Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25ºС. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию. Снятие искажений решетки, как результат многочисленных субмикропроцессов (уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения – аннигиляции, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т. д.) в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При возврате не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием. Возврат происходит при относительно низких температурах (около 0,3Т_пл).

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные зерна. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла: Т_рекр = (0,4-0,45)Т_пл и является наименьшей температурой нагрева, которая обеспечивает возможность зарождения новых зерен.

Температура рекристаллизации может колебаться и зависит:

­ от степени деформации (чем меньше деформация, тем выше температура рекристаллизации;

­ от времени выдержки при нагреве (чем длительнее выдержка, тем ниже температура рекристаллизации);

­ от чистоты сплава (чем больше в сплаве примесей, тем выше температура рекристаллизации).

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке. Эта стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 5в).

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении времени выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Рисунок 5 - Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве: а) наклепанный металл; б) начало первичной рекристаллизации; в) завершение первичной рекристаллизации; г), д) стадии собирательной рекристаллизации

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 6).

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость повышается. Размер зерен, образующихся при рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации, от температуры, при которой происходит рекристаллизация, и от времени выдержки (рис. 7).

Увеличение времени выдержки при нагреве способствует росту зерен, но этот эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Из рисунка 7в видно, что при определенной степени деформации, так называемой критической деформации (3-5%), и рекристаллизации можно получить аномально крупное зерно. Критической степени деформации следует избегать, так как образующаяся крупнозернистая структура обладает пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

При больших степенях деформации возникает множество центров новых зерен, и после рекристаллизации образуется мелкозернистый поликристалл с хорошими механическими свойствами.

Рисунок 6 - Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б) наклепанного металла при нагреве: I – возврат, II – первичная рекристаллизация, III – рост зерна

Рисунок 7 - Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна. On, On’ – инкубационный период рекристаллизации; – температура рекристаллизационного отжига; , – критическая степень деформации