Кіріспе
Материалдар ғылымында қайта кристалдану – материал ішінде жаңа, ақаусыз кристалл түйіршіктерінің қалыптасу процесі. Бұл процесте деформацияланған түйіршіктер жаңа, ақаусыз түйіршіктермен алмастырылады, олар ядролық қалыптасып, өседі, ал бастапқы түйіршіктер толығымен жойылғанша бұл процесс жалғасады. Қайта кристалдану әдетте материалдың беріктігі мен қаттылығының төмендеуімен және иілгіштігінің артуымен бірге жүреді. Осылайша, бұл процесс металдарды өңдеуде мақсатты түрде қолданылуы мүмкін, немесе басқа өңдеу кезеңдерінің қосымша нәтижесі болуы мүмкін. Ең маңызды өнеркәсіптік қолданыстары – бұрын қатайтылған немесе суық өңдеу арқылы көміртекті металдарды жұмсарту, сондай-ақ дайын өнімнің түйіршік құрылымын бақылау. Қайта кристалдану температурасы таза металдар үшін балқу температурасының 0,3–0,4 есесіне, ал қорытпалар үшін 0,5 есесіне тең болады.
In materials science, recrystallization is a process by which deformed grains are replaced by a new set of defect free grains that nucleate and grow until the original grains have been entirely consumed. Recrystallization is usually accompanied by a reduction in the strength and hardness of a material and a simultaneous increase in the ductility. Thus, the process may be introduced as a deliberate step in metals processing or may be an undesirable byproduct of another processing step. The most important industrial uses are softening of metals previously hardened or rendered brittle by cold work, and control of the grain structure in the final product. Recrystallization temperature is typically 0.3–0.4 times the melting point for pure metals and 0.5 times for alloys.
Анықтама
Қайта кристалдану – кристалдық құрылымның түйіршіктерінің жаңа құрылымға немесе жаңа кристалдық пішінге ауысу процесі. Рекристалданудың нақты анықтамасын беру қиын, себебі бұл процесс басқа бірнеше процестермен, әсіресе қалпына келтіру және дәннің өсуімен тығыз байланысты. Кейбір жағдайларда бір процесс қашан басталып, екіншісі қашан аяқталады дегенді нақты анықтау қиын. Догерти және авторлар рекристалдануды былай анықтады: "Деформацияланған материалда деформацияның жинақталған энергиясымен қозғалатын жоғары бұрышты дән шекараларының пайда болуы мен миграциясы арқылы жаңа дән құрылымының қалыптасуы". Жоғары бұрышты шекаралар – бұл 10-15°-тан артық бағытталған қателіктері бар шекаралар. Осылайша, бұл процесті қалпына келтіруден (мұнда жоғары бұрышты дән шекаралары миграцияламайды) және дәннің өсуінен (мұнда қозғаушы күш тек шекаралық аумақтың азаюына байланысты) ажыратуға болады. Рекристалдану деформация кезінде немесе одан кейін (мысалы, салқындату немесе келесі жылулық өңдеу кезінде) жүруі мүмкін. Алғашқысы динамикалық, екіншісі статикалық деп аталады. Сонымен қатар, рекристалдану үздіксіз немесе дискретті түрде жүруі мүмкін, мұнда жаңа түйіршіктер қалыптасып, өседі, немесе микроқұрылым біртіндеп рекристалданған микроқұрылымға эволюциялайды. Рекристалдану мен қалпына келтірудің әртүрлі механизмдері күрделі және көп жағдайда әлі де даулы болып қала береді. Төмендегі сипаттама ең алдымен статикалық дискретті рекристалдануға қатысты, ол ең классикалық түрі және жақсырақ түсінілгені. Қосымша механизмдерге (геометриялық) динамикалық рекристалдану және деформация тудырған шекаралық миграция жатады. Екінші рекристалдану, егер {110}<001> (Госс) түйіршіктерінің белгілі бір саны – шамамен 106 негізгі түйіршіктің біреуі – көптеген басқа негізгі рекристалданған түйіршіктердің есебінен селективті түрде өссе, пайда болады. Бұл аномальды дән өсуіне әкеледі, бұл өнімнің қасиеттері үшін пайдалы немесе зиянды болуы мүмкін. Екінші рекристалдану механизмі – ингибиторлар деп аталатын ұсақ тұнбалар арқылы қалыпты дән өсуін тежеу арқылы қол жеткізілетін шағын және біркелкі бастапқы дән мөлшері. Госс түйіршіктері 1934 жыл шамасында дән бағытталған электр болатты ойлап тапқан Норман П. Госс құрметіне аталған.
