Что называется рекристаллизацией наклепанного металла процесс в результате которого происходит

Рекристаллизация металла

Нагревание металла до определённой температуры приводит к изменениям в его физическом состоянии. Вначале наблюдается пластическая деформация. Дальнейший нагрев приводит к ослаблению и разрушению кристаллической решётки. На конечном этапе в структуре наблюдается два процесса: возврат и рекристаллизация.

Второй процесс для каждого из материалов происходит при строго индивидуальных условиях. Рекристаллизация металлов происходит при определённой температуре и приводит к изменению физических и механических свойств.

Описание процесса

Рекристаллизация характеризуется следующими показателями:

При постепенном повышении температуры наступает момент,когда начинается разрушение прочных кристаллических связей. Температура, при которой он начинается, называется температурный порог рекристаллизации. Этот показатель во многом зависит от чистоты материала, то есть количества имеющихся добавок и примесей. Например, для алюминия этот порог равен 100 °С, для железа обладающего нормальной технической чистотой он равен 450 °С. Для меди она составляет 270 °С. В теории металловедения получена однозначная зависимость, которая связывает абсолютную температуру порога рекристаллизации и температуру плавления. Эта температура справедлива для всех металлов и сплавов.Теория описания этого показателя полностью подтверждается на практике.

Было установлено, что температура начала кристаллизации связана с температурой плавления через определённый коэффициент. Он имеет свою величину для различных материалов. В частности принято считать, что этот коэффициент равен:

Более точные значения для каждого материала можно найти в справочной литературе по металловедению.

В зависимости от химических и физических свойств и условий протекания процесса зависит скорость рекристаллизации.Она изменяется при изменении состава металла, давления или механического воздействия на образец. Скорость влияет на рекристаллизационные процессы, конечный результат преобразований.Очень важным является возможность регулирования скорости этого превращения. Например, при производстве так называемой трансформаторной стали необходимо обеспечивать условия формирования крупных кристаллов, которые будут ориентированы в одном направлении. Эта задача решается с помощью соответствующих добавок. Такими добавками служат сера и марганец. Эти добавки создают соответствующий катализ для получения материала с необходимыми физическими и механическими характеристиками.

В результате применения катализаторов, создания определённых условий (температуры, давления) начинается собирательный процесс зёрен необходимого размера и формы с их строгой ориентацией, что позволяет придать металлу требуемые свойства.

Стадии рекристаллизации

Для лучшего понимания протекания рекристаллизации его разбивают на несколько стадий. Первая стадия (рекристаллизация первичная) сводится к образованию так называемых центров рекристаллизации. На этой стадии рекристаллизации происходит формирование новых зёрен. Основной особенностью этих зёрен является их неповреждённая решётка. Около старых зёрен формируются новые с искажённой решёткой. При повышении температуры происходит их постепенное численное увеличение. Итогом таких преобразований становится формирование всё большего числа новых зёрен,которые становятся доминантными. Старых зёрен не остаётся вовсе.Основной движущей силой этой стадии является энергия, которая собрана в деформированном (наклёпанном) металле. Наблюдается стремление системы прийти к состоянию устойчивого равновесия с доминированием неискажённой кристаллической решёткой.

Первичная рекристаллизация называется динамической.Это связано с тем, что она происходит непосредственно при горячей пластической деформации нагретого металла. Происходит многократное чередование циклов первичной (динамической) рекристаллизации с циклами спонтанного повышения плотности дислокации новых образований (зарождение новых зёрен). Скорость протекания этой стадии зависит от температуры деформации. Если температура достигла величины, которая значительно превышает температурный порог рекристаллизации, процесс в первичной стадии может завершиться в течение нескольких секунд.

На второй стадии происходит рост количества новых зёрен. Происходит ещё один процесс так называемая собирательная рекристаллизация. Процесс протекает благодаря внутренней энергии самих зёрен. Зёрна различной величины аккумулируется энергия, которая изменяется по величине. Мелкие зёрна обладают большей поверхностью раздела. Поэтому на этой поверхности скапливается большая энергия. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению площади таких поверхностей, следовательно, к меньшей поверхностной энергии. Вторичная рекристаллизация может стимулироваться при добавлении различных химических соединений. Например, для ускорения этого процесса применяют дисперсионный сульфид марганца.

