» » Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации
27.12.2014

Как показано ранее, важную роль в процессе зарождения центров рекристаллизации в деформированных металлах играют участки с разупорядоченной структурой (границы зерен в поликристаллах, границы между включениями и матрицей и т. д.). Наличие таких мест облегчает образование первых центров рекристаллизации и приводит к тому, что параметр N имеет максимальное значение в начальные моменты отжига. В большом числе экспериментальных работ наблюдалось преимущественное зарождение на включениях, полосах деформации, границах зерен и т. д. В отличие от результатов предыдущей главы, они имеют в основном качественный характер. Поэтому модель зарождения, согласующаяся с экспериментом, должна прежде всего учитывать гетерогенность процесса, избирательность мест образования зародышей рекристаллизованных зерен. Первые теории зарождения, однако, были гомогенными и основывались на классической модели зарождения Вольмера. Модель гомогенного зарождения Вольмера исходит из предположения об образовании зародыша при конденсации группы атомов из газовой фазы. Эти представления впервые были применены к рекристаллизации Беккером, затем Орованом, Ориани и Бейли.
С точки зрения термодинамики устойчивость зародыша зависит от соотношения между поверхностной и объемной свободной энергией, которая благоприятствует его росту. Первый член пропорционален r2 (r — радиус сферического зародыша), второй — r3. При критическом размере rc зародыш становится центром рекристаллизации, способным к дальнейшему спонтанному росту.
Если зародыш образуется флуктуационным механизмом в пластически деформированном металле при отжиге, объемная свободная энергия состоит из суммы упругой энергии дислокаций и точечных дефектов, уменьшающейся при образовании новой, более совершенной решетки. Скорость зарождения описывается уравнением
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

где D — коэффициент самодиффузии; А=16π(γ3/3)*(ΔF)2 (γ — поверхностная энергия границы раздела «зародыш — матрица»; ΔF — свободная энергия на единицу объема, освобождающаяся при перестройке холоднодеформированной структуры в более совершенную структуру рекристаллизации).
Размер критического зародыша rc получается при равенстве членов, связанных с поверхностной и объемной энергией для малого изменения r:
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Орован показал, что, если у отнести к высокоугольной границе, a ΔF выбрать как среднюю величину, определенную из калориметрических измерений на меди, критический радиус rc составляет 5 мкм, а энергия активации процесса А≈10в8 эв. По мнению Орована, это абсурдно высокие величины. Такая энергия активации не может обеспечиваться случайным процессом. Кроме того, не может произойти одновременно такое большое количество атомных перемещений для образования новой решетки. Поэтому флуктуационная теория гомогенного зарождения нуждается в серьезных поправках.
Можно, однако, учесть тот экспериментальный факт, что зародыши образуются в участках с высокой плотностью дислокаций (гетерогенное зарождение). В этих участках AF может превышать среднюю величину приблизительно в 10 раз. Ho даже с учетом этого величина А остается довольно высокой (A≈10в6 эв), a rc≈500А — тоже слишком большая величина для случайных атомных флуктуаций.
Если зародыш образуется на включении, что неоднократно наблюдалось экспериментально, имеется сочетание большого радиуса кривизны с малым объемом. Большой радиус кривизны уменьшает вероятность «испарения» зародыша и, таким образом, повышается его стабильность. Никто, однако, не пытался рассчитать эту модель. Что касается эксперимента, то зародыши образуются на больших включениях (микроны и десятки микрон); это может быть обусловлено не кривизной, а повышенной плотностью дислокаций в таких участках.
Тот известный факт, что зародыши образуются в наиболее сильно искаженных участках кристаллической решетки, некоторые авторы связывают с наибольшим искривлением решетки в этих участках, в результате чего зародыш окружается высокоугольной границей в первые моменты роста, а высокоугольная граница обладает большой подвижностью. Критический размер зародыша, приведенный в работе, равен 150 А в матрице, содержащей ~10в12 дислокаций на 1 см2.
Флуктуационный механизм образования зародышей рекристаллизации с учетом гетерогенности зарождения может, в принципе, объяснить большинство имеющихся экспериментальных данных по зарождению. Однако образование центров рекристаллизации может происходить и иным, энергетически более выгодным путем. В последние годы широкое распространение получила идея об образовании центров рекристаллизации в результате роста субзерен при полигонизации в сильно изогнутых областях кристалла. Такая модель наиболее полно описана Бюргерсом. Впервые она была предложена в работе Бюргерса и Лоуверса и позднее получила поддержку в работах Кана и Коттрелла. Поэтому полигонизационный механизм зарождения часто называют механизмом Бюргерса—Кана—Коттрелла. В то время как некоторые авторы, например Бейли и Хирш, полностью отрицают полигонизационный механизм зарождения, в работе допускается такая возможность, несмотря на то, что авторы высказываются в пользу флуктуационного механизма. Полигонизационный механизм образования центров рекристаллизации наблюдался в ряде экспериментальных работ. Вальтер и Kox считают, что зародышами рекристаллизации становятся субзерна, выросшие при полигонизации.