" the formation of a new grain structure in a deformed material by the formation and migration of high angle grain boundaries driven by the stored energy of deformation. High angle boundaries are those with greater than a 10 15° misorientation"
Thus the process can be differentiated from recovery (where high angle grain boundaries do not migrate) and grain growth (where the driving force is only due to the reduction in boundary area). Recrystallization may occur during or after deformation (during cooling or subsequent heat treatment, for example). The former is termed dynamic while the latter is termed static. In addition, recrystallization may occur in a discontinuous manner, where distinct new grains form and grow, or a continuous manner, where the microstructure gradually evolves into a recrystallized microstructure. The different mechanisms by which recrystallization and recovery occur are complex and in many cases remain controversial. The following description is primarily applicable to static discontinuous recrystallization, which is the most classical variety and probably the most understood. Additional mechanisms include (geometric) dynamic recrystallization and strain induced boundary migration. Secondary recrystallization occurs when a certain very small number of {110}<001> (Goss) grains grow selectively, about one in 106 primary grains, at the expense of many other primary recrystallized grains. This results in abnormal grain growth, which may be beneficial or detrimental for product material properties. The mechanism of secondary recrystallization is a small and uniform primary grain size, achieved through the inhibition of normal grain growth by fine precipitates called inhibitors. Goss grains are named in honor of Norman P. Goss, the inventor of grain oriented electrical steel circa 1934.
Ядролық
Тарихи тұрғыдан, жаңадан кристалданған дәншелердің ядролану жылдамдығы, қатаю және жауын-шашын құбылыстары үшін сәтті қолданылған жылулық флуктуациялар моделімен анықталады деп есептелді. Бұл теорияда, атомдардың табиғи қозғалысының нәтижесінде (температураның жоғарылауымен бірге) матрицада кішкентай ядролар өздігінен пайда болады делінеді. Бұл ядролардың қалыптасуы, жаңа интерфейстің пайда болуына байланысты энергия талабымен және төмен энергиялы материалдың жаңа көлемінің пайда болуына байланысты энергияның босатылуымен байланысты. Егер ядролар белгілі бір радиустан асатын болса, олар термодинамикалық тұрақты болып, өсуге бастайды. Бұл теорияның негізгі мәселесі – дислокацияларға байланысты сақталған энергия өте төмен (0,1–1 Дж/м³) болса, ал дәнше шекарасының энергиясы өте жоғары (~0,5 Дж/м³) екендігінде. Осы мәндерге негізделген есептеулер көрсеткендей, байқалған ядролану жылдамдығы есептелгеннен өте үлкен фактормен (шамамен 10⁵⁰ есе) жоғары болды. Осының салдарынан, 1949 жылы Кан ұсынған баламалы теория қазірде барлық жерде қабылданды. Қайта кристалданған дәншелер классикалық жолмен ядро жасамайды, керісінше, бұрыннан бар дәншелер мен жасушалардан өседі. «Инкубациялық кезең» – бұл қалпына келтіру кезеңі, онда төмен бұрышты шекаралары (<1–2°) бар дәншелер дислокацияларды жинақтап, көршілеріне қатысты бағытсыздық күйін күшейте бастайды. Бағытсыздықтың артуы шекараның жылдамдығын арттырады, соның салдарынан дәншенің өсу қарқыны да артады. Егер жергілікті аймақтағы бір дәнше өз көршілерінен артықшылыққа ие болса (мысалы, жергілікті жоғары дислокациялық тығыздық, үлкен мөлшері немесе қолайлы бағдарламасы болса), онда ол өзінің бәсекелестерінен жылдам өсе алады. Өсе келе, оның шекарасы айналадағы материалға қатысты күшейе түсетін бағытсыздыққа ие болады, содан кейін оны толығымен жаңа, керілуден бос дәнше деп тануға болады.
