книги / Строение и свойства металлических сплавов

Рекристаллизация и диффузия

Как указывалось ранее, в процессе полигонизации сущест­ венной является диффузия и, следовательно, важную роль игра­ ют вакансии. При пластической деформации возникает их избы­ точная концентрация. При нагреве концентрация вакансий уменьшается: они мигрируют поодиночке или группами (парами или более сложными образованиями) и исчезают на дислокаци­ ях, на границах зерен, на поверхности образца. Скорость этого процесса при данной температуре зависит от структуры и соста­ ва металла. Перемещение вакансий определяет не только ско­ рость полигонизации, но и играет существенную роль в процес­ сах первичной рекристаллизации [146]. В работе [173] при элек­ тронномикроскопическом исследовании фольг алюминия высокой чистоты было замечено, что рекристаллизация происходит толь-

о

ко при толщине фольги больше 150 нм (1500 А); в более тонких фольгах не наблюдается даже образования зародышей рекри­ сталлизации. Это объяснялось тем, что при размере пластинок меньше некоторой критической величины отсутствуют избыточ­ ные вакансии, поскольку они успевают продиффундировать к поверхности.

Следует отметить, что энергия активации рекристаллизации во многих случаях, хотя и не всегда, совпадает с энергией акти­ вации самодиффузии (Новиков, Рогельберг [174]), что указыва­ ет на то, что диффузия во многих случаях контролирует процесс рекристаллизации.

Согласно работе Пинеса [177], рекристаллизация определяет­ ся направленным потоком вакансий. Подобно коэффициенту диф­ фузии, скорость рекристаллизации зависит от температуры экс­ поненциально. Совпадение величии энергии активации не озна­ чает, разумеется, физического подобия процессов. Энергия активации рекристаллизации не имеет ясного физического смыс­ ла, поскольку рекристаллизация определяет^ совокупностью процессов, главным из которых является рост участков с менее дефектным строением, зависящий от многих факторов. Образо­ вание новых зерен может, в частности, происходить путем роста субзерен в результате исчезновения границ, между ними путем коалесценции. Кроме процесса коалесценции субзерен, большое значение имеет, по-видимому, процесс миграции участков боль­ шеугловых границ исходных деформированных зерен.

В основе обоих механизмов — миграции большеугловых гра­ ниц или коалесценции субзерен — лежат процессы перемещения дислокаций, но они включают также и диффузию [147].

При исследовании миграции малоугловых границ [175] было установлено, что энергия активации этого процесса для случая цинка примерно равна 91 кдж/моль (22 ккал/моль), что близко к энергии активации самодиффузии. Был предложен механизм коалесценции субзерен, заключавшийся в их повороте с образо­

201

ванием большеугловых границ, который возможен за счет диф­ фузии.

В ряде работ наблюдалось ускорение диффузии при рекри­ сталлизации и получены данные о сложном характере изменения скорости диффузии в деформированном слое, когда параллельно с диффузией протекают различные стадии процесса рекристал­ лизации [147, 176].

В работе [177] ускорение диффузии при рекристаллизации связывают с тем, что на начальной стадии отдыха образуется значительное количество избыточных вакансий. Затем вакансии аннигилируют и начало собственно рекристаллизации уже не должно влиять на диффузию. Однако высказана другая точка зрения (Горелик [147])— о том, что вакансии участвуют не только в процессе отдыха, но еще больше в процессе первичной рекристаллизации.

Процесс рекристаллизации, как указывалось, связан с пере­ мещением границ зерен. Введение примесей, особенно в неболь­ ших количествах, существенно влияет на рекристаллизацию, обычно затрудняя ее (задерживая миграцию границ). В работе [59] изучалось положение атомов матрицы и примеси (замеще­ ния и внедрения) на границах зерен в процессе рекристаллиза­ ции. Для этой цели была разработана методика [178], позволив­ шая с помощью авторадиографии и металлографического ана­ лиза наблюдать за одним и тем же зерном. Было исследовано положение границ зерен при рекристаллизации чистых железа, никеля, молибдена, а также при наличии на границах зерен же­ леза различных примесей олова, никеля, вольфрама, углерода. Для проведения опыта образцы активировались с поверхности радиоактивным изотопом, а затем при относительно низких тем­ пературах производились диффузионное насыщение границ, де­ формация и нагрев до разных температур, при которых происхо­ дила рекристаллизация.

Анализ авторадиограмм и микроструктуры одного и того же участка образца до и после деформации (46%) показал, что по­ сле деформации зерна укрупняются, границы перемещаются, сохраняя, однако, свою конфигурацию. Наблюдается полное со­ ответствие между авторадиограммой и микроструктурой (рис. 79). Нагрев этого же образца при 700° С в течение 1 ч при­ водит к полному изменению металлографической структуры — возникают новые зерна меньшего размера (рис. 80). Рентгено­ структурный анализ и измерение твердости показывают, что рекристаллизация прошла полностью. Между тем авторадиогра­ фическая картина по сравнению с авторадиограммой деформи­ рованного образца не изменилась (рис. 80, а и 79, а). Произво­ дились также повторная деформация и рекристаллизационный отжиг и, наконец, фазовая кристаллизация — нагрев до 950° С в течение 1 ч (т. е. выше точки полиморфного превращения). После каждой из указанных обработок микроструктура изменя-

202