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

дит путем их миграции с одновременным перемещением точки тройного стыка. На рис. 29, б сплошные линии изображают искрив­ ленные границы в равновесном тройном стыке после такой мигра­ ции, а пунктирные — исходное положение границ в неравновесном тройном стыке. Но искривленные границы нестабильны. Под дей­

ствием поверхностного натяжения они стремятся уменьшить длину. Каждая граница выпрямляется миграцией в направлении центра ее кривизны. Эти направления на рис. 30 указаны стрелками. На рис. 29, в сплошные линии изображают спрямленные границы, а пунктир­ ные— их исходное положение в рав­ новесном стыке.

Миграция границы направлена к центру кривизны, потому что на вогнутой поверхности у атома боль­ ше связей с соседями из своего зер­ на, чем на выпуклой. Нескомпенсированный переход атомов через гра­

ницу и обусловливает рост зерен с вогнутыми границами за счет зерен с выпуклыми границами.

Спрямление границ нарушает ранее достигнутое равновесие в тройных стыках (на рис. 29, в угол при вершине зерна А стал меньше 120°). Для достижения равновесия в тройном стыке гра­ ницы вновь изгибаются миграцией и т. д. Таким путем зерна Б и

Вна рис. 29 постепенно растут за счет зерна А.

Вплоской модели зеренной структуры поликристалла зерна с числом сторон больше шести должны укрупняться, а с числом

сторон меньше шести — «поедаться» соседями. В реальном метал­ ле зерно с одной стороны имеет вогнутую поверхность и растет за счет соседа, а с другого края оно может иметь выпуклую поверх­ ность и само поглощаться соседом. В целом же средний размер зерен возрастает.

При изотермическом отжиге зерна укрупняются с затуханием, так как сетка границ приближается к равновесной и движущая сила миграции границ постепенно уменьшается. При анализе структур на шлифах следует иметь в виду, что конфигурация трех­ мерной равновесной сетки границ зерен более сложная, чем дву­ мерной.

В пространстве равновесию сил поверхностого натяжения отвечает упаковка из зерен четырнадцатигранников с несколько изогнутыми границами. Даже если такая идеализированная рав­ новесная конфигурация зерен и будет достигнута при отжиге, го в плоскости шлифа размеры произвольных сечений зерен по­ лучаются разными, а углы встречи трех границ будут отличаться от 12 0 °.

Рост одних рекристаллизованных зерен за счет соседних рек­

68

ристаллизованных зерен путем миграции высокоугловых границ называют собирательной рекристаллизациейК

Движущей силой собирательной рекристаллизации является неуравновешенность поверхностного натяжения, стремящегося выпрямить искривленные границы рекристаллизованных зерен и создать равновесную конфигурацию границ в тройных стыках. Даже при сравнительно мелком зерне с сеткой границ, близкой по конфигурации к равновесной, зерна могут не расти (состояние механического равновесия), несмотря на большую суммарную зернограничную энергию, приходящуюся на единицу объема. Следовательно, сам по себе избыток поверхностной зерногранич­ ной энергии (избыток по сравнению с энергией монокристального образца такого же объема) не является стимулом для собиратель­ ной рекристаллизации, если нет неуравновешенности поверхност­ ного натяжения.

Атомный механизм миграции границ зерен при собирательной рекристаллизации может быть таким же, как и при первичной

(см. § 8 ).

Начало собирательной рекристаллизации не обязательно долж­ но совпадать с моментом полного завершения первичной рекрис­ таллизации. Когда в отдельных участках металла рекристаллизованные зерна приходят в соприкосновение, то здесь может на­ чаться собирательная рекристаллизация, хотя в других участках еще идет первичная рекристаллизация.

Скорость миграции границы должна быть тем больше, чем силь­ нее искривлена граница, т. е. чем меньше радиус ее кривизны. Если принять, что радиус кривизны границ равноосного зерна про­ порционален его диаметру, то скорость роста зерен при собира­ тельной рекристаллизации должна быть обратно пропорцио­

сто называют просто рекристаллизацией, а собирательную рекристаллизацию-- ростом зерна (grain growth— англ.). Последний термин нельзя признать удач­ ным, так как и при первичной рекристаллизации растут новые зерна.

