Что такое рекристаллизация металлов

Обновлено: 18.04.2024

Неравновесная структура, созданная холодным деформированием, у большинства металлов устойчива при 25грС. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. При повышении температуры ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются условия для перераспределения дислокаций и уменьшения их количества.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и поли-гонизацию.

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

Рекристаллизация — это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна.

Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов (Al, Fe) отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электросопротивление и повышает плотность металла. Твердость и прочность уменьшаются максимально на 10 - 15 % первоначальных значений и на столько же соответственно увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.

Полигонизацией называют процесс формирования субзерен, разделенных малоугловыми границами. Каждое субзерно представляет собой многогранник, практически не содержащий дислокаций. Полигонизация является результатом нескольких элементарных процессов перемещения дислокаций: скольжения и переползания краевых дислокаций, поперечного скольжения винтовых. Во время полигонизации несколько уменьшается плотность дислокаций благодаря взаимодействию и аннигиляции дислокаций противоположных знаков. Для начала полигонизации в наклепанных металлах технической чистоты необходим нагрев до 0,3. 0,35 Т(плав) а в наклепанных сплавах — до более высоких температур.

Различают предрекристаллизационную и стабилизирующую полиго-низацию. Предрекристаллизационная полигонизация развивается в наклепанных металлах с ячеистой дислокационной структурой. Дислокационные стенки при нагреве уплотняются и ячейки превращаются в субзерна.

Уплотненные стенки ячеек сохраняют значительную кривизну и настолько подвижны, что отдельные субзерна могут увеличиться и стать центрами первичной рекристаллизации. Предрекристаллизационная полигонизация является начальной стадией первичной рекристаллизации. Строение субзерен и их границ мало зависит от температуры. При повышении температуры нагрева наклепанного металла увеличивается скорость поли тонизации: структуры полигонизации, образовавшиеся при разных температурах отжига, практически не отличаются.

Стабилизирующая полигонизация представляет собой формирование субзерен, разделенных плоскими дислокационными стенками (рис. 5.12). Стенки малоподвижны и весьма устойчивы, при дальнейшем нагреве они сохраняются почти до температур плавления металлов. После формирования субзеренной структуры рекристаллизации не происходит. Стабилизирующая полигонизация развивается лишь при определенных условиях: отсутствие ячеистой дислокационной структуры, избыток краевых дислокаций одного знака и др. Такие условия выполняются в монокристаллах и крупнозернистых поликристаллах после небольших пластических деформаций. В подобных материалах результаты перераспределения дислокаций существенно зависят от температуры отжига. При сравнительно высоких температурах нагрева (выше 0, 35 Т(плав)) вместо полигонизации развивается первичная рекристаллизация. Если стабилизирующая полигонизация успешно завершилась после отжига при (0,3 - 0,35)Т(плав)) то при дальнейшем нагреве даже при более высокой температуре рекристаллизация не развивается.

Ограничение подвижности дислокаций затрудняет полигонизацию. Закрепление дислокаций атомами легирующих элементов и примесей, образование дефектов упаковки, уменьшение концентрации вакансий (затрудняется переползание дислокаций) — все это затрудняет полигонизацию. Чаще она наблюдается в металлах с высокой энергией дефектов упаковки (Аl, Мо).

Практическое значение полигонизации проявляется в следующем.

1. Создание субзеренной структуры упрочняет металл по аналогии с формированием мелкозеренной структуры с высокоугловыми границами. Эффект упрочнения при полигонизации проявляется в меньшем масштабе, так как границы субзерен способны легче пропускать дислокации по сравнению с высокоугловыми границами.

2. Образование субзеренной структуры, сохраняя основную долю упрочнения наклепанного металла, снижает остаточные напряжения. Это повышает сопротивление коррозионному растрескиванию. В частности, для наклепанных латуней, содержащих (20 - 35) % Zn, назначают отжиг при ~ 300 грС для предупреждения растрескивания.

3. Границы субзерен являются препятствием для перемещения дислокаций. Это используют для повышения жаропрочности деталей.