Один из возможных механизмов роста субзерен был рассчитан Ли и состоит в исчезновении разделяющих субзерна субграниц посредством кооперативного переползания дислокаций и кооперативной диффузии вакансий (слияние субзерен). Рост субзерен в результате их слияния с постепенным увеличением разориентации по отношению к окружающей матрице до превращения полигонизованного участка в центр рекристаллизации наблюдался экспериментально в работах Фуджита и Xy при непосредственном отжиге тонкой металлической фольги в электронном микроскопе.
Если принять, что полигонизационный механизм зарождения Бюргерса—Кана—Коттрелла является единственно возможным при рекристаллизации деформированных металлов, то проведение предварительных поли-гонизационных отжигов, в течение которых формируются и растут субзерна, должно способствовать ускорению последующей рекристаллизации. Тем не менее во многих работах было экспериментально обнаружено тормозящее влияние предварительных отжигов на скорость последующей рекристаллизации. В некоторых случаях авторы не связывают это с полигонизацией. Ряд авторов экспериментально наблюдали высокую термическую стабильность полигонизованной матрицы. Например, в работе указывается, что в пластинах высокочистого алюминия (99,999% Al) направление роста при рекристаллизации деформированного монокристалла параллельно . В перпендикулярном направлении рекристаллизации не происходит; авторы наблюдали интенсивное развитие полигонизации, причем полигонизованные участки не рекристаллизуют. Авторы также отмечают высокую стабильность полигонизованных зерен в кремнистой стали (3% Si) после деформации прокаткой на 38%.
Как указывалось в предыдущей главе, в ряде работ наблюдалось замедление рекристаллизации на поздних стадиях отжига, что связыйалось авторами с одновременным протеканием возврата. Например, такой эффект отмечается в работе при рекристаллизации сплавов Al+Cu, в работе при изучении кинетики рекристаллизации сплава Al+ Al2O3.
Отмеченные факты не согласуются с гипотезой Бюргерса—Кана—Коттрелла. Как будет показано ниже, полигонизационный механизм зарождения, кроме того, приводит к слишком низким скоростям зарождения, не реализуемым в реальных массивных металлических образцах.
Бейли и Хирш предложили новый механизм зарождения, основанный на существовании выступов на границах зерен. Они показали, что неодинаковая плотность дислокаций по обе стороны границы приводит к образованию выступов. Для этого, однако, требуется, чтобы удовлетворялось определенное энергетическое соотношение. Если ΔE — разность удельной запасенной энергии деформации между двумя граничащими зернами, у — поверхностная энергия границы, А — площадь поверхности выступа, a dV/b3 — число атомных перемещений, требуемых для увеличения объема выступа на dV (b3 — атомный объем), то изменение свободной энергии системы ΔF при образовании выступа элементарного объема составит
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Если ΔFa — энергия активации, требуемая для того, чтобы возбудить атом, скорость переноса атомов через границу будет
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Поскольку количество межатомных расстояний на выступе границы составляет А/b2, общее количество атомных перемещений (dV/b3) за время dt будет
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Уравнение (48) определяет скорость роста выступов на границах. На рис. 48 изображена схема образования выступов на границе; R — радиус кривизны выступа. Из рис. 48 следует, что уравнение (48) можно переписать в виде
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Чтобы угол а увеличивался (а это будет наблюдаться при росте выступов), величина {ΔE—(2γ/L) sin α} должна быть положительной для всех значений α, т. е. для любых конфигураций выступов. Это требование аналогично требованию критического размера зародыша (для данного ΔE) — основному требованию флуктуационной теории. Ho рассматриваемая теория, в отличие от флуктуационной, не предполагает образования зародыша путем термических флуктуаций.
Если размер выступа (V1/3) изобразить в функции времени, скорость роста выступа будет проходить через минимум, когда 2α=180°. Если эту стадию выбрать как эффективный инкубационный период то, то эта величина окажется очень малой, но измеримой при определенных экспериментальных условиях. Малая величина τ0 не противоречит известным экспериментальным данным для поликристаллических материалов.
Бейли экспериментально наблюдал выступы описанного типа в холоднодеформированных и отожженных меди и серебре; в серебре L≈10в-4 см. В соответствии с данными Бейли и Хирша, в серебре, деформированном растяжением на 26%, запасенная энергия деформации равна 4 ккал/г*ат и γ≈400 эрг/см2. В этом случае L≥l/2*10в-4 см. Бейли и Хирш показали также, что предложенный ими механизм зарождения совместим с уравнением кинетики рекристаллизации Аврами: χ=1-exp (-Bτk).
Механизмы зарождения при первичной рекристаллизации

Интересно отметить, что механизм Бейли и Хирша идентичен механизму, описанному в работе для миграции границы, вызванной напряжениями. В этой работе выступы в алюминии наблюдались на поздних стадиях процесса и L≈10в-2/10в-1 см, т. е. намного больше, чем у Бейли и Хирша.
