Transcript Rekrystalizace_2h_1cast

Fyzika materiálů II
Zotavení a rekrystalizace
1.část
Robert Král
[email protected]
Zotavení a rekrystalizace
Termomechanické zpracování kovů a slitin spočívá v různých
kombinacích
 tváření (za studena či za tepla)
 žíhání a
 způsobů ochlazování materiálu
 chladnutí v peci
 volné chladnutí na vzduchu
 prudké ochlazení – kalení
Výrazným průvodním jevem tváření za studena (T  0,3 Tm , kde
Tm je teplota tání) je zpevňování materiálu.
Aby silně zpevněný materiál při dalším tváření nepraskal, je nutné
ho žíhat, aby došlo k odpevnění:
 statickému zotavení nebo ke
 statické rekrystalizaci.
Zotavení a rekrystalizace (2)
Průběh odpevnění při
izotermickém žíhání na obrázku.
Tváření za tepla, T  0,7 Tm
 podíl odpevnění velký
 mechanické a fyzikální
vlastnosti kovu se v průběhu
tváření příliš nemění
 vliv zpevnění je ještě v
průběhu deformace
kompenzován
 odpevněním
 dynamickým zotavením
 dynamickou rekrystalizací.
Obr. Odpevňovací křivky mědi
deformované za studena
v závislosti na době žíhání
při T=200 resp. 225 °C.
Statické zotavení
Děje & jimi vyvolané změny vlastností
- při žíhání deformačně zpevněného kovu
- do vzniku zrn s velkoúhl. hranicemi (charakterizují rekrystalizaci).
Podíl z celkové uložené deformační energie, který se zotavením
uvolní, silně závisí na čistotě kovu.
Potřeba porovnání teplotních oborů zpevnění či odpevnění u
různých slitin  místo konkrétní absolutní teploty, relativní tzv.
homologickou teplotní stupnici Θ nebo TH
T [K ]