4. Субзеренная структура, образовавшаяся при динамической полигонизации, т.е. в процессе деформирования обеспечивает при термомеханической обработке сталей оптимальное сочетание пластичности и высокой прочности.

В зависимости от температуры нагрева и выдержки различают три стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой.

На стадии первичной рекристаллизации зарождение и рост новых зерен происходят одновременно. Зерна растут путем движения болынеугло-вых границ через наклепанный металл. В таком зерне плотность дислокаций и других дефектов минимальна, в наклепанном металле — максимальна.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (см. рис. 5.13, б).

Первичная рекристаллизация полностью снимет наклеп, созданный при пластическом деформировании, металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 5.14).

Особое значение имеет рост крупных зерен при нагреве деформированного металла, когда его деформация близка к критической. При критической деформации еще не формируется ячеистая дислокационная структура, способная создать зародыши рекристаллизации, что способствовало бы формированию мелкозернистой структуры. Неоднородность деформации зерен, различия энергии упругих искажений являются движущей силой укрупнения зерен за счет менее устойчивых мелких зерен.

Собирательная рекристаллизация представляет самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации. Чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).

Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом постепенно уменьшаются в размерах и затем совсем исчезают, другие — становятся более крупными, поглощая соседние зерна (рис. 5.13, г). С повышением температуры рост зерен ускоряется.

Собирательная рекристаллизация тормозится, когда зерна становятся многогранниками с плоскими гранями, а углы между соседними гранями составляют 120° (рис. 5.13, д).

Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию неравномерного роста одних зерен по сравнению с другими. В результате формируется конгломерат зерен-гигантов, соседствующих с зернами-карликами. Механические свойства подобной разнозернистой структуры хуже, чем однородной структуры рекристаллизованного металла. Вторичной рекристаллизации соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.

Описанный процесс рекристаллизации типичен для скоростей нагрева в обычных термических печах, и для завершения той или иной стадии рекристаллизации требуются выдержки порядка нескольких часов.

Первичная рекристаллизация ускоряется при высоких (~ 1000 грС/с) скоростях нагрева, где она развивается при высоких температурах и заканчивается формированием мелкозернистой структуры за секунды вместо часов. Для реализации скоростной рекристаллизации используют индукционный нагрев или непосредственное пропускание электрического тока через наклепанный металл.

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации (рис. 5.15, а), а также от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Зависимость размера зерен от степени деформации и температуры демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рис. 5.15, б).

Для конструкционных материалов общего назначения анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная кристаллографическая ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации. Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов.

Нередко она является копией текстуры деформации наклепанного металла. Образование текстуры рекристаллизации имеет практическое значение для сплавов с особыми физическими свойствами, когда требуется улучшить свойства в определенном направлении изделия. Например, в листах трансформаторной стали образование текстуры дает возможность уменьшить потери на перемагничивание по определенным направлениям листа.

Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой фазы, характер структуры и объемные соотношения между фазами. Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в повышении температуры рекристаллизации и увеличении времени для завершения первичной рекристаллизации многофазного сплава по сравнению с однофазным. Близость частиц второй фазы обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве. Когда частиц мало и они далеко друг от друга, их роль в рекристаллизации незначительна. Мелкие частицы (0,1 мкм и меньше) тормозят рекристаллизацию (рис. 5.16). Более крупные частицы (свыше 0,1 - 0,5 мкм) тормозят рекристаллизацию, когда располагаются близко одна от другой, и ускоряют ее, когда расстояние между ними возрастает (см. рис. 5.16). В последнем случае сказывается влияние межфазной границы, на которой преимущественно зарождаются новые зерна.

Тормозящее влияние дисперсных частиц второй фазы на рекристаллизацию успешно используют в промышленных сплавах для повышения рабочих температур.