Рассмотренный механизм отличается от флуктуационного и полигонизационного тем, что предполагает образование в процессе рекристаллизации не новых высокоугольных границ, а лишь выступов на имеющихся границах зерен и не может достаточно строго объяснить возникновение новых ориентаций при рекристаллизации ГЦК-металлов.
Следует отметить, что в некоторых случаях извилины границ зерен связаны с деформацией материала внутри зерна. Образование новых рекристаллизованных зерен в этих участках не может быть обусловлено механизмом Бейли и Хирша.
Миграция выступов границ старых зерен (механизм Бейли и Хирша) наблюдалась в процессе выдержки при комнатной температуре свинца, деформированного на 30—60%. Авторы, однако, отмечают, что этот механизм реализуется редко и лишь на поздних стадиях отжига. Миграция старых границ без образования и роста зародышей новых зерен отмечалась в работе при рекристаллизации после фазового наклепа сплава Fe+Ni и в некоторых других работах.
Таким образом, механизм Бейли и Хирша более вероятен при рекристаллизации материалов, слабо упрочненных при повышенных температурах, хотя в некоторых случаях образование и рост выступов наблюдались в холоднодеформированных металлах. По-видимому, этот механизм не является преобладающим в тех случаях, когда в результате рекристаллизации образуется новая текстура. Некоторую роль он может играть на поздних стадиях процесса, когда энергетический стимул образования новых рекристаллизованных зерен оказывается сниженным благодаря параллельно протекающим процессам возврата.
Один из основных экспериментальных фактов, который не должен находиться в противоречии с действующим механизмом зарождения, — это образование новых кристаллографических ориентировок при первичной рекристаллизации. Из рассмотренных в настоящем параграфе механизмов лишь флуктуационный отвечает этому требованию. Полигонизационный механизм Бюргерса—Кана—Коттрелла исходит из предположения, что зародыш решетки, соответствующей по ориентации центру рекристаллизации, уже присутствует в деформированном состоянии. Однако полное изменение ориентации может произойти не только при зарождении нового зерна произвольной ориентации путем термических флуктуаций, но и при мартенситоподобной перестройке решетки путем кооперативного перемещения атомов. Еще в 1955 г. Роуланд показал, что изменение ориентации в ГЦК-решетке произойдет при множественном сдвиге вдоль плоскости {111} в направлении. Однородный блок решетки в этом случае преобразуется в две ГЦК-решетки. Бюргере и Вербраак предположили, что повторение преобразования Роуланда может явиться основным процессом при зарождении кубической текстуры в ГЦК-металлах, потому что таким путем участки ориентации {112}, присутствующие в холоднодеформированном металле, преобразуются в кубически ориентированные.
Вербраак описал эксперименты с прокатанными монокристаллами в поддержку этой гипотезы и разработал в общих чертах дислокационный механизм превращения. Более того, он оценил требуемую для превращения энергию активации.
В ряде экспериментальных работ поддерживается механизм Бюргерса—Вербраака. Однако следует учитывать, что он применим лишь в случае образования при рекристаллизации ГЦК-металлов кубической текстуры и требует для своего осуществления присутствия в деформированном металле определенного типа дислокаций. Поэтому мартенситоподобный механизм зарождения имеет лишь частное значение при рекристаллизации некоторых ГЦК-металлов с низкой энергией дефектов упаковки.
В работе проанализированы результаты адсорбции пор границами зерен при спекании. Авторы пришли к выводу, что должен существовать градиент концентрации вакансий между поверхностью поры и границей на некотором расстоянии от поры. Градиент концентрации будет вызывать диффузию вакансий. Влияние пор на диффузию вакансий при ползучести высокопрочного сплава показано и в работе.
Вакансии на границах зерен наблюдались рядом исследователей. В работе обнаружена более быстрая рекристаллизация меди, деформированной при субкритической температуре, по сравнению с образцами, деформированными при 20°С. Авторы объясняют это более высокой концентрацией вакансий после низкотемпературной деформации, так как при комнатной температуре в процессе деформации может происходить вакансионный отдых. Большая подвижность границ центров рекристаллизации в облученных металлах также связывается некоторыми авторами с повышенной концентрацией вакансий.
Следует отметить, что роль вакансий в зарождении при рекристаллизации деформированных металлов сомнительна, поскольку известно, что вакансионный отдых происходит на более ранних этапах отжига, чем образование центров рекристаллизации. Некоторую роль вакансии играют в ускорении полигонизации, связанной с переползанием дислокаций в ОЦК-металлах.
Таким образом, теоретические представления о механизме образования центров рекристаллизации весьма разнообразны. Некоторые авторы отмечают, что разная степень совершенства рекристаллизованных зерен в зависимости от экспериментальных условий может рассматриваться как свидетельство того, что в процессе рекристаллизации реализуется не один, а несколько механизмов зарождения.