ТЕОРИЯ сварочных процессов

Процессы видоизменения границ зерен

В процессе охлаждения расположение границ зерен, как пра­вило, изменяется в результате процесса их миграции. После за­вершения охлаждения в большинстве случаев физические границы не совпадают с зонами срастания первичных кристаллитов - первичными границами (см. рис. 12.29, 12.30).

Выравнивание границ и рост зерен связаны со стремлением системы к более равновесному состоянию с меньшей свободной энергией. В соответствии с этим в литом металле после заверше­ния кристаллизации и в отожженном металле при нагреве проис­ходят изменения в положении границ зерен, приводящие к сниже­нию их поверхностной энергии. Последнее достигается вследствие уменьшения суммарной поверхности зерен в результате выравни­вания волнистых участков на границах и уменьшения числа зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 12.31, а). Этот процесс называ­ется собирательной или вторичной рекристаллизацией и реализу­ется в результате смещения или миграции границ зерен.

Рис. 12.31. Изменение формы и размеров зерен (<а), схема выравнивания границ зерен (6) и смещение стыка границ зерен (в)

Степень миграции границ зерен определяется движущими си­лами миграции, подвижностью границ и временем пребывания металла в области температур высокой диффузионной подвижно­сти атомов. Движущая сила миграции появляется вследствие нера­венства свободных энергий границ в данном неравновесном и рав­новесном (после полного завершения миграции) состояниях. При прочих равных условиях движущая сила миграции зависит глав­ным образом от конфигурации граничных поверхностей, характе­ризуемой числом участков с повышенной кривизной в макро - и микроскопическом плане. Движущая сила миграции на отдельных участках границы пропорциональна их суммарной кривизне l/R + + 1//?2, где R и /?2 - радиусы кривизны в двух взаимно перпенди­кулярных направлениях. Мигрирующая граница движется обычно к центру максимальной кривизны (рис. 12.31, б). Чем меньше чис­ло граней у зерна, тем больше их кривизна при заданном размере и тем интенсивнее идет миграция границ. На стыках границ зерна (для двумерной системы трех зерен) движущая сила миграции про­порциональна отклонению соотношения смежных углов от равно­весного. Последнему соответствует равенство углов между тремя границами, каждый из которых составляет 120° (рис. 12.31, в). В этом случае уравновешиваются силы поверхностного натяжения на стыкующихся участках границ, что соответствует наименьшему значению свободной энергии. Смещение стыка границ О в поло­жение О' приведет к искривлению границ. Это вызовет перемеще­ние границ в направлении к центру их кривизны до спрямления, т. е. зерно А будет расти за счет зерен В и С.

Подвижность границ зависит от их структуры, а также от кон­центрации на них примесей. По современным представлениям ми­грация границ происходит в результате элементарных актов пере­носа единичных атомов через границу.

Миграция границ - термически активируемый процесс. Для перехода от одного зерна к другому атом должен обладать некото­рым избытком энергии, т. е. энергией активации. При этом частота перехода атомов, а следовательно, и скорость миграции увеличи­ваются с повышением температуры.

Близость значений энергии активации миграции и энергии активации самодиффузионных процессов свидетельствует о том, что миграция границ контролируется направленным перемещени­ем вакансий. Другими словами, движение границы представляет собой процесс обмена местами между атомами и вакансиями (рис. 12.32). По своему атомному механизму и энергии активации миграция занимает некоторое промежуточное положение между
самодиффузией по границам зерен и самодиффузией в объеме зерен. В случаях малоугловых и специ­альных большеугловых границ зерен обмен местами атомов и вакансий происходит в малоиска­женных приграничных зонах, по­этому энергия активации мигра­ции границы будет близка к энергии активации объемной самодиффузии в кристаллической решетке. По мере разориентации границы и увеличения степени искажения кристаллических реше­ток в приграничных зонах доля энергии активации, связанная с образованием и перемещением вакансий, будет уменьшаться. Об­щая энергия активации миграции будет приближаться к энергии активации самодиффузии по границам зерен. В соответствии с этим большеугловые границы зерен более подвижны, чем малоуг­ловые и специальные. В условиях неравномерного распределения температуры, например при сварке, наиболее интенсивная мигра­ция границ зерен происходит в направлении тепловых потоков. Это, вероятно, обусловлено направленным потоком вакансий от более нагретого к менее нагретому участку металла.

