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.
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.
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.
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.
