Возврат. 
Физика металлов. 
Рекристаллизация металлов и сплавов

Возвратом в научной и технической литературе называют изменение (восстановление) при отжиге структуры кристалла, а следовательно и его физических и механических свойств, происходящее до зарождения и миграции болынеугловых границ зерен. Раньше в отечественной литературе выделяли в качестве первой стадии возврата отдых (аннигиляцию вакансий и перераспределение дислокаций скольжением). Термин «полигонизация» был введен Р. Капом при описании образования субзерен, возникающих при отжиге деформированных изгибом на стадии легкого скольжения монокристаллов Al, Zn и Mg. В таких монокристаллах есть избыток краевых дислокаций одного знака, т. е. тензорная плотность таких дислокаций отлична от нуля.

Движущей силой перехода нестабильной системы в более стабильное состояние является уменьшение свободной энергии в результате аннигиляции дефектов структуры или их перераспределения с образованием более энергетически выгодных конфигураций. Это становится возможным при повышении температуры. Уменьшение напряжения старта дислокаций в результате термической активации приводит к формированию более стабильных скоплений скольжением в плоскости залегания или поперечным скольжением.

Более существенным является уменьшение запасенной энергии в результате диффузии собственных точечных дефектов (главным образом вакансий). Причем их миграция к поверхности кристалла и межзеренным границам и аннигиляция на них дает значительно меньший эффект несмотря на то, что их концентрация понижается па несколько порядков (энергия точечных дефектов мала), чем аннигиляция на дислокациях, поскольку следствием этого становится переползание последних, аннигиляция части краевых дислокаций и образование оставшимися дислокациями одного знака дислокационных стенок — малоугловых границ субзерен (полигонов) с близкодействующими полями напряжений (рис. 2.1). Малая ширина поля исключает взаимодействие таких границ с вакансиями, а также с примесными атомами на значительном расстоянии. Миграция таких границ исключена (поглощение вакансий, если такое случается, приводит лишь к изменению расстояния между дислокациями в стенке. Образование таких устойчивых границ иногда называют стабилизирующей рекристаллизацией.

Рис. 2.1. Схема полигонизации:

а — хаотичное распределение краевых дислокаций в деформированном кристалле; б — плоские дислокационные стенки, образовавшиеся вследствие перераспределения дислокаций при нагреве деформированного кристалла Отжиг поликристаллов, а также монокристаллов, деформированных на стадии линейного упрочнения (множественного скольжения), тоже приводит к образованию полигональной структуры (рис. 2.2, а…г). Но механизм образования субзерен, естественно, иной: в них «превращаются» ячейки, возникающие при деформации.

Рис. 2.2. Стадии формирования субзеренной структуры при нагреве деформированного металла: а — исходная ячеистая структура; б — преобразование ячеистой структуры вследствие аннигиляции дислокаций в границах и внутри ячеек; в — субзеренная структура; г — рост субзсрсн (Ф. Дж. Хамфрейс, М. Хавсрли) Повышение температуры позволяет дислокациям смешаться в стенках, частично аннигилировать, частично перераспределяться — ячеистая структура деформированного кристалла становится субзеренной.

Как видно из рис. 2.3, ячейки в деформированном алюминии превращаются в полигоны при отжиге (270 С). Широкие сплетения дислокаций превращаются в узкие и преимущественно плоские 1раницы. Последнее свидетельствует о том, что взаимодействие дислокаций в стенках («границах») ячеек приводит не только к формированию узких границ, но и уменьшению их кривизны.

Рис. 2.3. Субструктура алюминия: а — деформация при минус 50 С на 70%; б — отжиг при 270 С (С. С. Горелик) Процессы, идущие при низкотемпературном отжиге деформированного кристалла, перечислены в табл. 2.1.

На рис. 2.4 приведена классификация процессов восстановления проводимости (наиболее чувствительного к изменению структуры кристалла), предложенная ван Бюреном на основании многочисленных экспериментальных исследований уменьшения электросопротивления при низкотемпературных отжигах золота и меди. Считается, что на первой стадии происходит рекомбинация слабо диссоциированных френкелевских пар, на второй — диффузия и аннигиляция при встрече с вакансиями краудионов и гантелей межузельных атомов.

