Robert Král rkral @met.mff.cuni.cz

Robert Králrkral@met.mff.cuni.cz Fyzika materiálů IIZotavení a rekrystalizace1.část

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 Tmje 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 změnyvlastností • 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 • 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 int7 Obr. Zotavení ohnutého monokrystalu obsahujícího hranové dislokace Po vytvoření sklonových hranic

Zotavení dislokací (2) Různý stupeň přerozdělení dislokací • subzrnauvnitř 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 Růst subzrn Obr. Stádia zotavení v deformovaném materiálu

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 vlivna 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: 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 a zrna rostou do deformovaného materiálu lineární rychlostí 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 Počet zárodků které by se objevily v rekryst. objemu je

Avramiho rovnice (2) Celkový počet zárodků (dN’), které by vznikly, včetně „fantómových“ (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 (2) Pokud inkubační doba je mnohem menší než t (3) Kde f je tvarový faktor (4/3 pro koule). Tudíž (4) A pokud je konstantní (5)

Avramiho rovnice (3) Za interval dt naroste ΧVEX o hodnotu dΧVEX . Jelikož nerekryst. objem je 1-ΧVEX , platí dΧV = (1-ΧVEX)·dΧVEX neboli (6) (7) (8) A po dosazení z (5) (9) Obecněji ve tvaru (10) což se nazývá Avramiho nebo JMAK rovnice

Avramiho rovnice (4) Zrna rostou ve 3 dimenzích a = konst.  exponent n=4 (viz (9)) klesá s časem jako mocninná funkce  n=3 až 4. Druhý limitní případ kromě = konst. pokud klesá velmi rychle • veškerá nukleace proběhne již na začátku rekrystalizace = místně nasycená nukleace (site saturated nucleation) • rovnice (5) má tvar , 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 Zotavení (vznik subzrn) Nukleace zárodků Plně rekrystalizovaný stav Růst zrn Abnormální růst zrn - sekundární rekrystalizace Obr. Schematické znázornění 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).

Robert Král rkral @met.mff.cuni.cz