При превышении температуры кристаллизации происходит уменьшение размера зёрен. Это вызвано быстрым ростом числа так называемых центров вторичной кристаллизации.При повышенных температурах возникает серьёзная конкуренция между вторичной и собирательной кристаллизацией. Это приводит к укрупнению зёрен и росту времени выдержки. В этот момент наблюдается эффект предварительной деформации до 10% от исходного состояния. При таком показателе деформация считается критической. Она считается крайне негативной перед процессом последующего обжига. Этот процесс необходим для получения стали с заданными свойствами. Он проводится при различных температурах в зависимости от состава обрабатываемого материала. Например, для проведения обжига:

Отдельно выделяют метадинамическую рекристаллизацию. Она протекает после последовательной горячей пластической деформации. Происходит рост новых зёрен, при динамическом процессе, протекающем между статической рекристаллизацией и динамической. Образуются готовые центры новых кристаллов, которые успеваю полностью сформироваться на этапе постепенного охлаждения металла.

Эти процессы являются очень важными для формирования целостной микроструктуры готовых изделий из металлов или сплавов. Отслеживание этапов рекристаллизации (первичной, собирательной и вторичной) необходимо для получения металлов и сплавов с заданными свойствами. Это приводит к следующим эффектам:

Материалы, внутри которых были образованы мелкие зёрна, обладают повышенной прочностью и вязкостью. Для отдельных видов стали необходимо наоборот имеет крупные зёрна. Таким материалом является трансформаторная сталь или техническое железо. Наличие крупных зёрен придаёт этим металлам высокие магнитные свойства, которые необходимы для их дальнейшего применения.

Источник

Наклеп и рекристаллизация

Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.

Упрочнение – изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наибольшую сопротивляемость пластическому деформированию должен оказывать металл с очень малой плотностью дислокаций r. По мере увеличения плотности дислокаций r сопротивление пластическому деформированию уменьшается (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость сопротивления деформированию от плотности дислокаций

Это происходит до достижения некоторого критического значения плотности дислокаций r_кр, когда начинается взаимодействие силовых полей, окружающих дислокации, что и вызывает увеличение сопротивления пластическому деформированию.

Следовательно, увеличение сопротивления пластическому деформированию можно получить двумя путями: наклепом металла, т. е. прямым повышением плотности дислокаций или доведением плотности дислокаций до очень малого значения.

Наклепом называется упрочнение металла при холодной пластической деформации. В результате наклепа прочность (σ_В, σ_0,2, твердость и др.) повышается, а пластичность и ударная вязкость (δ, ψ, КСU) уменьшаются. Упрочнение возникает вследствие увеличения числа дефектов кристаллической структуры, которые затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Наклеп является одним из важнейших способов изменения свойств, особенно для сплавов, не упрочняющихся термической обработкой, и для металлов, обладающих пластичностью. Методы упрочняющего воздействия можно разделить на поверхностные (обкатка роликами, дробеструйная обработка) и сквозные (прокатка листов, волочение проволоки). Обработка металлов резанием также приводит к наклепу и изменению структуры в тонком поверхностном слое, что необходимо учитывать при последующей эксплуатации изделий.

Таким образом, пластические деформации вызывают повышение плотности дислокаций, искажение кристаллической решетки и приводят к увеличению напряжения, при котором возможны дальнейшие деформации.

Второй способ – создание металлов и сплавов с бездефектной структурой – является более прогрессивным. В настоящее время получают кристаллы небольших размеров (длиной 2–10 мм и толщиной 0,5–2,0 мкм), так называемые «усы», практически без дислокаций, с прочностью близкой к теоретической. Такие кристаллы нашли свое применение для армирования волокнистых композиционных материалов, в микроэлектронике и т. д.