Tm [ K ]
Statické zotavení již od homologické teploty Θ  0,3.
Příklad: pokojová teplota (~300 K)
 pro hliník již dosti vysoká (Θ  0,31), začíná probíhat zotavení
 pro ocel velmi nízká (Θ  0,16).
Zotavení bodových poruch
Zotavení probíhá při zvyšování teploty ve dvou fázích
 zotavení (anihilace) bodových poruch
 zotavení dislokací.
Uložená def. energie se nejdřív snižuje na úkor bodových poruch
 vakancí a divakancí
 intersticiálů
Nerovnovážná koncentrace bodových poruch vzniklých při
předchozí deformaci za studena se snižuje na rovnovážnou.
Vzájemná rekombinace vakancí a intersticiálů v uzlových bodech
krystalové mříže nebo anihilace bodových poruch v pastech
 hranové dislokace
 hranice zrn
 mezifázové hranice
 povrch materiálu
Mechanické vlastnosti materiálu se v této fázi příliš nemění.
Zotavení dislokací
Zvyšování teploty  navíc pochody vedoucí ke snižování energie
příslušející dislokacím.
Tepelná aktivace a difůze + působení vnitřních napěťových polí
 přeskupování dislokací
 anihilace dislokací opačného znaménka (šplhání, příčný skluz)
 vznik rovnovážných konfigurací dislokací stejného znaménka
ve formě dislokačních stěn:
Po anihilaci dislokací
Po deformaci
Obr. Zotavení ohnutého
monokrystalu obsahujícího
hranové dislokace
int7
Po vytvoření sklonových hranic
Zotavení dislokací (2)
Různý stupeň přerozdělení dislokací
 subzrna uvnitř původních deformačně zpevněných zrn
 více či méně dokonalá
 oddělená maloúhl. hranicemi = stěnami nebo sítěmi dislokací.
Mnohoúhelníkový tvar subzrn  toto poslední stádium zotavení
(před rekrystalizací) se nazývá POLYGONIZACE.
Spleti
dislokací
Tvorba
dislokačních
buněk
Anihilace
uvnitř
buněk
Vytvoření
subzrn
Obr. Stádia zotavení v deformovaném materiálu
Růst
subzrn
Zotavení dislokací (3)
Obr. Zotavení dislokací
ve slitině AA8006
(Al-Fe-Mn-Si); TEM
zotavená
struktura
dislokací
dislokační síť
Zotavení – metody zkoumání
Na procesy probíhající při zotavení můžeme usuzovat mj. z:
 tepla uvolněného při žíhaní (např. metoda DSC)
 změn elektrického odporu
Uvolněné teplo ΔW a změna elektrického odporu Δ
při žíhání mědi 99,98% tažené s redukcí 54% při -195 °C a 20 °C.
I – rekombinace intersticiálů a vakancí (~0,1 eV)
II – migrace skupin vakancí či intersticiálů (~0,3 eV)
III – migrace vakancí a dvojvakancí (~0,7 eV)
Hlavní maxima ΔW - rekrystalizace
Statická rekrystalizace
Další žíhání  za určitých podmínek na proces zotavení navazuje
primární rekrystalizace
= nahrazení původních deformovaných zrn materiálu novými
neporušenými krystaly mechanismem nukleace a růstu
 zárodky nových zrn migrací svých vysokoúhlových hranic
rostou směrem do deformovaného materiálu.
Čisté kovy - rekrystalizace od teplot Θ0.4.
Slitiny - brzdící vliv na migraci hranic zrn od:
 legujících prvků
 nečistot
 částic sekundárních fází (precipitátů, oxidů aj.)
 rekrystalizace až při teplotách Θ0.8.
Kinetika rekrystalizace
Kinetika rekrystalizace se obvykle sleduje za izoterm. podmínek.
Změna rekrystalizovaného podílu v závislosti na době žíhání t je
popsána obecnou Avramiho rovnicí:
X V  1  exp ( Kt n )
kde K je kinetický koef. a n kinetický exp.. Grafickým znázorněním
rovnice je tzv. „S“ křivka.
Obr. „S“ křivka mědi:
 T = 225°C;
 dvě velikosti zrna
 válcování s redukcí 93%
při RT
Kinetika rekrystalizace (2)
Obr. Transformací do
Avramiho souřadnic se
křivky mění v přímky.
Směrnicí je n.
Začátek i konec „S“ křivky
mají velmi malý sklon
 obtížné stanovit počátek
a konec transformace
 z praktických důvodů pro počátek a konec rekrystalizace např.
ΧV = 0,05 resp. ΧV = 0,95 (5 resp. 95% rekrystalizovaného podílu).
Tyto lze poměrně přesně zjistit experimentálně (je však možné
vybrat i jiné hodnoty – např. 0,01 resp. 0,99).
Z obr. je zřejmé, že k rekrystalizaci dochází až po určité inkubační
době, která je nutná pro vytvoření zárodků nových zrn bez poruch.
Avramiho rovnice
 „S“ křivka výše typická pro mnoho transformačních reakcí.
 Popis na základě konceptu současné nukleace a růstu.
 První práce Kolmogorov (1937), Johnson a Mehl (1939) a
Avrami (1939)  označení jako JMAK
Předpokládejme, že zárodky se vytvářejí rychlostí N

a zrna rostou do deformovaného materiálu lineární rychlostí G
Sférická zrna  objem roste s 3. mocninou průměru
 podíl rekrystalizovaného materiálu ΧV roste rychle s časem
V konečné fázi na sebe zrna narazí
 rychlost rekrystalizace  0, při ΧV  1
Zárodky nemohou vznikat v již rekrystalizovaných částech
 počet zárodků dN za určitý čas dt je nižší než N d t
Počet zárodků které by se objevily v rekryst. objemu je N  X V  d t
Avramiho rovnice (2)
Celkový počet zárodků (dN’), které by vznikly, včetně „fantómových“
dN   N d t  dN  N  X V  d t
(1)
Pokud V je objem rekrystalizovaného zrna v čase t, potom pro
objem materiálu, který by zrekrystalizoval pokud by fantómové
zárodky byly skutečné ΧVEX (extended volume), platí
t
X VEX   VdN 
(2)
0
Pokud inkubační doba je mnohem menší než t
X  f  G 3t 3
(3)
Kde f je tvarový faktor (4/3 pro koule). Tudíž
t
X VEX  fG 3  t 3 N dt
(4)
0
A pokud N je konstantní
X VEX
fN G 3t 4

4
(5)
Avramiho rovnice (3)
Za interval dt naroste ΧVEX o hodnotu dΧVEX . Jelikož nerekryst.
objem je 1-ΧVEX , platí dΧV = (1-ΧVEX)·dΧVEX neboli
d XV
d X VEX 
(6)
1 XV
XV
X VEX   dX VEX 
0
XV

