Рост зерен.

Рост зерен связан со стремлением системы к более равновесному состоянию с меньшей свободной энергией. В соответствии с этим в литом металле шва после завершения кристаллизации и в металле ЗТВ при нагреве происходят изменения в положении границ зерен, приводящие к снижению их поверхностной энергии. Последнее достигается за счет уменьшения суммарной поверхности зерен. Она уменьшается в результате выравнивания волнистых участков на границах и уменьшения количества зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 1). Этот процесс называется собирательной или вторичной рекристаллизацией. Рекристаллизация реализуется в результате смещения или миграции отдельных участков или полностью границ зерен.

Степень миграции границ зерен определяется движущими силами миграции, подвижностью границ и временем пребывания металла в области температур высокой диффузионной подвижностью атомов. Движущая сила миграции определяется разницей свободных энергий границ в данном неравновесном и равновесном (после полного завершения миграции) состояниях. При прочих равных условиях движущая сила зависит главным образом от конфигурации граничных поверхностей, характеризуемой количеством участков с повышенной кривизной в макро- и микроскопическом плане. Движущая сила на отдельных участках границы пропорциональна их суммарной кривизне 1/R1 + 1/R2, где R1 и R2 — радиусы кривизны в двух взаимоперпендикулярных направлениях. Мигрирующая граница движется обычно к центру максимальной кривизны (рис. 1).

Подвижность границ является функцией строения границ, а также концентрации на них примесей. По современным представлениям, миграция границ происходит в результате элементарных актов переноса единичных атомов через границу. Миграция границ является термически активируемым процессом. Для перехода от одного зерна к другому атом должен обладать некоторым избытком энергии, т. е. энергией активации. При этом частота перехода атомов, а следовательно, и скорость миграции увеличиваются с повышением температуры.

Схема выравнивания границ зерен (а), изменение формы и размера зерен (б)
Рис. 1. Схема выравнивания границ зерен (а), изменение формы и размера зерен (б)

Спрямление границ зерен в результате обмена атомов и вакансий
Рис. 2. Спрямление границ зерен в результате обмена атомов и вакансий

Близость энергии активации миграции к энергии активации самодиффузионных процессов свидетельствует о том, что миграция границ контролируется направленным перемещением вакансий. Другими словами движение границы представляет процесс обмена атомов и вакансий (рис. 2). По мере разори ентации границы и увеличения степени искажения решеток в приграничных зонах доля энергии активации, связанная с образованием и перемещением вакансий, будет уменьшаться. Общая энергия активации миграции будет приближаться к энергии активации самодиффузий по границам. В соответствии с этим большеугловые границы более подвижны, чем малоугловые. В условиях неравномерного распределения температуры, например при сварке, отмечают, что наиболее интенсивная миграция границ происходит в направлении тепловых потоков. Это, вероятно, обусловлено направленным потоком вакансий от более нагретого к менее нагретому участку металла.

В сплавах типа твердых растворов скорость миграции границ практически всегда на несколько порядков меньше, чем в чистых металлах. При переходе от чистых металлов к слабым растворам (содержание примесей менее 0,001 %) скорость миграции резко уменьшается. При больших концентрациях примеси перестают существенно влиять на дальнейшее уменьшение скорости движения границ.

Существенное торможение движущихся границ имеет место при наличии нерастворимых примесей, частиц второй фазы или неметаллических включений. При приближении границы к частицам между ними возникают силы притяжения, в результате чего радиус кривизны соответствующего участка границы изменяет свое направление (рис. 3). Это уменьшает общую движущую силу границы, что приводит к понижению скорости ее миграции в целом. При встрече границы с частицей силы притяжения достигают максимума. Они зависят от поверхностного натяжения раздела граница — частица и радиуса частицы. Если движущая сила границы больше силы ее притяжения, то граница оторвется от включения. В противном случае она будет остановлена включением. Наиболее эффективно границы тормозят мелкие частицы. В то же время вероятность остановки границ возрастает с увеличением размера зерен. Миграция границ при условии длительного пребывания металла при высоких температурах продолжается до установления равновесного состояния.

Схема торможения движущейся границы частицами второй фазы
Рис. 3. Схема торможения движущейся границы частицами второй фазы:
1 - движущаяся граница, 2 - частицы второй фазы, 3 - этапы прохождения границы через частицы фазы

В холоднодеформированном металле при нагреве миграция границ зерен и изменение размера и формы зерен имеют свои специфические особенности. В этом случае получает развитие процесс рекристаллизации обработки или первичной рекристаллизации. Движущей силой процесса является накопленная при пластической деформации энергия, связанная в основном с образованием дислокаций высокой плотности (до 1011 — 1012 см-2). Рекристаллизация обработки приводит к образованию новых равновесных зерен с обновленной кристаллической решеткой. При этом свободная энергия рекристаллизованного металла становится меньше, чем деформированного, вследствие уменьшения плотности дислокаций (до 106 — 108 см-2). Процесс состоит из образования зародышей новых зерен и их роста. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия деформации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ. Поэтому рекристаллизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их количества по сравнению с деформированным металлом.

Рекристаллизация начинается при нагреве свыше температуры рекристаллизации Тр, составляющей 0,47 Tпл К, т. е. когда становится заметной скорость самодиффузии. Процесс является термически активированным. Поэтому процесс получает развитие в металле, претерпевшем определенную критическую пластическую деформацию (около 5—10 %), т. е. после накопления в металле некоторого минимума энергии. С увеличением степени деформации снижается энергия активации рекристаллизации и несколько понижается Тр. Это приводит к увеличению скорости рекристаллизации.






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.