Введение

Процесс формирования новых, свободных от дефектов кристаллических зерен в материале.

В материаловедении рекристаллизация – это процесс, при котором деформированные зерна замещаются новым набором зерен, свободных от дефектов, которые зарождаются и растут до полного замещения исходных зерен. Рекристаллизация обычно сопровождается снижением прочности и твердости материала и одновременным повышением пластичности. Таким образом, этот процесс может быть намеренно использован в металлургической обработке или являться нежелательным побочным эффектом другой технологической операции. Наиболее важными промышленными применениями рекристаллизации являются отпуск металлов, предварительно упрочненных или сделанных хрупкими холодной деформацией, и контроль структуры зерна в готовом изделии. Температура рекристаллизации обычно составляет 0,3–0,4 от температуры плавления для чистых металлов и 0,5 для сплавов.

Определение

Рекристаллизация определяется как процесс, в котором зерна кристаллической структуры формируют новую структуру или приобретают новую кристаллическую форму. Точное определение рекристаллизации затруднено, поскольку этот процесс тесно связан с рядом других процессов, в частности с восстановлением и ростом зерна. В некоторых случаях сложно четко определить момент начала одного процесса и окончания другого. Доэрти и др. определили рекристаллизацию как: "формирование новой структуры зерна в деформированном материале посредством образования и миграции границ зерна с высоким углом, обусловленной накопленной энергией деформации. Границы с высоким углом характеризуются дезориентацией более 10–15°".

Таким образом, этот процесс можно отличить от восстановления (где границы зерна с высоким углом не мигрируют) и роста зерна (где движущей силой является только уменьшение площади границ). Рекристаллизация может происходить во время или после деформации (например, во время охлаждения или последующей термической обработки). Первый случай называют динамической, а второй – статической. Кроме того, рекристаллизация может протекать прерывисто, с образованием и ростом новых зерен, или непрерывно, когда микроструктура постепенно эволюционирует в рекристаллизованную микроструктуру. Различные механизмы, посредством которых происходят рекристаллизация и восстановление, сложны и во многих случаях остаются предметом дискуссий. Следующее описание в основном относится к статической прерывистой рекристаллизации, которая является наиболее классическим и, вероятно, наиболее изученным видом. К дополнительным механизмам относятся (геометрическая) динамическая рекристаллизация и миграция границ, вызванная деформацией. Вторичная рекристаллизация происходит, когда определенное очень небольшое количество зерен {110}<001> (Госсовских) избирательно растет, примерно одно из 10⁶ первичных зерен, за счет многих других первичных рекристаллизованных зерен. Это приводит к аномальному росту зерна, который может быть как полезным, так и вредным для свойств материала. Механизм вторичной рекристаллизации заключается в малом и однородном размере первичных зерен, достигаемом за счет подавления нормального роста зерна мелкими частицами-осадителями, называемыми ингибиторами. Зерна Госса названы в честь Нормана П. Госса, изобретателя электротехнической стали с ориентированным зерном, примерно в 1934 году.

Ядерная реакция

Исторически считалось, что скорость нуклеации новых рекристаллизованных зерен определяется моделью тепловых флуктуаций, успешно применяемой для явлений затвердевания и осаждения. В этой теории предполагается, что в результате естественного движения атомов (которое возрастает с температурой) в матрице спонтанно образуются небольшие зародыши. Формирование этих зародышей связано с затратами энергии на образование новой границы раздела и выделением энергии при образовании нового объема материала с более низкой энергией. Если зародыши превышают некоторый критический радиус, они становятся термодинамически стабильными и могут начать расти. Главная проблема этой теории заключается в том, что запасенная энергия, обусловленная дислокациями, очень низок (0,1–1 Дж/м³), в то время как энергия границы зерна достаточно высока (~0,5 Дж/м³). Расчеты, основанные на этих значениях, показали, что наблюдаемая скорость нуклеации превышает расчетную на непостижимо большой порядок (~10⁵⁰). В результате, альтернативная теория, предложенная Каном в 1949 году, получила всеобщее признание. Рекристаллизованные зерна не нуклеируются классическим образом, а скорее растут из уже существующих подзерен и ячеек. "Время инкубации" представляет собой период восстановления, в течение которого подзерна с малоугловыми границами (<1–2°) начинают накапливать дислокации и все больше дезориентироваться относительно своих соседей. Увеличение дезориентации повышает подвижность границы и, следовательно, скорость роста подзерна. Если одно подзерно в локальной области имеет преимущество перед своими соседями (например, локально высокую плотность дислокаций, больший размер или благоприятную ориентацию), то оно сможет расти быстрее своих конкурентов. По мере роста его граница становится все более дезориентированной относительно окружающего материала, пока не будет идентифицирована как совершенно новое зерно, свободное от внутренних напряжений.