Рис. 3.9. Текстура, возникающая при пластической деформации: а) исходная структура, б) текстура при растяжении, в) текстура при сжатии, г) текстура при сдвиге

При деформировании округлые зерна заменяются вытянутыми в направлении деформации, образуется так называемая текстура (textura – ткань, связь, строение) – анизотропная поликристаллическая или аморфная среда, состоящая из кристаллов или молекул с преимущественной ориентировкой. Текстуры могут быть осевыми – с предпочтительной ориентировкой элементов текстуры относительно одного особого направления, плоскими – с ориентировкой относительно особой плоскости и полными – при наличии особой плоскости и особого в ней направления (рис. 3.9). Текстура создает анизотропию свойств.

Упрочненный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, т. е. находится в неравновесном состоянии. Для приведения металла в равновесное состояние его необходимо нагреть. При нагреве наклепанного металла в нем протекают следующие процессы:

· частичное восстановление структурного совершенства в результате уменьшения точечных дефектов за счет увеличения подвижности атомов (избыточные вакансии и межузельные атомы взаимодействуют между собой, а также поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве) и снижение внутренних напряжений (процесс возврата);

· уменьшение плотности дислокаций за счет аннигиляция противоположных по знаку дислокаций и образование субзерен (полигонов), свободных от линейных несовершенств за счет выстраивания дислокационных стенок (процесс полигонизации);

· зарождение и рост новых равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла (процесс рекристаллизации).

Рис. 3.10. Изменение прочности, пластичности и зернистого строения
в процессе нагрева деформированного металла

При дальнейшем повышении температуры происходит увеличение размеров наиболее крупных зерен за счет присоединения мелких. С повышением температуры число крупных зерен постепенно растет, пока все мелкие зерна не окажутся присоединенными к крупным – процесс вторичной (собирательной) рекристаллизации.

Температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация, происходит разупрочнение холоднодеформированного металла и восстановление его пластичности, называют температурным порогом рекристаллизации Т_ПР.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог рекристаллизации снижается с повышением степени деформации, увеличением длительности нагрева или уменьшением величины зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации Т_ПР для технически чистых металлов составляет примерно 0,4Т_ПЛ, для чистых металлов снижается до (0,1–0,2)Т_ПЛ, а для сплавов возрастает до (0,5–0,6)Т_ПЛ.

Источник

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.

Описание процесса

По сути все делается для того, чтобы снять внутреннее напряжение между элементами и увеличить плотность за счет создания правильной геометрии сопряжений.

Железный материал в производстве часто обрабатывается холодным способом. Таким методом изготавливаются прокатные листы и разного вида проволоки. Однако на определенном этапе прочность изделий уменьшается, так как накапливаются смещения и в точках касания связи значительно ослабевают.

Далее необходимо использование рекристаллизационного отжига, чтобы привести металл в первичное состояние и при применении определенной температуры (для каждого сплава она своя) добиться изменений (снижения текучести и прочности на растяжение и повышение пластичности). Манипуляция приводит к образованию новых зерен в кристаллической решетке, которые при продолжительном отжиге с повышением t термообработки, некоторые вновь возникшие, начинают расти за счет соседних кристаллитов. Размер их зависит от продолжительности и термического режима операции, то есть чем дольше времени затрачивается. Для железных сплавов нагрев выбирается из расчета 40 процентов от температуры плавления. В этом состоянии атомы приобретают ту степень подвижности и такое значение собственной энергии, что появляется возможность переместиться и занять наиболее выгодное положение в районе локации.

Кроме того, необходимо знать, что процесс начала действия напрямую связан с величиной термической обработки через коэффициент, который имеет разный параметр для разнообразных сплавов:

материал с добавлением небольшого объема примесей обладает 0,4;

высокочастотная сталь – 0,1-0,2;

твердосплавный раствор – от 0,5 до 0,8.

Информацию точных значений можно найти в технической литературе по металловедению.

Поговорим о скорости протекания процедуры. От этого параметра зависит конечный результат преобразований. Так как операция не быстрая, то возможна остановка путем охлаждения. При этом получаются размеры ячеек нужных параметров.

