Chan & Humphreys 1984). В таких случаях результирующая микроструктура имеет тенденцию напоминать микроструктуру сплава с небольшими частицами.

Температура перекристаллизации

Температура рекристаллизации - это температура, при которой может происходить рекристаллизация для данного материала и условий обработки. Это не заданная температура, она зависит от следующих факторов:

Увеличение времени отжига снижает температуру рекристаллизации
Сплавы имеют более высокие температуры рекристаллизации, чем чистые металлы.
Увеличение количества холодной обработки снижает температуру рекристаллизации
Меньшие размеры зерен после холодной обработки уменьшают температуру рекристаллизации.

Общие температуры рекристаллизации в выбранных металлах
Металл	Температура рекристаллизации ( ) ${\ displaystyle ^ {o} C}$	Температура плавления ( ) ${\ displaystyle ^ {o} C}$
Pb	-4	327
Al	150	660
Mg	200	650
Cu	200	1085
Fe	450	1538
W	1200	3410

Смотрите также

Фазовая диаграмма

Languages

In other projects