Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

ле — основе. Это связано, во-первых, с тем, что обычно малая растворимость в твердом состоянии обусловлена большой разни­ цей в атомных радиусах элементов, и, во-вторых, большой разни­ цей в валентностях основы и легирующего элемента. Энергия же электрического взаимодействия краевой дислокации и атомов добавки пропорциональна разнице в валентностях основы и леги­ рующего элемента.

Чем чище исходный металл, тем сильнее действие добавляе­ мого элемента, так как в более грязном исходном металле на дис­ локациях уже имеются примесные атмосферы, затрудняющие рек­ ристаллизацию.

В тех редких случаях, когда малая добавка понижает темпе­ ратуру начала рекристаллизации, это может быть результатом того, что исходный металл был загрязнен примесями, сильно по­ вышающими температуру начала рекристаллизации, а добавляе­ мый легирующий элемент связывает эти примеси в соединения и выводит их из твердого раствора.

Во многих системах по достижении максимума в области срав­ нительно небольших концентраций (десятые доли процента — проценты) температура начала рекристаллизации снижается (рис. 26, а, б). Это снижение С. С. Горелик объяснил влиянием легирующего элемента на структуру деформированного сплава. Если добавка уменьшает энергию дефектов упаковки твердого раствора, то дислокации сильно расщеплены, поперечное скольже­ ние их затруднено и при пластической деформации образуются участки с большим избытком дислокаций одного знака. В таком твердом растворе температура начала рекристаллизации должна быть ниже, чем в менее легированном сплаве, где энергия дефек­ тов упаковки более высокая.

области больших концентраций обусловлено главным образом из­ менением сил межатомной связи и диффузионной подвижности атомов. Например, если при легировании температура плавления понижается и силы межатомной связи ослабевают (например, в системе А1—Mg, рис. 26, а), то температура начала рекристалли­ зации в области больших концентраций твердого раствора непре­ рывно снижается.

По сравнению с действием малых добавок на чистейший ме­ талл, когда сотые и десятые доли процента добавки могут повы­ сить температуру начала рекристаллизации на сто градусов и бо­ лее, увеличение содержания легирующих в области больших кон­ центраций на целые проценты и даже десятки процентов сравни­ тельно слабо изменяет температуру начала рекристаллизации (обычно на несколько градусов или максимум на десятки граду­ сов). Соотношение температур начала рекристаллизации и плав­ ления у твердых растворов выше, чем у чистых металлов, причем

63

в однофазных сплавах — растворах величина Гр /7 Пл составляет максимум 0,6 (по сравнению с 0,25—0,4 у металлов).

При переходе через границу растворимости в двухфазную об­ ласть температура начала рекристаллизации с увеличением коли­ чества второй фазы интенсивно возрастает (рис. 26).

Влияние частиц избыточной фазы на t р зависит от их коли­ чества, дисперсности и строения. При небольшом количестве избы­

При большем количестве частиц избыточной фазы они служат барьерами для миграции границ зародышей рекристаллизации и,

вах формирование центров рекристаллизации и начало их роста .мо­ гут быть разделены значительным температурным или временным интервалом. Обычные экспериментальные методы (световая мик­ роскопия и рентгеновский анализ) фиксируют центры рекристал­ лизации после того, как они подросли до значительного размера.

Поэтому такими методами обнаруживается повышение t “ с увеличением количества избыточной фазы, хотя истинная темпе­ ратура появления зародышей рекристаллизации может практи­ чески не измениться. Но для практики обычно больший интерес представляет именно температура начала интенсивности роста за­ родышей рекристаллизации, так как с ним связано интенсивное из­

центров рекристаллизации.

Если деформируется пересыщенный раствор, то при последую­ щем отжиге на процесс рекристаллизации накладывается процесс распада раствора. Сегрегации атомов растворенного элемента и выделения промежуточных pi стабильных фаз на дислокациях, малоугловых и высокоугловых границах (см. § 42) тормозят пе­ рераспределение дислокаций и миграцию границ, задерживая за ­ рождение и рост центров рекристаллизации. При более высоких температурах, когда частицы выделений коагулируют или раство­ ряются (в соответствии с ходом линии сольвуса1 на диаграмме состояния), происходит разблокировка дислокаций и границ и ста­ новятся возможными формирование и рост зародышей рекристал­ лизации. Таким образом, в стареющих сплавах рекристаллизация может быть сильно задержана распадом твердого раствора.