0
dX V
1
  ln( 1  X V )  ln
1 X V
1 X V
X V  1  exp(1  X VEX )
A po dosazení z (5)
 fN G 3t 4 
X V  1  exp 

4


(7)
(8)
(9)
Obecněji ve tvaru
X V  1  exp(  Bt n )
což se nazývá Avramiho nebo JMAK rovnice
(10)
Avramiho rovnice (4)
Zrna rostou ve 3 dimenzích a N = konst.  exponent n=4 (viz (9))
N klesá s časem jako mocninná funkce  n=3 až 4.
Druhý limitní případ kromě N = konst. pokud klesá velmi rychle
 veškerá nukleace proběhne již na začátku rekrystalizace
= místně nasycená nukleace (site saturated nucleation)
 rovnice (5) má tvar
3

fN (Gt ) , kde N je počet zárodků.
 Avramiho exponent n je 3
Zrna nerostou izotropicky ve všech směrech  exponent n klesá
 2 dimenze  n=3 (n=2 při nasycené nukleaci)
 1 dimenze  n=2 (n=1 při nasycené nukleaci)
Náhodná nukleace pouze na hranicích zrn
 n klesá ze 4 (na počátku) až na 1
Nukleace a růst zrn
Zárodky nových zrn vznikají přednostně v místech s nejvyšší
hustotou uložené deformační energie
 hranice zrn
 spojnice 3 hranic zrn
 husté spleti dislokací uvnitř zrn
 skluzové a smykové pásy
Zárodky vznikají splýváním (koalescencí) žíhacích subzrn či
migrací hranic subzrn
 dosažení kritického poloměru zárodku
 hnací síla transformace dovolí vznik nové plochy hranice zrna.
Nová zrna rostou přemísťováním (migrací) velkoúhlových hranic,
až nová zrna nahradí původní deformovanou strukturu.
Růst zpočátku neomezený, od 15% rekrystalizovaného podílu se
začínají zrna rostoucí ze sousedních zárodků setkávat
 pohyb velkoúhlových hranic brzděn.
Primární a sekundární rekrystaliace
Primární rekrystalizace je ukončena
 nová zrna nahradí původní deformovanou matrici
 z materiálu se uvolní veškerá uložené deformační energie.
 odstraní se deformační zpevnění
 obnoví se vlastnosti před tvářením.
Po primární rekrystalizaci někdy sekundární rekrystalizace
 výrazné lokální zhrubnutí struktury rychlým nárůstem některých
zrn při žíhání po ukončení primární rekrystalizace.
 zrna o velikosti až několik desetin milimetru
Konstrukční materiály - sekundární rekrystalizace nežádoucí –
negativní vliv hrubého zrna na
 pevnostní charakteristiky
 houževnatost.
Schematické znázornění rekrystalizace
Deformovaný
stav
Plně
rekrystalizovaný
stav
Zotavení
(vznik subzrn)
Růst zrn
Obr. Schematické znázornění rekrystalizace
Nukleace
zárodků
Abnormální
růst zrn sekundární
rekrystalizace
Vliv parametrů na rekrystalizaci
Kinetika rekrystalizace i velikost rekrystalizovaných zrn 
 strukturní a fyzikální charakteristiky materiálu:
 čistota kovu
 příměsi
 existence sekundárních fází
 velikost zrn
 energie vrstevné chyby)
 vnější podmínky
 způsob deformace
 teplota deformace
 velikost deformace
 teplota žíhání
 doba žíhání
 rychlost ohřevu
Vliv parametrů na rekrystalizaci
Vliv hlavních parametrů na rekrystalizaci zformuloval Turnbull:
 K vyvolání rekrystalizace je nezbytná určitá minimální uložená
deformační energie (minimální zpevnění plastickou deformací).
  deformační zpevnění  pro stejný stupeň rekryst. nutná
 teplota (při stejné době žíhání).
  doba žíhání  pro stejný stupeň rekrystalizace stačí
 teplota (při stejném výchozím deformačním zpevnění)
  velikost výchozího zrna  pro stejný stupeň rekrystalizace
 teplota (při stejné době žíhání)
 Deformace nezbytná k dosažení určitého deformačního
zpevnění roste se zvyšující se teplotou deformace (platí do
rekrystalizační teploty).