Rekrystalizacja metali

Rekrystalizacją nazywa się proces przywracania zgniecionemu metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz własności, które posiadał on przed przeróbką plastyczną.

Metal odkształcony plastycznie ma większą gęstość dyslokacji, a stąd większą energię wewnętrzną od metalu nie odkształconego. Dąży on więc do wyzwolenia nadmiaru energii, czyli przejścia ze stanu metastabilnego w stan równowagi termodynamicznej. W temperaturze pokojowej proces ten przebie-ga powoli, natomiast wzrost temperatury znacznie go przyśpiesza. Tylko niektóre odkształcone plastycznie metale, jak cynk, ołów, cyna, kadm stanowią w tym względzie wyjątek i już w temperaturze pokojowej może w nich z czasem nastąpić stan równowagi.

Powrót odkształconego plastycznie metalu do stanu równowagi można podzielić na zachodzące na siebie następujące etapy: 1) zdrowienie, 2) re-krystalizacja pierwotna, 3) rozrost ziaren, 4) rere-krystalizacja wtórna. W etapach tych następują zmiany własności metalu przedstawione na rys. 3.7.

Rys. 3.7. Zmiany własności metalu zależnie od temperatury wyżarzania po zgniocie: 1 — na-prężenia, 2 — umowna średnica ziarna, 3 — wytrzymałość na rozciąganie, 4 — wydłużenie

Rys. 3.8. Przegrupowania dyslokacji w czasie zdrowienia: a) poligonizacja, b) wspinanie się dyslokacji granicy podziania i jej zanik, 1,2,3 — kolejne stadia procesu

Zdrowienie przebiegające w stosunkowo niskich temperaturach charak-teryzuje się przegrupowaniem i zmniejszeniem gęstości dyslokacji, co zmniejsza energię wewnętrzną metalu. Dyslokacje różnoimienne o przeciwnych wek-torach Burgersa zanikają (anihilują). Jednocześnie dyslokacje krawędziowe o zgodnych wektorach Burgersa rozmieszczone po odkształceniu w po-szczególnych płaszczyznach sieciowych grupują się w równoległych rzędach w miejscach zwiększonych naprężeń, rys. 3.8. Zjawisko to doprowadzające do utworzenia granic małego kąta (podgranic bloków nieznacznie różniących się orientacją) nazywa się poligonizacją. Bloki wolne od dyslokacji rozrastają się przez „wspinanie" się dyslokacji wzdłuż podgranic (rys. 3.8b) aż do ich zaniku.

W wyniku zdrowienia własności mechaniczne i struktura metalu obser-wowana pod mikroskopem optycznym w zasadzie nie zmieniają się. Zwiększa się przewodność elektryczna i zmniejsza potencjał elektrochemiczny metalu.

Znacznie zmniejszają się naprężenia wewnętrzne.

Rekrystalizacja następuje w wyższej temperaturze niż zdrowienie. Rekry-stalizacja pierwotna rozpoczyna się w odkształconym metalu w chwili utworze-nia pierwszych granic szerokokątnych. Rekrystalizację określa się jako powstawanie i przemieszczanie się szerokokątnych granic ziaren, z czym związane są procesy tworzenia i rozrostu zarodków nowych ziaren. Jak wykazały badania, zarodkowanie ziarn w procesie rekrystalizacji wykazuje następujące prawidłowości:

• zarodki tworzą się w sposób uprzywilejowany w obszarach o dużym odkształceniu (granice ziarn, pasma poślizgu, duże wtrącenia i wydzielenia),

• zarodkowanie zachodzi powyżej pewnego krytycznego stopnia odkształcenia i ze wzrostem odkształcenia powyżej tej wartości zarodkowania zwiększa się,

• orientacja zarodków zachowuje statystyczną zależność od zgniecionej osnowy,

• prędkość zarodkowania zwiększa się z prędkością nagrzewania.

62

Zarodki rozrastają się kosztem ziarn zgniecionych. Proces podobny do krystalizacji z fazy ciekłej przebiega aż do całkowitego przekrystalizowania metalu. Struktura metalu po przekrystalizowaniu składa się ponownie z ziaren równoosiowych, o zmniejszonej w porównaniu ze stanem zgniecionym gęstości dyslokacji, ale zdolnych do ruchu i rozmnażania się. Podczas rekrystalizacji zanikają całkowicie linie i pasma poślizgu w ziarnach, natomiast pozostają bliźniaki. Prędkość wzrostu ziarn rekrystalizujących nie jest równomierna.

Najszybciej wzrastają zarodki o korzystnej orientacji względem ziarn zgniecio-nych. Efekt ten jest potęgowany zwiększeniem stopnia zgniotu. Z tego względu metal zrekrystalizowany po dużych stopniach zgniotu, posiadający wyraźną teksturę odkształcenia po zrekrystalizowaniu, wykazuje teksturę rekrystalizacji i odpowiednio do kierunku wycięcia próbki zróżnicowane własności mecha-niczne.

Najniższa temperatura, w której zaczyna się proces — zwana temperaturą rekrystalizacji Tr - zależy od temperatury topnienia Tt i wyraża się wzorem empirycznym Boczwara

Tr = (0,35-0,59) Tt [K]

Zależność Tr od Tt dla różnych metali pokazano na rys. 3.9.

Temperatura rekrystalizacji jest tym niższa, im większy jest stopień zgniotu, tzn., że większe odchylenie od stanu równowagi ustępuje pod wpływem słabszego impulsu, rys. 3.10. Zanieczyszczenia metali technicznych podwyższają Tr ponieważ atomy obce zmniejszają ruchliwość granic ziarn.

Rys. 3.9. Zależność temperatury rekrystalizacji od temperatury topnienia dla różnych metali

Rys. 3.10. Wpływ stopnia zgniotu na tem­

peraturę rekrystalizacji

Temperatura rekrystalizacji jest granicą między przeróbką plastyczną na zimno (w temperaturze poniżej Tr) i na gorąco (w temperaturze powyżej Tr).

Metal odkształcany poniżej temperatu-ry rektemperatu-rystalizacji umacnia się tym bar-dziej, im większy stopień zgniotu i niż-sza temperatura odkształcenia. Na-tomiast przerabiany plastycznie powy-żej temperatury rekrystalizacji jednocze-śnie zgniata się i rekrystalizuje, wskutek czego nie może być umocniony.

Niektóre metale niskotopliwe mają temperaturę rekrystalizacji niższą od

temperatury pokojowej, np. ołów, cyna. Takie metale odkształcone w tem-peraturze pokojowej nie umacniają się, gdyż temperatura ta jest dla nich wyższą od temperatury rekrystalizacji.

Zrekrystalizowane ziarna samorzutnie rozrastają się wskutek naturalnego dążenia układu do zmniejszenia swej energii wewnętrznej. Duże ziarno o mniejszej powierzchni na jednostkę swej objętości jest z punktu widzenia termodynamiki bardziej trwałe niż ziarno drobne. Dlatego też duże kryształy rozrastają się kosztem małych, aż do zaniku tych ostatnich. Rozrost ziarn następuje przez ruch granic dużego kąta: zwykle wklęsła granica dużego ziarna przesuwa się w kierun-ku swego ośrodka krzywizny, jak to przedstawiono na rys. 3.11. Duże ziarno o wklęsłej granicy rośnie kosztem ziarna mniejszego o wypukłej granicy. Kształt ziarna może być tego rodzaju, że z jednej strony będzie się ono rozrastać, a z drugiej zaś strony może być pochłaniane przez ziarna sąsiednie. Prędkość ruchu granic ziarn należy od temperatury i obecności domieszek atomów obcych oraz zanieczyszczeń. Wzrost temperatury przyśpiesza ruch granic ziarn, natomiast atomy obce w roztworze oraz zanieczyszczenia hamują ten ruch.

Rys. 3.11. Rozrost ziarn Rys. 3.12. Wpływ zgniotu na rozmiary ziarn po rekrystalizacji metalu

64

Niekiedy, po rekrystalizacji pierwotnej, w temperaturach znacznie prze-wyższających temperaturę rekrystalizacji może wystąpić rekrystalizacja wtór-na. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem ziarn małych.

Ziarna wtórne w krótkim czasie mogą uzyskać duże rozmiary, nawet do kilkuset mm2.

Warunkiem koniecznym wystąpienia rekrystalizacji wtórnej jest częściowe lub całkowite zahamowanie rozrostu ziarn pierwotnych w pewnym zakresie temperatur wyżarzania. Przyczynami tego zahamowania mogą być: obecność faz międzymetalicznych na granicach ziarn, zanieczyszczeń lub dostatecznie duża tekstura rekrystalizacji.

Rozmiary ziarn po rekrystalizacji zależą od stopnia zgniotu, temperatury i czasu wyżarzania oraz rozmiarów i rozkładu ziarn przed rekrystalizacją.

Głównym czynnikiem jest tu zgniot, a jego wpływ przedstawiono na rys. 3.12.

Jak widać na rysunku, przy małych stopniach zgniotu rozmiary ziaren nie zmieniają się po rekrystalizacji. Ze zwiększeniem stopnia zgniotu, aż do wartości zwanej krytyczną, rozmiary ziaren znacznie zwiększają się. Dopiero znaczne zwiększenie stopnia zgniotu silnie zmniejsza ziarna, tym bardziej, im większy był stopień zgniotu metalu przed rekrystalizacją. Wartość krytycz-nego stopnia zgniotu, zależnie od rodzaju metalu, wynosi 2—15%. Takiego stopnia zgniotu należy unikać przy przeróbce plastycznej na zimno, gdyż po wyżarzaniu rekrystalizacyjnym dla usunięcia skutków zgniotu otrzymuje się metal gruboziarnisty, o niekorzystnych własnościach mechanicznych.

Rys. 3.13. Wykres rekrystalizacji żelaza elektrolitycznego

Jak widać na rys. 3.7, im wyższa temperatura rekrystalizacji, tym większe powstają ziarna. Tak samo oddziałuje zwiększenie czasu rekrystałizacji. Łączny wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na rozmiary ziaren przedstawiono na rys. 3.13.

Im rozmiary ziaren przed rekrystalizacją są równomierniejsze, tym wolniej w czasie rekrystalizacji będzie przebiegał rozrost ziaren. W przeciwnym przypadku ziarna szybciej rozrastają się. Ten sam stopień zgniotu w czasie rekrystalizacji może wywołać rozdrobnienie ziarna, gdy metal był gruboziar-nisty lub zwiększenie rozmiarów ziarna, gdy metal był drobnoziargruboziar-nisty.

Jak widać na rys. 3.7, gwałtowna zmiana własności metalu powstaje w zakresie temperatur wyżarzania, w których kosztem materiału zgniecionego powstaje metal nieodkształcony, czyli w zakresie rekrystalizacji pierwotnej.

Dalsze niewielkie zmiany własności metalu przy wzroście temperatury rekry-stalizacji są związane z rozrostem ziarn.

Teoria odkształcenia plastycznego i rekrystalizacji metali ma duże znacze-nie praktyczne w produkcji

Przeróbką plastyczną na zimno wytwarza się wyroby metalowe o dokład-nych kształtach i wymiarach bez strat metalu, a występujące przy tym umocnienie daje zwiększenie wytrzymałości wyrobów. Niekiedy jednak koń-cowe ukształtowanie wyrobu wymaga dużych gniotów, które umacniały by metal tak dalece, że wskutek utraty plastyczności zamiast odkształcać się uległyby pękaniu. Aby temu zapobiec stosowane są gnioty stopniowe z między-operacyjnym wyżarzaniem rekrystalizującym, które usuwa skutki zgniotu na zimno i umożliwia dalszą przeróbkę plastyczną.

Niektóre półwyroby, jak np. blachy, pręty, druty, produkuje się w kilku stanach umocnienia, jak np.:

1) stan miękki — po całkowitej rekrystalizacji, 2) stan półtwardy — po małym zgniocie, 3) stan twardy — po dużym zgniocie.

Przeróbka plastyczna na gorąco umożliwia kształtowanie metalu znacz-nie mznacz-niejszymi naprężeniami, przy znacz-nieznacznej stracie metalu przez utleniaznacz-nie (np. dla stali 2 — 3%), lecz mniejszej dokładności kształtu i wymiarów wyro-bów, niż przy przeróbce plastycznej na zimno.

Odkształcenie metalu w temperaturze wyższej od temperatury rekry-stalizacji, czyli przeróbka plastyczna na gorąco z zasady powoduje jednocześ-nie dwa procesy: zgniot i rekrystalizację. Otrzymuje się strukturę całkowicie zrekrystalizowaną, gdy prędkość odkształcenia jest dostatecznie mała, tak aby podczas gniotu mogła zajść rekrystalizacja.

Rekrystalizacja zachodząca samorzutnie podczas eksploatacji konstrukcji metalowych jest niepożądana.