Кинетическая

Кинетика рекристаллизации обычно соответствует показанному профилю. Существует начальный "период нуклеации" t0, в течение которого формируются зародыши, а затем они начинают расти с постоянной скоростью, потребляя деформированную матрицу. Хотя процесс не строго следует классической теории нуклеации, часто оказывается, что такие математические описания обеспечивают хотя бы близкое приближение. Для массива сферических зерен средний радиус R в момент времени t (Humphreys and Hatherly 2004) равен:

где t0 – время нуклеации, а G – скорость роста dR/dt. Если N зародышей образуется за интервал времени dt и предполагается, что зерна сферические, то объемная доля будет:

Это уравнение справедливо на ранних стадиях рекристаллизации, когда f<<1 и растущие зерна не сталкиваются друг с другом. Как только зерна вступают в контакт, скорость роста замедляется и связана с долей нетрансформированного материала (1 – f) уравнением Джонсона – Мела:

Хотя это уравнение дает более точное описание процесса, оно все еще предполагает, что зерна сферические, скорости нуклеации и роста постоянны, зародыши распределены случайным образом, а время нуклеации t0 мало. На практике лишь немногие из этих предположений действительно выполняются, и необходимо использовать альтернативные модели. Обычно признается, что любая полезная модель должна учитывать не только начальное состояние материала, но и постоянно меняющиеся взаимосвязи между растущими зернами, деформированной матрицей и любыми вторичными фазами или другими микроструктурными факторами. Ситуация еще более усложняется в динамических системах, где деформация и рекристаллизация происходят одновременно. В результате, как правило, оказалось невозможным создать точную прогностическую модель для промышленных процессов без проведения обширных эмпирических испытаний. Поскольку это может потребовать использования промышленного оборудования, которое фактически еще не было построено, этот подход сопряжен с очевидными трудностями.

Факторы, влияющие на ставку

Температура отжига оказывает значительное влияние на скорость рекристаллизации, что отражено в приведенных выше уравнениях. Однако, при заданной температуре существует несколько дополнительных факторов, влияющих на эту скорость. Скорость рекристаллизации в значительной степени зависит от степени деформации и, в меньшей степени, от характера ее приложения. Материалы, подвергшиеся значительной деформации, рекристаллизуются быстрее, чем материалы с меньшей деформацией. Фактически, ниже определенной степени деформации рекристаллизация может не произойти вовсе. Деформация при более высоких температурах позволяет одновременному протеканию восстановления, поэтому такие материалы рекристаллизуются медленнее, чем деформированные при комнатной температуре, например, сравните горячую и холодную прокатку. В некоторых случаях деформация может быть необычно однородной или происходить только на определенных кристаллографических плоскостях. Отсутствие градиентов ориентации и других неоднородностей может препятствовать формированию зародышей рекристаллизации. Эксперименты, проведенные в 1970-х годах, показали, что молибден, деформированный до истинной деформации 0,3, рекристаллизуется наиболее быстро при растяжении и с уменьшением скорости при волочении проволоки, прокатке и сжатии (Barto & Ebert 1971). Ориентация зерна и изменение этой ориентации в процессе деформации влияют на накопление запасенной энергии и, следовательно, на скорость рекристаллизации. Подвижность границ зерен зависит от их ориентации, поэтому некоторые кристаллографические текстуры приводят к более быстрому росту, чем другие. Растворенные атомы, как преднамеренные добавки, так и примеси, оказывают существенное влияние на кинетику рекристаллизации. Даже незначительные концентрации могут оказывать значительное влияние, например, 0,004% Fe повышает температуру рекристаллизации примерно на 100 °C (Humphreys and Hatherly 2004). В настоящее время не установлено, обусловлен ли этот эффект главным образом замедлением зародышеобразования или снижением подвижности границ зерен, то есть ростом.

