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

ристаллизации. Следовательно, при анализе причин вторичной ре­ кристаллизации в каждом конкретном случае необходимо уста­ новить, во-первых, почему стабилизирована матрица и, во-вторых,

.почему отдельные зерна могут беспрепятственно расти, поедая стабилизированную матрицу.

Причинами стабилизации рекристаллизованной матрицы мо­ гут быть: а) дисперсные частицы или сегрегации примесей на гра­ ницах; б) «текстурное торможение» и в) «эффект толщины». Все они уже были рассмотрены в § 9 при обсуждении причин тормо­ жения роста зерна во время собирательной рекристаллизации. Роль торможения дисперсными частицами, «текстурного торможения» и «эффекта толщины» доказана экспериментально в разных кон­ кретных случаях вторичной рекристаллизации.

Более сложно выяснить, какие из рекристаллизованных зерен в стабилизированной матрице могут быстро расти, т. е. служат центрами вторичной рекристаллизации. При этом важно понять, почему они способны превзойти по размеру своих соседей на на­ чальной стадии вторичной рекристаллизации. Последующий их рост вполне понятен, так как границы крупного зерна обращены вог­ нутостью в сторону мелких зерен (рис. 34 и зерна 10 и 50 на рис. 30) и должны мигрировать по направлению к своему центру кри­ визны. При выпрямлении границ крупного зерна в тройных сты­ ках его с мелкими зернами нарушается равновесие сил поверхно­ стного натяжения и тройные стыки перемещаются в сторону мел­

ким путем крупное зерно непрерывно растет, поедая мелкие зерна, пока все они не исчезнут. Процесс этот аналогичен рассмотренно­ му в § 9 процессу укрупнения зерен при собирательной рекристал­ лизации, за тем исключением, что растут немногие зерна в окру­ жении множества мелких, рост которых сильно заторможен.

Вернемся к вопросу, какие же зерна в стабилизированной мат­ рице на начальной стадии вторичной рекристаллизации имеют воз­ можность превзойти своих соседей по размеру, т. е. являются по­ тенциальными центрами вторичной рекристаллизации.

Если матрица стабилизирована дисперсными частицами второй фазы, то в силу случайных обстоятельств из-за неравномерности распределения этих частиц границы отдельных зерен могут быть значительно слабее заблокированы, чем границы большинства зе­ рен, и такие зерна способны к избирательному росту. Тормозящее

ляции и растворению. Если тормозящее влияние слабое, то матри­ ца недостаточно стабилизирована и происходит нормальный раз­ номерный рост зерен. Если тормозящее действие частиц чрезмерно сильное, например объемная доля их очень большая, то матрица так «перестабилизирована», что не находится зерен, способных к росту и вторичная рекристаллизация не идет.

80

Если вторичная рекристаллизация полезна (см. § 14), то опти­ мальные для ее развития количество, размер и распределение ди­ сперсных частиц достигаются введением специальных добавок, сочетанием режимов обработки давлением и термической обра­ ботки.

Если причиной стабилизации матрицы служит совершенная текстура, возникшая при первичной рекристаллизации, то боль­ шинство зерен разделено границами с небольшим углом разориентировки и соответственно с низкой зернограничной энергией, вследствие чего эти границы малоподвижны. В условиях «тек­ стурного торможения» к избирательному росту способны те не­ многие зерна, ориентировка которых сильно отличается от глав­ ной ориентировки стабилизированной матрицы. Максимальной подвижностью обладают границы зерен, удовлетворяющие соот­ ношению Кронберга—Вильсона или близкие к ним по структуре. Поэтому, если после первичной рекристаллизации имеется некото­ рое число зерен, отделенных от остальных частично сопряженны­ ми границами, то эти зерна быстро растут при вторичной рекри­ сталлизации и весь металл приобретает их ориентировку. Именно такова природа вторичной рекристаллизации в меди. Понятно так­ же, что чем совершеннее текстура первичной рекристаллизации, тем ярче проявляется и вторичная рекристаллизация.

ками термического травления в местах выхода границ на поверх­ ность листа, то решающее влияние на скорость роста оказывает энергия свободной поверхности зерен. У кристаллов трансформатор­ ной стали (Fe+3% Si) грани | 110} обладают минимальной по­

верхностной энергией (как грани с максимальной плотностью упа­ ковки атомов в о. ц. к. решетке). Поэтому рост кристаллов, у ко­ торых грани | ПО } совпадают с поверхностью листа, будет

энергетически выгоден по сравнению с ростом всех других крис­ таллов.

Поверхностная энергия граней кристаллов Fe — 3% Si оказа­ лась очень чувствительной к составу окружающей атмосферы (изза явления адсорбции). Когда в атмосфере отжиговой печи содер­ жится кислород, то грани j 100 } имеют меньшую поверхностную

энергию, чем грани | 110}. Поэтому если отжиг в вакууме или су­

хом водороде приводит к образованию при вторичной рекристалли­ зации в тонких листах трансформаторной стали ребровой тек­ стуры | ПО } < Ю 0 > , то отжиг в атмосфере, содержащей кисло­

род, приводит к образованию при вторичной (рекристаллизации кубической текстуры | 100}<100>. Регулируя атмосферу (атакже

состав сплава), можно через изменение энергии свободной поверх­ ности изменять текстуру вторичной рекристаллизации, вызывая избирательный рост зерен с минимальной энергией граней, выхо­ дящих на поверхность листа. Естественно, что такое регулирование текстуры вторичной рекристаллизации возможно только в листах,

81

толщина которых соизмерима с размером зерен, образовавшихся при первичной и собирательной рекристаллизации.

Зная влияние дисперсных частиц избыточных фаз, текстуры пер­ вичной рекристаллизации, атмосферы отжига, толщины изделия и других факторов на стабилизацию матрицы и избирательный рост зерен, можно управлять процессом вторичной рекристаллизации ('подавляя или развивая ее), изменяя состав сплава, режимы обра­ ботки давлением и термической обработки.

§12. РАЗМЕР РЕКРИСТАЛЛИЗОВАННОГО ЗЕРНА

ВОТОЖЖЕННОМ МЕТАЛЛЕ

Размер рекристаллизованного зерна — одна из важнейших характеристик отожженного металла. Время отжига, как правило, превышает продолжительность рекристаллизации обработки. По­ этому на размер зерна отожженного металла влияют все те факто­ ры, которые сказываются и на первичной, и на собирательной ре­ кристаллизации. Анализируя факторы, влияющие на размер зерна при первичной рекристаллизации, удобно оперировать теми же па­ раметрами, которые широко используются в теории фазовых пре­ вращений, а именно величинами с. з. ц. и л. с. р. Скорость зарож­ дения центров рекристаллизации (о. з. ц.) измеряется числом но­ вых кристаллов, возникающих в единицу времени в единице объе­ ма. Линейная скорость роста новых кристаллов (л. с. р.) является скоростью перемещения границы зерна.

Размер зерна к моменту окончания рекристаллизации обработ­

чания первичной рекристаллизации зерна укрупняются вследствие собирательной рекристаллизации. Поэтому на конечный размер зерна влияет также линейная скорость роста кристаллитов при со­ бирательной рекристаллизации (вторичная рекристаллизация по­ ка не рассматривается).

Многочисленные опыты показывают, что к основным факто­ рам, влияющим на конечный размер зерна отожженного металла относятся следующие: температура и время отжига, степень дефор­ мации, размер исходного (до деформации) зерна, скорость на­ грева и, конечно, химический состав.

С повышением температуры отжига с. з. ц. и л. с. р. увеличи­ ваются. Если оба параметра изменяются в зависимости от темпе­ ратуры в одинаковой степени, то размер зерна при первичной ре­ кристаллизации не должен зависеть от температуры отжига. Если же с. з. ц. увеличивается с повышением температуры интенсивнее, чем л. с. р., то размер зерна к моменту окончания первичной ре­ кристаллизации должен быть тем меньше, чем выше температура отжига. Оба случая неоднократно наблюдались при отжиге алю­ миния, алюминиевых сплавов, латуни и других сплавов. На пер­ вый взгляд может показаться, что эти факты не согласуются с

82

обычными представлениями об укрупнении зерна .при повышении температуры отжига. Кажущееся противоречие объясняется тем, что выше речь шла о размере зерна к моменту окончания первич­ ной рекристаллизации, а обычно продолжительность отжига пре­ вышает длительность первичной рекристаллизации. В последнем случае укрупнение зерна при повышении температуры отжига объясняется интенсифицированием собирательной рекристалли­ зации. На рис. 38 представлен наиболее типичный характер за­ висимости размера зерна от температуры отжига при постоянном

Рис. 38. Зависимость размера рекр.и'сталлйзо-

Рис. 39. Влияние времени выдержки на раз­ мер зерна никеля при двух температурах от­ жига (И. И. Новиков, И. Л. Рогельберг)

времени выдержки. Иногда в области высоких температур рост зерна затухает или полностью прекращается с повышением тем­ пературы. Причинами ограничения роста зерна могут быть оп­ лавление по границам кристаллитов или приближение среднего

размера зерна к толщине образца.

С увеличением продолжительности отжига размер зерна воз­ растает с затуханием, так как при собирательной рекристаллиза­ ции скорость роста постепенно уменьшается и размер зерна приб­ лижается к предельному для данной температуры значению (рис.

39).

Если при отжиге получен предельный для данной температуры размер зерна, то его можно увеличить, проводя новый отжиг при более высокой температуре. С повышением температуры облегча­ ется переход атомов с одного зерна на другое. Кроме того, при по­ вышении температуры отжига могут размываться сегрегации при­ месных атомов на границах зерен и частично растворяться избы­ точные фазы, тормозящие миграцию границ во время собиратель­

ной рекристаллизации.

Исключительно сильно на размер зерна в момент окончания первичной рекристаллизации влияет степень деформации (рис. 40

83