Рекристаллизация сплавов, влияние на структуру и свойства. Температура рекристаллизации по А.А. Бочвару

Рекристаллизация – возвращение свойств в первоначальное состояние в процессе нагрева наклёпанного металла. Процессы: уменьшение количества дефектов, рост зерна (до исходного). А.А. Бочвар показал: T_р = a·T_плК (в Кельвинах). Чем выше T_пл, тем выше T_р. Вольфрам, молибден – самые тугоплавкие Me. Если чистый Me - a» 0,2, механические смеси - a» 0,4, твёрдые растворы - a» 0,6, химические соединения - a» 0,8.

19. Диффузионные и бездиффузионные процессы в металлических сплавах, влияние на свойства.

Бездиффузионные характеризуются перемещением атомов в пределах элементарной ячейки крист. решётки, высокой скоростью. Диффузионные превращения характеризуются перемещением атомов на большие расстояния. Они ускоряются с повышением температуры. К таким процессам относят частичный расплав твёрдого раствора α₁ → α₂ +β.

20. Полиморфные превращения в сплавах. Влияние превращений на структуру и свойства.

Полиморфизм – свойство металла изменять свою кристаллическую решётку под влиянием внешних факторов (температура, давление). Feα Û Feγ. 42 металла имеют полиморфные превращения. Железо, титан, марганец, графит, алмаз, олово. Свойство используется при термической обработке.

Процесс разупрочнения металлов и сплавов происходит на стадии возврата и рекристаллизации, оказывает влияние на формирование структуры и свойств как в процессе высокотемпературной пластической деформации (в том числе и при ползучести), так и в результате отжига после холодной пластической деформации. Структура деформированного материала зависит от таких факторов как схема и условия деформации, ее степень, температура и скорость, кристаллическая структура, кристаллографическая ориентировка и химический состав материала, а также наличие нерастворимых примесей.

Основными параметрами первичной рекристаллизации являются температура начала (t ^H _p^o C), скорость процесса (G см/сек) и эффективная энергия активизации процесса (Q_эфф. ккал/г.град). Движущей силой первичной рекристаллизации является внутренняя объемная энергия, накопленная в процессе пластической деформации. С увеличением степени пластической деформации снижается температура начала рекристаллизации и увеличивается скорость процесса. В результате образуется мелкое зерно. Существенное влияние на рекристаллизацию оказывают нерастворимые примеси и легированные добавки, которые уменьшают скорость процесса и повышают (t^Н_Р). Скорость деформации также влияет на исходную структуру. С увеличением скорости увеличивается плотность дислокаций и степень упрочнения, при этом увеличиается скрытая (латентная) энергия, что ведет к увеличению скорости рекристаллизации и снижению (t^Н_Р).

В зависимости от степени пластической деформации процесс разупрочнения происходит рзличными механизмами. При небольших степенях деформации в металлах с высокой энергией дефекта упаковки (Э.Д.У), разупрочнение, как правило, происходит на стадии возврата (полигонизации). В металлах с низкой ЭДУ заметное разупрочнение наступает лишь с началом рекристаллизации. При больших степенях пластической деформации этот эффект менее выражен и разупрочнение в основном происходит на стадии рекристаллизации.

Таким образом, при выборе материалов для деталей машин, испытывающих различные нагрузки при различных, в том числе высоких температурах, необходимо учитывать, по возможности, факторы, оказывающие влияние на разупрочняющие процессы (полигонизация, рекристаллизация) с целью получения структуры и свойств материалов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

1. Превращение переохлажденного аустенита (распад аустенита)

При охлаждении стали с содержанием углерода 0,8% ниже А1 происходит растад аустенита с содержанием углерода 0,8% на феррит с содержанием 0% и цементит с с содержанием углерода 6,67%. В виду такой разницы содержание углерода в исходной образующейся фазе процесс распада носит диффузионный характер.

Движещей силой любого процесса является уменьшение свободной энергии системы. При температуре, равной А1 (727 0С) скорость диффузии максимальна. Разность свободных энергий старых и новых фаз

равна 0. Поэтому процесс превращения аустенита в перлит при температуре А1 происходить не будет.