Во времена ван Бюрепа полагали, что па третьей — диффузия и аннигиляция на дислокациях, поверхности кристалла и границах монои дивакансий. В металлах с ГЦК-решеткой и низкой энергией дефекта упаковки аннигиляция вакансий возможна также в результате захлопывания вакансионных дисков и роста тетраэдров дефектов упаковки.

Элементарные процессы, протекающие при нагреве деформированного металла

Таблица 2.1

В настоящее время считается, что на этой стадии происходит и перераспределение дислокаций без образования новых границ. На четвертой стадии идет полигонизация, на пятой — рекристаллизация. Следует отметить, что уменьшение при отжиге концентрации точечных дефектов (центров рассеяния электронов) дает меньший вклад в восстановление проводимости, чем уменьшение плотности дислокаций и увеличение размера зерен.

Рис. 2.4. Схема, иллюстрирующая восстановление электрического сопротивления в процессе возврата Кривые получены: а — после деформации; 6 — после закалки; в — после облучения; Q — энергия активации (ван Бюрен) На рис. 2.5 представлены результаты классических исследований процессов, происходящих при отжиге деформированной меди, выполненных еще в 50-х годах прошлого века и заслуженно кочующих из книги в книгу.

Рис. 2.5. Выделение запасенной энергии АР при нагреве меди, деформированной растяжением на 33% при комнатной температуре, а также изменение твердости HV, электросопротивления AR/R и плотности AD/D (Л. И. Клероборо, М. Е. Харгривс, М. X. Лоретто) Методом дифференциальной калориметрии показано, что выделение запасенной энергии началось приблизительно при 70 С и происходило постепенно до появления резкого пика несколько ниже 400 С, соответствующего рекристаллизации. В этом же температурном интервале наблюдаются значительные изменения электросопротивления, твердости и плотности, начинающиеся при более низких температурах отжига (области возврата). К настоящему времени исследованиями металлов, деформированных при низких (77 К) температурах, показано, что процессы возврата свойств идут уже при их отогреве до комнатной температуры.

Рис. 2.6. Схема срастания соседних малоугловых границ, приводящего к укрупнению субзсрсн.

С увеличением времени и повышением температуры отжига субзерна, образовавшиеся при полигонизации, стремятся укрупниться. Движущая сила этого процесса — уменьшение энергии субграниц. Экспериментально установлены два механизма этого укрупнения — мшрация субграниц и коалесценция субзерен (рис. 2.6, 2.7). На рис. 2.6 схематично изображен стык трех субзерен, разделенных границами Р, Р F Стрелками показаны направления, по которым должны смещаться (путем сочетания процессов скольжения и переползания) дислокации, участвующие в слиянии границ Р' и F

Коалесценция двух субзсрсн сопровождается исчезновением разделяющей их границы с одновременным разворотом решеток одного или обоих субзерен (рис. 2.7, а). Предполагается, что в «рассыпании» границы главную роль играет переползание дислокаций (рис. 2.7, а), а разворот решеток (рис. 2.7, б…г) необходим для того, чтобы образовалась единая ориентация решетки в области, в которой ранее находились разориентированные субзерна (угол разориентации может достигать 10). Скорость и степень возврата структуры и свойств металла определяется, в конечном счете, концентрацией вакансий и плотностью дислокаций в деформированном состоянии и подвижностью этих дефектов при отжиге.

Рис. 2.7. Стадии коалесцснции двух субзсрсн: а — исчезновение границы между субзернами; б — структура до коалесценции; в — поворот одного субзсриа относительно другого; г — структура после коалесцснции; д — структура после выпрямления субграниц вследствие их миграции Энергия активации миграции вакансий благородных металлов (Е_м меди 0,78 эВ, золота 0,81 эВ) значительно меньше, чем Е_м переходных металлов (у никеля 1,30 эВ, у железа 1,28 эВ). Именно поэтому неравновесная концентрация вакансий уменьшается в благородных металлах при более низких температурах отжига.

Так, запасенная энергия в золоте после деформации при 78 К значительно выше, чем после такой же деформации при комнатной температуре. В последнем случае вакансии «отжигаются» в процессе деформации.