Рассмотрим влияние примесей на подвижность границ. В ряде случаев примеси, концентрируясь на границах, существенно сни­жают их подвижность. В сплавах типа твердых растворов скорость миграции границ зерен практически всегда на несколько порядков меньше, чем в чистых металлах. При переходе от чистых металлов к слабым растворам (содержание примесей менее 0,001 %) ско­рость миграции границ зерен резко уменьшается. При достаточно больших концентрациях наличие примесей перестает существенно влиять на дальнейшее уменьшение скорости движения границ.

Довольно сильное торможение движущихся границ зерен про­исходит при наличии дисперсных частиц: нерастворимых примесей, второй фазы или неметаллических включений. При приближении границы зерна к дисперсной частице между ними возникает сила притяжения, в результате действия которой изменяется радиус кри­визны соответствующего участка границы зерна (рис. 12.33). Это уменьшает общую движущую силу, действующую на границу, что приводит к снижению скорости ее миграции в целом. При встрече
границы зерна с дисперсной частицей сила притяжения достигает максимума. Она за­висит от поверхностного натяжения на по­верхности раздела граница - частица и от радиуса частицы. Если движущая сила, дей­ствующая на границу, больше действующей на нее силы притяжения, то граница ото­рвется от дисперсной частицы (включения), в противном случае она будет остановлена включением. Условие остановки границ зерен, выведенное К. Зинером, выражается следующим соотношением:

*>1

/

где R и г - радиусы кривизны соответст­венно границ зерен и дисперсных частиц;

/ - доля объема, приходящаяся на дисперс­ную частицу.

Из этого соотношения следует, что наи­более эффективно тормозят границы зерен мелкие дисперсные час­тицы. В то же время вероятность остановки границ возрастает с увеличением размера зерен и доли частиц / Миграция границ зерен при условии длительного пребывания металла при высоких темпе­ратурах продолжается до установления равновесного состояния.

Для изотермических условий конечный радиус зерна г3 в ре­зультате нормального роста может быть приближенно рассчитан по формуле:

где г3о _ начальный радиус зерна; (7р - энергия активации собира­тельной рекристаллизации; Т, t - температура и время пребывания при температуре Т. Значения г3 о, и определяют эксперимен­тально.

В холоднодеформированном металле при нагреве миграция гра­ниц зерен и изменение их размера и формы имеют свои специфиче­ские особенности. В этом случае получает развитие процесс рекри-

сталлизации обработки или первичной рекристаллизации. Движу­щей силой процесса служит накопленная при пластической дефор­мации энергия, связанная в основном с образованием дислокаций,

1112-2

имеющих высокую плотность (до 10 ...10 см ). Рекристаллиза­ция обработки приводит к образованию новых равноосных зерен с обновленной кристаллической решеткой. При этом свободная энер­гия рекристаллизованного металла становится меньше, чем дефор­мированного, вследствие уменьшения плотности дислокаций 6 8 —2

(до 10 ...10 см ). Процесс рекристаллизации обработки представ­ляет собой образование зародышей новых зерен и их рост. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия деформации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ, поэтому рекристал­лизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их числа (по сравнению с числом зерен в том же объеме деформированного металла).

Рекристаллизация начинается при нагреве свыше температуры рекристаллизации Грек, составляющей 0,4ГПЛ, т. е. когда становит­ся заметной скорость самодиффузии. Процесс термически активи­рован, т. е. для образования зародышей зерен и их роста требуется определенная энергия активации, поэтому он развивается в метал­ле, претерпевшем определенную критическую пластическую де­формацию (около 5... 10 %), т. е. после накопления в металле неко­торого минимума энергии. С увеличением степени деформации снижается энергия активации рекристаллизации и несколько по­нижается температура рекристаллизации Грек. Это приводит к уве­личению скорости рекристаллизации.