Восстановление (металлургия)

В металлургии деформированные восстановление представляет собой процесс, посредством которого или сплава могут зерна металла уменьшить запасенную энергию путем удаления или перестановки дефектов в их кристаллической структуре . Эти дефекты, в первую очередь дислокации , возникают в результате пластической деформации материала и повышают предел текучести материала. Поскольку восстановление снижает плотность дислокаций, этот процесс обычно сопровождается снижением прочности материала и одновременным увеличением пластичности . В результате восстановление можно считать полезным или вредным в зависимости от обстоятельств.

Восстановление связано с аналогичными процессами рекристаллизации и роста зерен , каждый из которых является стадией отжига . Восстановление конкурирует с рекристаллизацией, поскольку оба они обусловлены запасенной энергией, но также считаются необходимой предпосылкой для зарождения рекристаллизованных зерен. Он назван так потому, что происходит восстановление электропроводности за счет уменьшения дислокаций. Это создает бездефектные каналы, увеличивая длину свободного пробега электронов .

Определение

Физические процессы, подпадающие под обозначения восстановления, рекристаллизации и роста зерен, часто трудно точно различить. Доэрти и др. (1998) заявил:

«Авторы согласились, что... восстановление можно определить как все процессы отжига, происходящие в деформированных материалах, которые происходят без миграции большеугловой границы зерна»

Таким образом, этот процесс можно отличить от рекристаллизации и роста зерен, поскольку оба они характеризуются обширным движением границ зерен под большим углом.

Если восстановление происходит во время деформации (ситуация, которая часто встречается при высокотемпературной обработке), то оно называется «динамическим», а восстановление, происходящее после обработки, называется «статическим». Принципиальное отличие состоит в том, что во время динамического восстановления накопленная энергия продолжает поступать, даже если она уменьшается в процессе восстановления, что приводит к форме динамического равновесия .

Процесс

Рис. 1. Аннигиляция и реорганизация массива краевых дислокаций в кристаллической решетке.

Рис. 2. Анимация аннигиляции и реорганизации краевых дислокаций в кристаллической решетке.

Деформированная структура

Сильно деформированный металл содержит огромное количество дислокаций, преимущественно захваченных в «клубки» или «леса». Движение дислокаций относительно затруднено в металле с низкой энергией дефекта упаковки , поэтому распределение дислокаций после деформации в значительной степени хаотично. Напротив, металлы с умеренной и высокой энергией дефекта упаковки, например алюминий, имеют тенденцию образовывать ячеистую структуру, стенки которой состоят из грубых переплетений дислокаций. Внутренности ячеек имеют соответственно пониженную плотность дислокаций.

Уничтожение

Каждая дислокация связана с полем деформации, которое вносит небольшой, но конечный вклад в накопленную материалом энергию. При повышении температуры – обычно ниже одной трети абсолютной точки плавления – дислокации становятся подвижными и способны скользить , поперечно смещаться и подниматься . Если встречаются две дислокации противоположного знака, они эффективно компенсируются, и их вклад в запасенную энергию устраняется. Когда аннигиляция завершится, останутся только избыточные дислокации одного вида.

Перестановка

После аннигиляции любые оставшиеся дислокации могут выстроиться в упорядоченные массивы, где их индивидуальный вклад в запасенную энергию уменьшается из-за перекрытия их полей деформации. Простейший случай — это массив краевых дислокаций с одинаковым вектором Бюргера. Этот идеализированный случай можно получить, сгибая монокристалл, который будет деформироваться в единой системе скольжения (первоначальный эксперимент, проведенный Каном в 1949 году). Краевые дислокации перестраиваются в границы наклона – простой пример малоугловой границы зерна . Теория границ зерен предсказывает, что увеличение разориентации границы увеличит энергию границы, но уменьшит энергию на дислокацию. Таким образом, существует движущая сила к созданию меньшего количества и более неправильно ориентированных границ. Ситуация с сильно деформированными поликристаллическими материалами, естественно, более сложная. Многие дислокации с разными векторами Бюргера могут взаимодействовать, образуя сложные двумерные сети.

Разработка подструктуры

Как упоминалось выше, деформированная структура часто представляет собой трехмерную ячеистую структуру со стенками, состоящими из клубков дислокаций. По мере восстановления эти клеточные стенки претерпят переход к истинной субзеренной структуре. Это происходит за счет постепенного устранения посторонних дислокаций и перестройки оставшихся дислокаций в малоугловые границы зерен.

За образованием субзерен следует укрупнение субзерен, при котором средний размер увеличивается, а количество субзерен уменьшается. Это уменьшает общую площадь границ зерен и, следовательно, запасенную энергию в материале. Субзеренное огрубление имеет много общего с ростом зерна.

Если субструктуру можно аппроксимировать массивом сферических субзерен радиуса R и граничной энергии γ _s ; запасенная энергия однородна; и сила на границе распределена равномерно, движущее давление P определяется выражением:

$P=-\alpha \;R{\frac {d}{dR}}\left({\frac {\gamma \;_{s}}{R}}\right)\,\!$

Поскольку γ _s зависит от разориентации границ окружающих субзерен, движущее давление обычно не остается постоянным на протяжении всего процесса укрупнения.

Ссылки

• Р. Д. Доэрти; Д.А. Хьюз; Ф. Дж. Хамфрис; Джей Джей Джонас; Д Юул Дженсон; М. Е. Касснер; МЫ Король; Т. Р. Макнелли; Х. Дж. Маккуин; А. Д. Роллетт (1997). «Актуальные проблемы рекристаллизации: обзор». Материаловедение и инженерия . А238 : 219–274.