При переохлаждении до температуры 200 0С разность свободных энергий максимальна, а скорость диффузии атомов железа практически равна 0, следовательно при этой температуре скорость превращения также равна 0, т.е. скорость превращения переохлажденного аустенита в перлит определяется 2 факторами: разностью свободных энергий старой и новой фаз и скоростью диффузии. Максимальная скорость превращения достигается предварительным охлаждением аустенита до 500 –5500С.Эту зависимость можно представить в виде диаграммы изотермического превращения аустенита.

Линии начала и конца превращения напоминают букву С и называются С-образные кривые. Эта диаграмма распада переохлажденного аустенита для эвтектоидной стадии. Левее линии начала превращения находится область устойчивого состояния переохлажденного аустенита с минимальной устойчивостью при t=500-5500C. В зависимости от степени переохлаждения на диаграмме выделяют перлитную область (при переохлаждении в интервале А1 (5500С);бейнитную область (в интервале t (550 – М4);и мартенситную область при температуре переохлаждения ниже линии М4.

2. Аустенит*, одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе (см. Железо). А. получил название по имени английского учёного У. Робертса-Остена (W. Roberts-Austen, 1843-1902). Кристаллическая решётка - куб с центрированными гранями. А. немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. В углеродистых сталях и чугунах А. устойчив выше 723^оC. В процессе охлаждения стали А. превращается в другие структурные составляющие. В железоуглеродистых сплавах, содержащих никель, марганец, хром в значительных количествах, А. может полностью сохраниться после охлаждения до комнатной температуры (например, нержавеющие хромоникелевые стали). В зависимости от состава стали и условий охлаждения А. может сохраниться частично в углеродистых или легированных сталях (т. н. остаточный А.).

Учение о превращениях А. берёт начало с открытий Д. К. Чернова (1868), впервые указавшего на их связь с критическими точками стали. При охлаждении ниже этих точек образуются фазы с иным взаимным расположением атомов в кристаллической решётке и, в некоторых случаях, с измененным химическим составом. Различают три области превращений А. В верхнем районе температур (723-550^оС) А. распадается с образованием перлита - эвтектоидной смеси, состоящей из перемежающихся пластин феррита (массовая концентрация углерода 0,02%) и цементита (концентрация углерода 6,7%). Перлитное превращение начинается после некоторой выдержки и при достаточном времени завершается полным распадом А. Ниже определенной температуры (Мн), зависящей от содержания углерода (для стали с 0,8% углерода около 240^оC), происходит мартенситное превращение А. (см. Мартенсит). Оно состоит в закономерной перестройке кристаллической решётки, при которой атомы не обмениваются местами. В интервале температур 550^оС - М_н происходит промежуточное (бейнитное) превращение А. Это превращение, как и перлитное, начинается после инкубационного периода и может быть подавлено быстрым охлаждением; оно, как и мартенситное, прекращается при постоянной температуре (некоторая часть А. сохраняется непревращённой) и сопровождается образованием характерного рельефа на поверхности шлифа. При промежуточном превращении упорядоченные перемещения металлических атомов сочетаются с диффузионным перераспределением атомов углерода в А. В результате образуется феррито-цементитная смесь, а часто и остаточный А. с измененным по сравнению со средним содержанием углерода. Цементит при промежуточном превращении может выделяться как из А. непосредственно, так и из пересыщенного углеродом феррита (см. Бейнит).

Превращение А. в сплавах с содержанием углерода св. 2%, в связи с наличием первичных образований цементита или графита, вызывает своеобразие получающихся структур (см. Чугун). Представление о кинетике превращений А. дают диаграммы, указывающие долю превратившегося А. в координатах температура - время. На диаграмме превращений легиров. А. четко разделены области перлитного (640-520^оC) и промежуточного (480-300^оC) превращений и имеется температурная зона высокой устойчивости А. (рис.). При перлитном превращении легированного А. во многих случаях образуется смесь феррита и специальных карбидов.

Рисунок Изотермическое превращение аустенита стали (диаграмма)

Легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают продолжительность инкубационного периода перлитного превращения.

Закономерности превращений А. используют при разработке легированных сталей различного назначения процессов термической и термомехалической обработки. Диаграммы превращений А. позволяют устанавливать режимы отжига сталей, охлаждения изделий, изотермической закалки и т. д.

Лит.: Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Энтин Р. И., Превращения аустенита в стали, М., 1960.