При горячем деформировании материалов с ультрамелким зерном (0,5 - 10 мкм) проявляется сверхпластичное состояние металла. При низких скоростях деформирования (10е-5 – 10е-4 с(-1)) металл течет равномерно, не упрочняясь: относительные удлинения достигают 10е2 — 10е3%.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен. Для того чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется сохранить ультрамелкие зерна в течение всего периода деформирования (порядка десятков минут) при температуре выше 0,5Т(плав). Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1, так как при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т.п.

Сверхпластичное состояние используют на практике для производства изделий весьма сложной формы при помощи пневматического формования листов или объемного прессования. Несмотря на медленность самого процесса формования и сравнительно высокие рабочие температуры, процесс выгоден, а в ряде случаев является единственным способом получения изделий, когда металл нужно без разрушения деформировать на 200 - 300 % и выше.

Процессы, основанные на использовании мелкозернистой структуры, широко применяются в промышленности. Сверхпластичность наблюдается при горячем деформировании сплавов в непосредственной близости к температурам полиморфного превращения или плавления. В этих случаях микроструктура сохраняется, но кристаллическая решетка основы сплава оказывается неустойчивой: например, модуль упругости уменьшается в 2 - 3 раза. При малых скоростях деформирования металл способен деформироваться без разрушения на десятки процентов.

Металл под микроскопом: изменение структуры и свойств металла путем деформации и рекристаллизации

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.

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.

Найдите исполнителя любой услуги металлообработки

Узнайте стоимость вашего заказа металлообработки по описанию и чертежам. Это бесплатно и займет пару минут

Рекристаллизация

Рекристаллиза́ция, один из видов термической обработки материалов (металлов и сплавов), приводящий к повышению структурного совершенства и уменьшению свободной энергии материала в пределах данной фазы. Процесс рекристаллизации происходит за счет возникновения, движения и исчезновения или только движения и исчезновения границ с большими углами разориентировки. Как правило, используется для снятия эффекта упрочнения, возникшего в результате деформации.

Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах. Скорость рекристаллизации экспоненциально возрастает с повышением температуры. Температура рекристаллизации зависит от состава сплава. Температура начала рекристаллизации определяет температурный уровень разупрочнения металлов и сплавов и убывает с увеличение степени деформации и продолжительности отжига. В поликристаллических материалах, не испытывающих фазовой перекристаллизации, деформация и последующая рекристаллизация являются средством изменения структуры, и, следовательно, структурно чувствительных, механических и физических свойств и их анизотропии.

Первичная рекристаллизация, сопровождается образованием новых неискаженных кристаллитов в деформированном материале. Происходит формирование областей, свободных от дислокаций или значительно более совершенных, чем окружающая матрица (зародышей или центров рекристаллизации), и отделенных от нее границами с большими углами разориентировки. Зародыши рекристаллизации растут за счет окружающей деформированной матрицы. Зародыши формируются, как правило, при росте субзерен, оформившихся при полигонизации. При первичной рекристаллизации происходит наиболее радикальное восстановление структуры и свойств недеформированного материала.

Собирательная рекристаллизация, сопровождается увеличением средней величины зерна за счет роста неискаженных зерен за счет друг друга. Основной движущей силой собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению энергии границ зерен за счет уменьшения их протяженности.

Вторичная рекристаллизация, при которой только отдельные зерна оказываются способными расти со значительно большей скоростью, чем другие, т. е. играть роль вторичных центров, тогда как при собирательной рекристаллизации таких зерен нет. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зерен (разнозернистость).

Рекристаллизация переводит вещество в состояние с большей термодинамической устойчивостью: при первичной рекристаллизации это происходит за счет уменьшения искажений, внесенных деформацией, при собирательной и вторичной рекристаллизации - за счет уменьшения суммарной поверхности границ между зернами.

Рекристаллизация устраняет структурные дефекты, изменяет размеры зерен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру). С помощью рекристаллизации текстурой можно управлять. Ориентировка рекристаллизированных зерен может повторять текстуру исходного деформированного материала или закономерно от нее отличаться. С помощью рекристаллизации можно также устранить текстуру деформации и сделать материал изотропным. Текстурные изменения происходят на стадиях первичной и вторичной рекристаллизации. Огромное значение имеет текстурообразование при рекристаллизации трансформаторной и электротехнической стали.