Кинетика
Рекристалдану кинетикасы көбінесе көрсетілген профильге сәйкес келеді. t0 бастапқы “ядролану кезеңі” бар, онда ядролар пайда болады, содан кейін деформацияланған матрицаны сіңіріп, тұрақты жылдамдықпен өсе бастайды. Бұл процесс классикалық ядролық теорияға қатаң түрде сәйкес келмесе де, мұндай математикалық сипаттамалар кем дегенде жақын жуықтама береді. Сфералық түйірлер тізімі үшін t уақытындағы R орташа радиусы (Humphreys and Hatherly 2004):
мұнда t0 – ядролану уақыты, ал G – өсу жылдамдығы dR/dt. Егер dt уақыт аралығында N ядро пайда болса және түйірлер шар тәрізді деп есептелсе, көлемдік үлес былай болады:
Бұл теңдеу f<<1 және өсіп келе жатқан түйірлер бір-біріне тиіспейтін рекристалданудың бастапқы кезеңдерінде қолданылады. Түйірлер жанасқаннан кейін өсу жылдамдығы төмендейді және Джонсон-Мель теңдеуімен өзгермеген материалдың үлесіне (1-f) байланысты болады:
Бұл теңдеу процесті жақсырақ сипаттайды, бірақ түйірлер шар тәрізді, ядролану және өсу жылдамдықтары тұрақты, ядролар кездейсоқ таратылған және ядролану уақыты t0 кішкентай деп есептейді. Іс жүзінде, мұның көпшілігі дұрыс емес, сондықтан басқа модельдерді қолдану қажет. Кез келген пайдалы модель материалдың бастапқы жағдайын ғана емес, сонымен қатар өсіп келе жатқан түйірлер, деформацияланған матрица және кез келген екінші фазалар немесе басқа микроқұрылымдық факторлар арасындағы үнемі өзгеретін қатынасты да ескеруі тиіс. Бұл жағдай динамикалық жүйелерде деформация мен рекристалдану бір мезгілде жүргенде одан да күрделенеді. Нәтижесінде, кең ауқымды эмпирикалық сынақтарды қолданбастан өндірістік процестер үшін дәл болжамдық модель жасау көбінесе мүмкін емес болып шықты. Бұл үшін әлі салынбаған өнеркәсіптік жабдықты пайдалану қажет болуы мүмкін, сондықтан бұл тәсілмен байланысты нақты қиындықтар бар.
Ақырқы мөлшерлемеге әсер ететін факторлар
Қайта кристалдану жылдамдығына оттану температурасының әсері зор, бұл жоғарыда келтірілген теңдеулерде көрінеді. Дегенмен, белгілі бір температурада жылдамдыққа әсер ететін бірнеше қосымша факторлар бар. Қайта кристалдану жылдамдығына деформацияның мөлшері айқын әсер етеді, ал оны қолдану тәсілі аздап әсер етеді. Күшті деформацияланған материалдар, аз деформацияланғандарға қарағанда жылдам қайта кристалданады. Шындығында, белгілі бір деформация деңгейінен төмен болса, қайта кристалдану мүлдем болмауы мүмкін. Жоғары температурада деформация бір уақытта қалпына келтіруге мүмкіндік береді, сондықтан мұндай материалдар бөлме температурасында деформацияланғандарға қарағанда баяу қайта кристалданады, мысалы, ыстық және суық прокаттаудың айырмасы. Кейбір жағдайларда деформация ерекше біртекті болуы мүмкін немесе тек белгілі бір кристаллографиялық жазықтықтарда ғана жүруі мүмкін. Бағытталған градиенттердің және басқа да біртектіліктердің болмауы, пайдалы ядролардың қалыптасуына кедергі келтіруі мүмкін. 1970 жылдардағы тәжірибелерде, 0,3-ке дейін нақты деформацияға ұшыраған молибден, кернеу кезінде және сым тарту, иіру және қысу кезінде жылдамдық азайған сайын ең жылдам қайта кристалданатыны анықталды (Barto & Ebert 1971). Дәннің бағыты және деформация кезінде оның бағытының өзгеруі сақталған энергияның жиналуына және, демек, қайта кристалдану жылдамдығына әсер етеді. Дән шекараларының қозғалмалылығы олардың бағытына тәуелді, сондықтан кейбір кристаллографиялық текстуралар басқаларына қарағанда жылдам өседі. Ерітіндідегі атомдар, соның ішінде мақсатты қосымшалар мен қоспалар, қайта кристалдану кинетикасына күшті әсер етеді. Тіпті шағын концентрациялар да маңызды әсер етуі мүмкін, мысалы, 0,004% Fe қайта кристалдану температурасын шамамен 100 °C-қа дейін арттырады (Humphreys and Hatherly 2004). Бұл әсердің негізінен ядроның пайда болуын баяулатуына, әлде дән шекараларының қозғалмалылығын (яғни өсуді) азайтуына байланысты екені қазірге дейін белгісіз.