69

Экспериментальные данные показывают, что зависимость сред­ него размера зерен в металлах и однофазных сплавах от времени отжига подчиняется выражению

чений и другими причинами.

Атомы растворенных примесей, как уже отмечалось, упруго притягиваются к границе, и миграция ее связана с протаскиванием за собой примесных атомов. Мигрирующая граница встречает на своем пути примесные атомы, распределенные в теле «поедаемого» зерна, и концентрация примеси на границе накапливается, усили­ вая ее торможение.

Если мигрирующая граница встречает включения второй фазы, то она должна огибать эти включения и затем отрываться от них. Так как по мере развития собирательной рекристаллизации дви­ жущая сила ее уменьшается, то включения могут через некоторое время полностью затормозить рост зерна. Чем больше объемная

включения с большой объемной долей их в сплаве, а барьерный эффект от отдельных крупных включений невелик.

При отжиге тонких листов, когда размер зерен становится рав­ ным толщине листа, их рост замедляется, но зерна еще продолжа­ ют расти в плоскости листа. После того как размер зерен в плос­ кости листа становится в 2 —3 раза больше его толщины, рост сов­ сем прекращается. Одной из причин тормозящего действия свобод­ ных поверхностей, называемого «эффектом толщины», является образование канавок термического травления в местах выхода границ зерен на эту поверхность. Канавки образуются при отжи­ ге из-за ускоренного испарения атомов с межзеренных границ и закрепляют границы, как бы «привязывая» их к соответствующим участкам поверхности.

Рост зерен при собирательной рекристаллизации может силь­ но замедлять текстура, возникающая при первичной рекристалли­ зации. «Текстурное торможение» обусловлено тем, что границы зе­ рен с небольшой угловой разориентировкой (а именно она харак­ терна для совершенной текстуры) имеют пониженную поверхност­ ную энергию и в соответствии с формулой (8) скорость роста зер­ на должна быть меньше.

Росту одних зерен за счет аналогичных зерен той же фазы не обязательно должна предшествовать первичная рекристаллизация.

70

Этот рост — весьма общий процесс, для которого необходимо лишь неуравновешенное поверхностное натяжение на границах зерен, например из-за их кривизны.

Часто считают, что в литых (недеформированных) металлах укрупнение зерен вследствие роста одних кристаллитов за счет со­ седних не происходит. Это утверждение справедливо только по от­ ношению к металлам невысокой чистоты, в которых примеси, кон­ центрирующиеся по границам зерен в процессе кристаллизации, мешают миграции границ зерен при отжиге. В чистых литых ме­ таллах и однофазных сплавах при отжиге без предварительной деформации зерна могут быстро расти.

§10. ТЕКСТУРЫ ПЕРВИЧНОЙ

ИСОБИРАТЕЛЬНОЙ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

1. Основные закономерности образования текстур рекристаллизации

Экспериментально установлены следующие три варианта взаи­ моотношения кристаллографических ориентировок в деформиро­ ванном и рекристаллизованном металле. Во-первых, текстура де­ формации может перейти в тождественную ей текстуру рекристал­ лизации, т. е. рекристаллизованные зерна приобретают такую же предпочтительную ориентировку, какую имели исходные деформи­ рованные зерна. Во-вторых, текстура деформации может сменить­ ся отличной от нее текстурой рекристаллизации. Этот случай наи­ более частый. В-третьих, рекристаллизованные зерна могут иметь хаотичную кристаллографическую ориентировку, в то время как исходный и деформированный металл был текстурован.

Характер и степень совершенства текстуры рекристаллизации зависят от вида обработки давлением, степени и температуры по­ следней деформации, температуры и времени последнего отжига, степени промежуточный деформации, температуры промежуточно­ го отжига, содержания легирующих элементов и примесей и дру­ гих факторов. Следовательно, на текстуру рекристаллизации влия­ ет гораздо большее число факторов, чем на текстуру деформации.

При отжиге ниже некоторой температуры текстура рекристал­ лизации качественно тождественна текстуре деформации. Разли­ чие может состоять в усилении одних и ослаблении других компо­ нентов текстуры. Так, если холоднотянутая медная проволока име­ ла двойную аксиальную текстуру < 1 1 1 > и < 1О0 > , то после первичной рекристаллизации ее текстура такая же, но число зерен

71