Рекристаллизация (металлургия) - Recrystallization (metallurgy)

Кристаллизация
Основы
	Кристалл · Кристальная структура · Зарождение
Концепции
	Кристаллизация · Рост кристаллов ; Перекристаллизация · Семенной кристалл ; Протокристаллический · Монокристалл
Методы и технологии
	Буль; Метод Бриджмена – Стокбаргера ; Процесс хрустального стержня; Метод Чохральского ; Эпитаксия · Метод флюса; Фракционная кристаллизация; Фракционное замораживание ; Гидротермальный синтез; Киропулос метод; Рост пьедестала с лазерным нагревом; Микро-вытягивание вниз; Формирующие процессы при росте кристаллов; Тигель черепа; Метод Вернейля; Зона плавления

Перекристаллизация это процесс деформирования зерна заменяются новым набором бездефектных зерен, зародыш и расти до тех пор, пока исходные зерна не будут полностью съедены. Рекристаллизация обычно сопровождается снижением сила и твердость материала и одновременное увеличение пластичность. Таким образом, процесс может быть введен как преднамеренный этап обработки металлов или может быть нежелательным побочным продуктом другого этапа обработки. Наиболее важные промышленные применения - умягчение металлы ранее закаленные или стали хрупкими холодная работа, и контроль структуры зерна в конечном продукте.

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:

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

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.^[1] Гусовые зерна названы в честь Норман П. Госс, изобретатель зерновой электротехническая сталь около 1934 года.

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. Этот температура рекристаллизации уменьшается со временем отжига.
Критическая деформация. Предварительная деформация, приложенная к материалу, должна быть достаточной для образования ядер и достаточной накопленной энергии для 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 ядер. 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 напряжения и деформации 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, следовательно, для таких процессов существует термодинамическая движущая сила. При умеренных и высоких температурах, особенно в материалах с высокой энергия 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 ΔE которая может быть определена 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} , !}

куда ρ - плотность дислокаций, грамм - модуль сдвига, б это Вектор гамбургеров вывихов, γ_s - граничная энергия субзерен и 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 величиной тепловые колебания модель успешно используется для затвердевание и осадки явления. В этой теории предполагается, что в результате естественного движения атомы (которая увеличивается с температурой) в матрице спонтанно возникают маленькие зародыши. 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 ядра были больше некоторого критического радиуса, то это было бы термодинамически стабильный и может начать расти. Основная проблема этой теории заключается 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 (~ 10⁵⁰).

В результате альтернативная теория, предложенная Каном в 1949 году, теперь получила всеобщее признание. Рекристаллизованные зерна не зарождаются классическим способом, а скорее растут из уже существующих субзерен и ячеек. «Время инкубации» - это период восстановления, когда субзерна с малоугловыми границами (<1-2 °) начинают накапливаться. вывихи 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 дезориентируемой по отношению к окружающему материалу, пока ее нельзя будет распознать как совершенно новое бездеформационное зерно.

Кинетика

Изменение доли рекристаллизованного объема во времени

Обычно наблюдается, что кинетика рекристаллизации соответствует показанному профилю. Есть начальный период зарождения т₀ где зародыши образуются, а затем начинают расти с постоянной скоростью, расходуя 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 р вовремя т есть (Хамфрис и Хазерли, 2004):

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

куда т₀ время зарождения и грамм - скорость роста dR / dt. Если N ядра образуются в приращении времени dt и зерна предполагаются сферическими, тогда объемная доля будет:

{ 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, скорости зарождения и роста постоянны, зародыши распределены случайным образом и время зарождения t₀ маленький. 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 обширным эмпирическим испытаниям. Поскольку для этого может потребоваться использование промышленного оборудования, которое на самом деле еще не было построено, этот подход создает явные трудности.

Факторы, влияющие на курс

В отжиг температура 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 обеспечит одновременное восстановление, поэтому такие материалы будут рекристаллизоваться медленнее, чем те, которые деформировались при комнатной температуре, например. контраст горячей и холодная прокатка. В некоторых случаях деформация может быть необычно однородной или возникать только на определенных участках. кристаллографические плоскости. Отсутствие градиентов ориентации и других неоднородностей может препятствовать образованию жизнеспособных ядер. Эксперименты 1970-х годов показали, что молибден деформирован в истинное напряжение 0,3, рекристаллизовался быстрее всего при растяжении и при уменьшении скорости для волочение проволоки, прокатка и сжатие (Барто и Эберт 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 рекристаллизации 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 зерен в рекристаллизованном образце. Минимальный размер приходится на пересечение стабилизированного роста

Рекристаллизация предотвращается или значительно замедляется из-за диспергирования мелких близко расположенных частиц из-за Зинеровское закрепление как на малоугловых, так и на большеугловых границах зерен. Это давление прямо противоположно движущей силе, возникающей из-за плотности дислокаций, и будет влиять как на зарождение, так и на кинетику роста. Эффект может быть объяснен относительно уровень дисперсии частиц ${ displaystyle F_ {v} / r}$ куда ${ displaystyle F_ {v}}$ - объемная доля второй фазы, r - радиус. На низком ${ displaystyle F_ {v} / r}$ размер зерна определяется количеством зародышей и поэтому изначально может быть очень маленьким. Однако зерна нестабильны в отношении роста зерна и поэтому будут расти во время отжига до тех пор, пока частицы не окажут достаточное давление закрепления, чтобы остановить их. При умеренном ${ displaystyle F_ {v} / r}$ размер зерна по-прежнему определяется количеством зародышей, но теперь зерна стабильны по отношению к нормальному росту (в то время как аномальный рост все еще возможен). На высоком ${ displaystyle F_ {v} / r}$ нерекристаллизованная деформированная структура устойчива, рекристаллизация подавлена.

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 частицы, поэтому существует минимальный размер частицы, 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 величиной количество частиц. Иногда эффективность может быть больше единицы, если на каждой частице образуются несколько ядер, но это редко. 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 перекристаллизации 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 аномальный рост зерна может возникнуть образование необычно крупных кристаллитов, растущих 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 только с мелкими частицами.

Температура перекристаллизации

Температура рекристаллизации - это температура, при которой рекристаллизация может происходить для данного материала и условий обработки. Это не заданная температура, она зависит от следующих факторов.^[2]:

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 выбранных металлов^[3]
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