1 Линией сольвуса называют кривую ограниченной растворимости в твер­ дом состоянии.

64

3. Температура конца рекристаллизации

Температуру полного исчезновения деформированной матри­ цы при данном времени отжига называют температурой конца рек­

ристаллизации t р . Экспериментально ее определяют с помощью световой микроскопии по исчезновению сильнее травящихся ос­ татков деформированной матрицы и рентгенографически — по ис­ чезновению на рентгенограмме размытых дебаевских колец. Кро­ ме того, по рентгенограмме можно подсчитать число пятен — реф­ лексов от рекристаллизованных зерен. Максимальное число таких рефлексов соответствует концу первичной рекристаллизации, так как начинающаяся вслед за ней собирательная рекристаллизация уменьшает число рекристаллизованных зерен.

ростью роста рекристаллизованных зерен за счет деформирован­ ной матрицы. Это различие частично нивелируется тем, что цент­ ры рекристаллизации обычно выявляют после некоторого их рос­ та за счет деформированной матрицы.4

4. Рост зерен при первичной рекристаллизации

Рекристаллизованные зерна растут путем быстрой миграции их границ в сторону деформированой матрицы. Движущей силой та­ кой миграции является разность в упругой энергии кристаллов по обе стороны от границы из-за разной плотности дислокаций. В отличие от собирательной рекристаллизации ( см. § 9) при первич­ ной рекристаллизации граница зерна мигрирует в сторону от центра кривизны. Движущаяся высокоугловая граница «выме­ тает» на своем пути дефекты решетки деформированной матрицы, увеличивая объем с более совершенной структурой, с резко мень­ шей плотностью дислокаций.

Средняя скорость миграции границ зерен при первичной ре­

где Q — энергия активации процесса миграции.

Пока не ясно, каковы элементарные акты, обусловливающие миграцию границ, и, следовательно, не ясен физический смысл энергии активации процесса миграции. Слишком мало еще пря­ мых экспериментальных данных о строении высокоугловых гра­ ниц.

Миграцию высокоугловой границы при рекристаллизации мож­ но рассматривать как результат поочередного индивидуального

или группового перехода атомов от деформированного зерна к рекристаллизованному. Атомы по обе стороны от границы при колебательном движении время от времени могут отрываться от одного зерна и присоединяться к другому. Одиночные переходы атомов могут совершаться путем обмена местами приграничного атома и вакансии, находящейся на самой границе. Такой меха­ низм по своей природе — диффузионный (идет направленная самодиффузия атомов перпендикулярно границе).

На рис. 27 изображено изменение свободной энергии при пе­ реходе атома через границу между зернами. Видно, что благода­ ря разности в свободной энергии ДF, связанной с различием в плотности дислокаций по обе стороны от границы, переход атомов от рекристаллизованного к деформированному зерну требует прео­ доления большего потенциального барьера ( Q+A^7), чем обрат­ ный переход (Q). Соответственно частота перехода атомов в нап­ равлении от деформированного к рекристаллизованному зерну должна быть больше, чем в обратном направлении, что и опреде­ ляет «поедание» деформированного зерна рекристаллизованным

Атомы растворенных примесей сегрегируют на границы и тор­ мозят их миграцию. Одной из причин торможения является необ­ ходимость «тащить» за собой притянутые к границе примесные атомы. Сильное торможение оказывают даже ничтожные количест­ ва примеси, так как ее атомы собираются на границе. При введе­

миграции в соответствии с формулой (7) и тем больше наклон этой прямой. Переход от прямолинейного участка к криволиней­ ному на рис. 28 соответствует переходу от первичной рекристалли­ зации к собирательной.

66