После рекристаллизационного отжига текстура деформации меняется на текстуру рекристаллизации. Как правило, это сопровождается резким направленным ростом зерна. Увеличение размеров зерна, т. е. снижение механических свойств, может вызвать также слишком большая температура отжига или большая выдержка. Поэтому при назначении режимов отжига необходимо использовать диаграмму рекристаллизации, показывающей зависимость величины зерна от технологических параметров. Магнитотвердые ферриты и металлические сплавы должны быть мелкозернистыми, а магнитомягкие — крупнозернистыми.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная или окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации. Рекристаллизация изменяет все структурно-чувствительные свойства деформированного материала и часто восстанавливает исходные структуру, текстуру и свойства. Иногда структура и текстура после рекристаллизации отличаются от исходных, соответственно отличаются и свойства.

Рекристаллизация металла

Рекристаллизация – это изменение физического состояния металла путем его нагрева до определенной температуры. Сначала металл плавится пластически, затем меняется его кристаллическая решетка. Так происходят процессы возврата или рекристаллизации.

По факту, рекристаллизация меняет физические и, соответственно, механические свойства металла. Состав молекул веществ в твердом состоянии бывает аморфным или кристаллическим. Например, стекло не имеет кристаллической решетки, а снежинка – это упорядоченное соединение молекул воды из-за снижения их внутренней энергии. Так же дело обстоит и в металлах.

Получить упорядоченное построение кристаллов в решетке какого-либо металла – сложная и тяжелая задача. Для ее выполнения необходимо строгое соблюдение заданных для каждого вида металла условий. Обычный металл имеет хаотичную структуру, состоящую из зерен разного размера и формы. Строение молекул сильно влияет на физические и механические свойства материала, а значит и изделий из него. Свойства металлов, их строение, условия изменения, их различные химические соединения изучаются в науке под названием «металловедение». Металловедение – один из разделов неорганической химии. Данный раздел стал научно разрабатываться только в начале XX века. До этого о свойствах металла специалисты знали только примерно, а знания по обработке собирались только благодаря собственному практическому опыту.

Процесс рекристаллизации металлов

Рекристаллизация необходима для снятия внутреннего напряжения между молекулами, их расщепления и последующего соединения в строго упорядоченном порядке, что сильно повышает плотность исходного материала.

Железо часто подвергается холодной обработке, такое воздействие уменьшает внутренние связи, что пагубно сказывается на прочности. Привести внутренние повреждения металлических элементов в норму можно с помощью рекристаллизационного обжига. Процесс приводит к изменению кристаллической решетки и образованию новых кристаллов, которые под продолжительным воздействием высоких температур растут за счет рядом стоящих зерен. Конечная их величина зависит от продолжительности температурного воздействия. При воздействии определенной высоты температуры атомы начинают двигаться, занимая более удобное положение в данном районе.

Для каждого вида металла рекристаллизация проходит по-своему, меняются:

скорость осуществления процесса;
температура, при которой начинает происходить рекристаллизация – порог;
последовательность изменений.

Металл нагревается постепенно, в конечном счете температура достигает отметки, при которой в материале начинается разрушение кристаллической решетки. Это называется порогом рекристаллизации. Цифра температурного порога зависит от наличия и количества различных примесей в металле.

Порог кристаллизации для алюминия – 100 градусов Цельсия, а для жесткого железа – 450 градусов по Цельсию, для меди – 250 градусов.

При этом не стоит путать температуру плавления определенного металла и температуру его рекристаллизации. Это разные вещи, хотя они и имеют определенную зависимость друг от друга. Порог рекристаллизации связан с температурой плавления через коэффициент, разный для каждого конкретного материала. Примерные показатели коэффициента:

практически чистые металлы, без примесей – 0,4;
металлы высокой чистоты – 0,1 – 0,2;
смешанные металлы – от 0,5 до 0,8.

Точные значения коэффициента для каждого вида металла находят в справочной литературе по металловедению.