Влияние вторых фаз

Многие сплавы, имеющие промышленное значение, содержат определенную объемную долю частиц второй фазы, возникающую либо из-за примесей, либо в результате намеренных легирующих добавок. В зависимости от размера и распределения эти частицы могут как стимулировать, так и замедлять рекристаллизацию.

Малые частицы

Рекристаллизация предотвращается или значительно замедляется дисперсией мелких, плотно расположенных частиц благодаря закреплению Зенера на границах зерен как низко-, так и высокоугловых. Это давление напрямую противодействует движущей силе, возникающей из-за плотности дислокаций, и влияет как на кинетику зародышеобразования, так и на кинетику роста. Эффект можно объяснить, исходя из степени дисперсности частиц, где *f* – объемная доля второй фазы, а *r* – радиус частиц. При низкой *f* размер зерна определяется количеством зародышей и поэтому изначально может быть очень малым. Однако эти зерна нестабильны по отношению к росту и будут увеличиваться в размерах во время отжига, пока частицы не создадут достаточное закрепляющее давление, чтобы остановить их. При умеренной *f* размер зерна по-прежнему определяется количеством зародышей, но теперь зерна стабильны по отношению к нормальному росту (хотя аномальный рост все еще возможен). При высокой *f* нерекристаллизованная деформированная структура становится стабильной, и рекристаллизация подавляется.

Большие частицы

Поля деформации вокруг крупных (более 1 мкм) недеформируемых частиц характеризуются высокой плотностью дислокаций и большими градиентами ориентации, и поэтому являются идеальными местами для зарождения ядер рекристаллизации. Это явление, называемое нуклеацией, стимулированной частицами (PSN), примечательно тем, что предоставляет один из немногих способов управления рекристаллизацией посредством контроля распределения частиц. Размер и разность ориентаций деформированной зоны связаны с размером частиц, поэтому для инициирования нуклеации требуется минимальный размер частиц. Увеличение степени деформации уменьшает минимальный размер частиц, приводя к режиму PSN в пространстве размер-деформация. Если эффективность PSN равна единице (то есть каждая частица стимулирует образование одного ядра), то конечный размер зерна будет определяться исключительно количеством частиц. В редких случаях эффективность может превышать единицу, если в каждой частице образуется несколько ядер, но это происходит нечасто. Эффективность будет меньше единицы, если частицы близки к критическому размеру, и значительная доля мелких частиц будет скорее препятствовать рекристаллизации, чем инициировать ее (см. выше).

Бимодальное распределение частиц

Поведение рекристаллизации материалов, содержащих широкое распределение размеров частиц, бывает трудно предсказать. Это усугубляется в сплавах, где частицы термически нестабильны и могут расти или растворяться со временем. В различных системах может наблюдаться аномальный рост зерна, приводящий к образованию необычно крупных кристаллитов, растущих за счет более мелких. Ситуация упрощается в бимодальных сплавах, которые характеризуются двумя отчетливыми популяциями частиц. Примером служат сплавы Al-Si, где было показано, что даже при наличии очень крупных частиц (<5 мкм) поведение рекристаллизации определяется мелкими частицами (Chan & Humphreys 1984). В таких случаях результирующая микроструктура, как правило, напоминает микроструктуру сплава, содержащего только мелкие частицы.