Подавляющее число исследований возврата выполнено на чистых металлах, и влияние примесей на миграцию вакансий при отжиге после деформации изучено недостаточно. Однако существуют экспериментальные подтверждения естественного предположения, что при большой энергии связи комплекса «вакансия — примесный атом» сток вакансий к дислокациям может быть затруднен или даже подавлен. Причем это происходит в очень разбавленных твердых растворах: концентрация вакансий даже после интенсивной деформации порядка 10 .

Основными стоками вакансий являются дислокации, что обусловлено их дальнодействующими полями напряжений. Следует заметить, что повышение концентрации вакансий в результате деформации «сопровождается» увеличением плотности их стоков — дислокаций.

Скорость полигонизации зависит не только от коэффициента диффузии (подвижности вакансий), определяющим возможность переползания дислокаций, но и энергией дефектов упаковки, ответственной за интенсивность этого процесса, как и поперечного скольжения дислокаций.

Примесные атомы влияют на подвижность как вакансий, так и дислокаций и дислокационных субграпиц. Отметим, что влияние примесных атомов на подвижность субграниц значительно слабее, чем на подвижность дислокаций из-за малого размера полей напряжений субграниц.

Примесные атомы влияют на скорость возврата и потому, что они в значительной степени формируют дислокационную структуру кристалла при деформации. Их вклад зависит от таких его параметров, как тип кристаллической решетки легирующего элемента, энергия дефектов упаковки основы (возможность образования «химических» атмосфер), атомный диаметр и так далее. А это же определяет величину запасенной энергии — движущей силы возврата.

Возврат механических свойств до начала рекристаллизации зависит от изменения дислокационной структуры металла, а этот процесс в первую очередь определяется энергией дефектов упаковки. В а-латуни, ЭДУ которой мала, т. е. велика энергия расщепленных дислокаций, изменения дислокационной структуры не происходит — не наблюдается и разупрочнения. С другой стороны, возврат механических свойств (полный или частичный) характерен для металлов с высокой ЭДУ (Al, Fe).

Скорость возврата, как и других термически активируемых процессов, возрастает с повышением температуры. В первую очередь возврат происходит в наиболее сильно деформированных микрообъемах, т. е. с наибольшей запасенной энергией и наименьшей энергией активации.

Кинетика процесса возврата поликристаллического железа, предварительно деформированного растяжением, при различных температурах иллюстрируется графиками на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Кинетика возврата предела текучести образцов железа, деформированных при различных температурах (В. С. Лесли, Дж. Т. Михалак и др.) Величина (1 R) соответствует той доле приращения предела текучести, которая сохранилась после возврата. R = (а, — а) / (а_г — ао), где а_т — напряжение течения наклепанного кристалла, а — напряжение течения кристалла после возврата, ст₀ — начальное напряжение течения Скорость разупрочнения вначале максимальна, а затем постепенно уменьшается, а при более высоких температурах отжига становится постоянной. Доля разупрочнения R, которое может произойти за счет возврата при дорекристаллизационном отжиге, тем меньше, чем больше степень деформации. Отжиг при 300…400 С слабо деформированных монокристаллов алюминия приводит к их полному разупрочнению, а возврат механических свойств поликристаллов при этих же температурах происходит наполовину, т. е. степень возврата зависит от того, единичное (легкое) или множественное скольжение происходило при деформадии. Показательным в этом отношении является возврат механических свойств монокристаллов металлов с гексагональной решеткой: он происходит полностью даже после очень большой деформации растяжением, поскольку они деформируются легким скольжением (первая стадия продолжается до разрушения).

Возврат в металлах с высокой энергией дефектов упаковки, т. е. с «легко переползающими» дислокациями (Al, Fe) ускоряется, если в процессе отжига прикладывается напряжение (рис. 2.9). Возврат возможен и при горячей деформации (см. главу 5). В процессе отжига наблюдается возврат предела текучести, твердости и пластичности деформированных сплавов к уровню свойств, характерных для отожженного состояния. Наблюдающиеся аномалии (упрочнение при отжиге) объясняются образованием ближнего порядка.

Рис. 2.9. Неполный возврат в предварительно деформированном на 30% и отожженном при 225 С поликристаллическом алюминии (а) и под напряжением 6, 15, 25 МПа — б, в, г (П. X. Тхорнтон).

• [1] Эффективная энергия активации — это энергия активации суммарногопроцесса миграции дефектов разного типа.