Скорость рекристаллизации зависит от физических и химических свойств материала и определенных условий, в которых протекает процесс. На скорость влияют:

чистота и состав металла;
давление;
механические воздействия на материал.

Скорость определяет конечный результат преобразований рекристаллизации. Скорость превращения в большинстве случаев можно регулировать. Также бывают случаи, когда нужно резко остановить процесс охлаждением, чтобы зафиксировать нужные параметры размера зерен. В процесс вносят изменения с помощью различных добавок, например, серы или марганца.

Трансформаторная сталь формируется из крупных кристаллов, направленных в одну сторону. Этого достигают с помощью добавок во время процесса рекристаллизации. Такие добавки называются катализаторами.

Катализаторы, температура и давление создают необходимые условия для получения определенного размера и формы кристаллов, что придает металлам нужные физические свойства.

Стадии рекристаллизации

Процесс можно условно разделить на несколько этапов:

Первичная рекристаллизация– на этой стадии создаются центры, в которых будет происходить рекристаллизация. Старые зерна связаны в неподвижную решетку, около них формируются новые уже с измененной решеткой. Когда температура увеличивается, возрастает и число новых зерен. Со временем они начинают доминировать, а затем старые зерна и вовсе исчезают. Двигает этот процесс энергия, накопленная в деформированном металле. Все это происходит при пластической деформации от нагревания металла. Поэтому данную стадию называют динамической. Скорость первичного этапа зависит от показателей температурных условий. Если они превышают порог рекристаллизации, процесс может занять несколько секунд.
Собирательная рекристаллизация– массовый рост новых зерен. Движущей силой выступает внутренняя энергия каждого нового зерна. Энергия нарастает, аккумулируясь из зерен различной величины. Мелкие зерна делятся легче, поэтому накапливают больше энергии, чем крупные. Данный этап часто стимулируют добавлением катализаторов. Например, добавляют дисперсионный сульфид марганца.
Вторичная кристаллизация – темпера повышается и от этого зерна уменьшаются. Процесс провоцирует быстрое увеличение числа центров вторичной кристаллизации.
Конкуренция между вторичной и собирательной кристаллизацией – возникает при высоких температурах. Это приводит к укрупнению зерен, время выдержки увеличивается. Начинается предварительная деформация, примерно, в количестве 10% от начального состояния.
Обжиг металлов – происходит для получения материала с необходимыми свойствами. Температура обжига может быть разной, в зависимости от состава рекристаллизуемого металла.

Сталь с малым содержанием углерода обжигается при температуре 700 градусов по Цельсию.
Алюминиевые сплавы – 350-450 градусов.
Латунь, бронза – 560-700 градусов по Цельсию.
Титан – 550-750 градусов.

Метадинамическая рекристаллизация– процесс после горячего пластического изменения. Очередной рост новых зерен при активном процессе между статической и динамической рекристаллизацией. Появляются центры новых кристаллов, которые полностью формируются в процессе постепенного охлаждения металла.

Все этапы очень важны для создания правильной микроструктуры получаемого металла или сплава.

Пластичность любого металлического элемента зависит от свойств данного металла: разницы между предельными отметками прочности и текучести.

Эффекты от рекристаллизации

Хаотичная структура изначального металлического материала разрушается, приходит в движение, затем выстраивается в упорядоченные ряды. Образовавшиеся локусы заполняются новыми зернами. Большинство кристаллов приобретают одинаковый размер. Так улучшаются или восстанавливаются изначальные механические и физические характеристики:

прочность металла без примесей и однофазного сплава увеличивается;
поверхность заготовки получается более точных размеров и лучшего качества;
появляется возможность придать особые физические или механические свойства сплавам металлов или металлам, создать заготовки с заданным сечением;
устраняются любые дефекты литья в заготовках;
увеличвается прочность и вязкость любого материала, прошедшего рекристаллизацию;
у некоторых видов металлов появляются магнитные свойства;
металлические элементы становятся более пластичными и могут подвергаться изменению формы без критичных разрушений.

Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.

Читайте также: