REKRYSTALIZACJA.

Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje zmianę mikrostruktury, stanu naprężeń i właściwości metalu. Stan metalu po odkształceniu plastycznym na zimno jest stanem metastabilnym. W metalu jest zgromadzona energia we­wnętrzna nazywana energią zmagazynowaną

Wartość energii zmagazynowanej podczas odkształcenia plastycznego na zimno zależy od czynników związanych:

• z przebiegiem odkształcenia (stopień, prędkość, sposób i temperatura odkształcenia),

• z właściwościami odkształconego materiału (rodzaj materiału, czystość, mikrostruktura przed odkształceniem).

Podczas nagrzewania metalu odkształconego plastycznie na zimno zacho­dzą aktywowane cieplnie procesy prowadzące do powrotu metalu do stanu rów­nowagi, Procesy te, nazywane rekrystalizacją, mogą zachodzić tylko w odpo­wiednio wysokiej temperaturze. Temperatura rekrystalizacji jest pojęciem umownym, nie opisującym właściwości fizycznych metalu, gdyż zależy od:

• rodzaju materiału, tzn. składu chemicznego, fazowego, zawartości zanie­czyszczeń, rozmiarów ziarna,

• warunków odkształcenia: wielkości, prędkości, temperatury i sposobu odkształcenia,

• warunków obróbki cieplnej: temperatury i czasu wyżarzania, szybkości

nagrzewania i chłodzenia. Temperaturę rekrystalizacji 7"_r wyraża zależność:gdzie: a - współczynnik (a = 0,35-0,60), T, - temperatura topnienia, K. Temperaturę rekrystalizacji T_r można wyznaczyć:

• przez pomiar twardości,

• za pomocą obserwacji mikroskopowych,

• metodą rentgenograficzną.

Podczas rekrystalizacji zachodzą podstawowe procesy strukturalne:

• dyfuzja i anihilacja defektów punktowych,

• przegrupowywanie dyslokacji wywołane poślizgiem; dyslokacje prze­ciwnych znaków anihilują, pętle dyslokacyjne się kurczą,

• pochłanianie dyslokacji i defektów punktowych przez migrujące fronty rekrystalizacji,

• przegrupowywanie dyslokacji z udziałem dyfuzji,

• rozrost ziarn wywołany migracją granic ziarn, prowadzący do zmniej-

szenia powierzchni granic. Podczas procesu rekrystalizacji można wyróżnić następujące okresy:

• zdrowienie,

• rekrystalizację pierwotną,

• rekrystalizację równomierną (rozrost ziarn),

• rekrystalizację wtórną

Zdrowienie to proces aktywowany cieplnie, zachodzący w materiale o zwiększonej gęstości defektów struktury krystalicznej, podczas którego wy­stępujące zmiany nie prowadzą do tworzenia się frontów rekrystalizacji i nie są związane z migracją frontów. Podczas zdrowienia natomiast zachodzi:

dyfuzja i anihilacja defektów punktowych, anihilacja dyslokacji o przeciwnych wektorach Burgersa, przegrupowywanie jednoimiennych dyslokacji krawędziowych w rów­noległe rzędy i powstawanie subziarn o zbliżonych orientacjach krysta­lograficznych (rys. 1), kurczenie się pętli dyslokacyjnych, wspinanie dyslokacji do granic ziarn i łączenie się subziarn

Zarodkowanie przez migrację granic podziarn

Zarodkami rekrystalizacji mogą być podziarna powstałe w procesie poligo-nizacji, tworzące z osnową granice dużego kąta (różnica orientacji z osnową 15-20°) i mające promień większy od promienia krytycznego. W wyniku migra­cji granic podziarn powstają zarodki rekrystalizacji. Teoria ta zakłada również możliwość zarodkowania przez wzrost podziarn. Przyczyną wzrostu podziarn jest różnica energii dyslokacji w granicach rosnącego ziarna (mniejsza energia) i energia izolowanej dyslokacji lub dyslokacji w granicach pochłanianego ziarna (większa energia). Granice rosnącego podziarna przyłączają pojedyncze dyslo­kacje lub granice podziarn, przez co wzrasta kąt dezorientacji pomiędzy rosną­cym ziarnem i jego otoczeniem, czemu towarzyszy wzrost energii na jednostkę powierzchni granic.

Zarodkowanie przez koalescencję podziarn

Koalescencja zachodzi przez zanikanie wspólnych granic podziarn oraz przemieszczanie się (wspinanie) dyslokacji z zanikających granic sąsiednich i dyfuzję atomów po granicach podziarn otaczających podziarna ulegające koalescencji .

Rekrystalizacja pierwotna zachodzi wskutek migracji szerokokątowych granic ziarn powstałych i rozrastających się nowo utworzonych zarodków. Koń­czy się powstaniem nowych ziarn w całej objętości materiału. Siły pędne, po­wodujące migrację szerokokątowych granic ziarn, powstają, gdy:

• występuje różnica gęstości dyslokacji po obu stronach granicy,

• występuje napięcie powierzchniowe granicy wywołane różnicą energii swobodnych po obu stronach granicy,

• następuje rozpad przesyconego roztworu na froncie reakcji,

• działa pole magnetyczne (w przypadku materiałów ferro- lub parama­gnetycznych cechujących się znaczną anizotropią właściwości magne­tycznych).

Rekrystalizacja wtórna. Rozrost ziarn polega na wzroście średniej wielkości ziarna w materiale jednofazowym lub średniej wielkości ziarn osnowy w materiale z cząstkami drugiej fazy. Rozrost ziarn zależy od:

• zróżnicowania wielkości i kształtu ziarn,

• dążenia układu do zmniejszenia energii swobodnej układu,

• temperatury, od której zależy ruchliwość granic.

Rekrystalizacja wtórna

Zachodzi w wyniku nagrzewania materiału do temperatury wyższej o kilka­set stopni od temperatury rekrystalizacji. Niejednorodność mikrostruktury, wy­wołana selektywnym rozrostem niewielu ziarn do bardzo dużych rozmiarów (w porównaniu ze średnią wielkością ziarna), powoduje zmniejszenie właściwo­ści mechanicznych metali. Jedynie w przypadku stali krzemowych (3,6-4,5% krzemu), stopów Fe-Ni i metali stosowanych na półprzewodniki wykorzystuje się proces rekrystalizacji wtórnej do uzyskania korzystnych właściwości ma­gnetycznych.

Rekrystalizacja wtórna charakteryzuje się:

• występowaniem okresu inkubacyjnego,

• możliwością zajścia tylko w przypadku zatrzymania normalnego rozrostu ziarn,

• występowaniem tekstury, która różni się od tekstury rekrystalizacji pier­wotnej,

• koniecznością nagrzewania do pewnej temperatury wyższej od tempera­tury rekrystalizacji,

• rozrostem tych ziarn powstałych podczas rekrystalizacji pierwotnej lub równomiernej, które są większe od ziarn średniej wielkości.

Na przebieg procesu rekrystalizacji istotny wpływ wywiera wielkość od­kształcenia plastycznego. Do zainicjowania rekrystalizacji jest wymagany pe­wien minimalny gniot nazywany gniotem krytycznym.

Gniot krytyczny dla metali i ich stopów wynosi zwykle 2-15%. Z reguły należy unikać podczas przeróbki plastycznej stosowania gniotów krytycznych, gdyż powodują one tworzenie się mikrostruktury gruboziarnistej pogarszającej właściwości mechaniczne i jakość powierzchni metali.

Pojęcie „przeróbka plastyczna na gorąco" obejmuje procesy odkształcania metali powyżej temperatury rekrystalizacji. Odkształcanie metali poniżej tempe­ratury rekrystalizacji jest nazywane „przeróbką plastyczną na zimno". Praktycz­nym aspektem rekrystalizacji jest wyżarzanie rekrystalizujące, które ma na celu usunięcie skutków odkształcenia plastycznego, czyli przywrócenie plastyczności metalom umocnionym w wyniku odkształcenia na zimno.

---