Екінші кезеңдердің әсері
Көптеген өнеркәсіптік маңызы бар қорытпалардың құрамында қоспалардың нәтижесінде немесе қасады қосымшалар арқылы екінші фаза бөлшектерінің белгілі бір көлемі болады. Мұндай бөлшектердің мөлшері мен таралуына қарай, олар қайта кристалдану процесін жеделдету немесе тежеу әсерін тигізуі мүмкін.
Кішкентай бөлшектер
Қайта кристалдану кішкентай, тығыз орналасқан бөлшектердің таралуы арқылы алдын алады немесе айтарлықтай баяулайды, бұл төмен және жоғары бұрышты түйіршек шекараларында Зенердің тоқтату әсеріне байланысты. Бұл қысым дислокациялық тығыздықтан туындайтын қозғаушы күшке тікелей қарсы келеді және ядролану мен өсу кинетикасына әсер етеді. Бұл эффект бөлшектердің таралу деңгейімен түсіндірілуі мүмкін, мұнда – екінші фазаның көлемдік үлесі, ал r – радиусы. Көлемдік үлесі төмен болғанда дәннің мөлшері ядролар санымен анықталады, сондықтан бастапқыда өте кішкентай болуы мүмкін. Дегенмен, дәндер дән өсуі тұрғысынан тұрақсыз, сондықтан оттыру кезінде бөлшектер жеткілікті тоқтату қысымын көрсеткенге дейін өседі. Орташа көлемдік үлесте дәннің мөлшері әлі де ядролар санымен анықталады, бірақ енді дәндер қалыпты өсуге қатысты тұрақты (бірақ қалыптан тыс өсу мүмкін). Көлемдік үлесі жоғары болғанда, қайта кристалдамаған деформацияланған құрылым тұрақты болады және қайта кристалдану тоқтатылады.
Үлкен бөлшектер
Үлкен (1 мкм-ден асатын) деформацияланбайтын бөлшектердің айналасындағы деформациялық өрістер жоғары дислокация тығыздығымен және үлкен бағдарлау градиенттерімен сипатталады, сондықтан олар қайта кристалдану ядроларының пайда болуы үшін өте қолайлы орындар болып табылады. Бұл құбылыс, бөлшектермен ынталандырылған ядролық процестер (PSN) деп аталады, және бөлшектердің таралуын реттеу арқылы қайта кристалдануды басқарудың сирек кездесетін мүмкіндіктерінің бірі болып ерекшеленеді. Деформацияланған аймақтың мөлшері мен бағдарлау бұрышы бөлшектердің мөлшерімен байланысты, сондықтан ядролық процестерді бастау үшін белгілі бір ең төменгі бөлшек мөлшері қажет. Деформацияның күшін арттыру ең төменгі бөлшек мөлшерін азайтады, соның нәтижесінде PSN режимі пайда болады. Егер PSN тиімділігі бірге тең болса (яғни, әрбір бөлшек бір ядроның пайда болуын ынталандырады), онда түпкілікті дән мөлшері тек бөлшектердің санымен анықталады. Кейде тиімділік бірден жоғары болуы мүмкін, егер әрбір бөлшекте бірнеше ядро пайда болса, бірақ мұндай жағдай сирек кездеседі. Тиімділік бірден кем болады, егер бөлшектер сыни мөлшерге жақын болса, ал кішкентай бөлшектердің көп бөлігі қайта кристалдануды бастаудың орнына оған кедерілді етеді (жоғарыда қараңыз).
Бимодальды бөлшектердің таралуы
Көлденең бөлшек мөлшерінің кең диапазонындағы материалдардың қайта кристалдану қасиеттерін болжау қиынға түсуі мүмкін. Бұл жағдай, бөлшектердің уақыт өте өсуі немесе еріп кетуі мүмкін болатын, жылу тұрақсыздығына ұшырайтын қорытпаларда одан да күшейеді. Әртүрлі жүйелерде аномальды дәнек өсуі пайда болып, кішкентай кристаллиттердің есебінен ерекше ірі кристаллиттерге әкелуі мүмкін. Екі бөлек бөлшек популяциясына ие бимодальды қорытпаларда жағдай оңайырақ. Мысалы, Al-Si қорытпаларында, өте ірі (5 мкм-ден кем) бөлшектердің болуына қарамастан, қайта кристалдану қасиеттерін кішкентай бөлшектердің анықтайтыны көрсетілген (Chan & Humphreys 1984). Мұндай жағдайларда пайда болатын микроқұрылым тек кішкентай бөлшектерден тұратын қорытпаның микроқұрылымына ұқсас болады.