Важным моментом на производстве считается регулирование скоростного режима, при котором возможен этап сбора зерен по заданным размерам и формой с их определенной ориентацией. Для достижения необходимого результата часто применяются различные добавки (сера, марганец и другие вещества). Использование катализаторов позволяет получить материал с необходимыми механическими и физическими свойствами.

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.

Процесс пластической деформации (рекристаллизации) металла

Данным методом добиваются изменение первоначальной геометрической формы и размеров после снятия на тело механической нагрузки, и сопровождается переменой расстояния между атомами в кристаллической решетке в пределах ее параметра. Одновременно с этой операцией происходит внутреннее напряжение материала, что и приводит в конечном итоге к трансформации физических и химических свойств. Степень деформации зависит от пластичности сплава, которая оценивается во время производства относительным расширением или сужением при испытании образцов на растяжение. К характеристикам также относят ударную вязкость, которая показывает работу разрушения при изгибе модели.

Дополнительная информация! Пластичность зависит от разницы пределов прочности и текучести. Практически одинаковые значения (при нагреве до высоких температур) способствуют разрушению хрупких материалов фактически без пластической деформации. К ним относятся чугун, стекло, керамика, фарфор, некоторые виды пластмассы, горные породы и прочие.

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:

Резкое снижение прочности при одновременном увеличении пластичности.

Уменьшение сопротивления к электропроводности.

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

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.

Что представляет собой вторичная рекристаллизация

Надо понимать, что перемещение атомов – хаотичное действие, при котором общее напряжение между фрагментами стремится к минимуму. Поэтому после «выработки» бесхозных частиц начинается рост зерен только в зонах, где это возможно. При этом наблюдается укрупнение одних и стабилизация других. В результате мы видим материю с разноразмерными ячейками. Как и в первом пункте наблюдается упорядочение пространства с уменьшением площади поверхности кристаллов. Это также приводит к изменению физических свойств, хотя и менее выраженных, чем в предыдущем случае.

Собирательная фаза

При создании соответствующих условий (длительный нагрев) начинается процесс, когда совершенные зерна подтягивают в свою решетку материал из более слабых соседей и в конечном итоге поглощают их. При этом уменьшается число, и увеличиваются объемы. События происходят до определенного критического уровня, когда средний размер доходит до оптимального значения и после этого видимых перемен не наблюдается.

Металлургические эффекты холодной обработки

Изменение свойств при физическом воздействии при температурах ниже определенного значения использовалось во все времена для получения требуемых параметров изделия. За счет деформации возрастает внутреннее напряжение, что влечет за собой повышение прочности и гибкости. Кроме того, снижается вязкость. Чрезмерное влияние приводит к появлению трещин и отслоений. Наибольший эффект наблюдается в верхнем слое больших заготовок.

Результаты рекристаллизационного отжига

При проковке в металле частично разрушаются структуры, появляются зоны с аморфным состоянием. Как и описывалось ранее длительное температурное воздействие позволяет благодаря получению некоторой степени свободы запустить процесс упорядочения пространственного положения отдельных элементов. Области, получившие смещение, заполняются новообразовавшимися зернами. При этом происходит постепенное восстановление свойств сырья до ковки. Дальнейшее повышение нагрева приводит к укрупнению образований.

Характеристики материала после обработки

Основным эффектом является увеличение пластичности за счет того, что атомы уже нашли наиболее оптимальное положение и при деформациях будут смещаться без нарушения целостности. Это очень важно в случаях, когда деталь подвержена многократным нагрузкам. Вязкость позволяет длительное время сопротивляться воздействию без разрушения.

Другая причина перекристаллизации металла в материаловедении путем отжига

Этот прием широко используется еще и потому, что, подбирая время и температуру, можно плавно менять параметры исходного сырья. При этом трансформация происходит достаточно плавно, а значит, получение заданных свойств возможно прогнозировать. Самым простым примером может стать отжиг сталистой проволоки до состояния «вязальной» простым кратковременным нагревом до бордового цвета.

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.

Источник