Рекристаллизация металла

Рекристаллизация металла
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

Рекристаллизация – это изменение физического состояния металла путем его нагрева до определенной температуры. Сначала металл плавится пластически, затем меняется его кристаллическая решетка. Так происходят процессы возврата или рекристаллизации.

По факту, рекристаллизация меняет физические и, соответственно, механические свойства металла. Состав молекул веществ в твердом состоянии бывает аморфным или кристаллическим. Например, стекло не имеет кристаллической решетки, а снежинка – это упорядоченное соединение молекул воды из-за снижения их внутренней энергии. Так же дело обстоит и в металлах.

Получить упорядоченное построение кристаллов в решетке какого-либо металла – сложная и тяжелая задача. Для ее выполнения необходимо строгое соблюдение заданных для каждого вида металла условий. Обычный металл имеет хаотичную структуру, состоящую из зерен разного размера и формы. Строение молекул сильно влияет на физические и механические свойства материала, а значит и изделий из него. Свойства металлов, их строение, условия изменения, их различные химические соединения изучаются в науке под названием «металловедение». Металловедение – один из разделов неорганической химии. Данный раздел стал научно разрабатываться только в начале XX века. До этого о свойствах металла специалисты знали только примерно, а знания по обработке собирались только благодаря собственному практическому опыту.

Процесс рекристаллизации металлов

Рекристаллизация необходима для снятия внутреннего напряжения между молекулами, их расщепления и последующего соединения в строго упорядоченном порядке, что сильно повышает плотность исходного материала.

Железо часто подвергается холодной обработке, такое воздействие уменьшает внутренние связи, что пагубно сказывается на прочности. Привести внутренние повреждения металлических элементов в норму можно с помощью рекристаллизационного обжига. Процесс приводит к изменению кристаллической решетки и образованию новых кристаллов, которые под продолжительным воздействием высоких температур растут за счет рядом стоящих зерен. Конечная их величина зависит от продолжительности температурного воздействия. При воздействии определенной высоты температуры атомы начинают двигаться, занимая более удобное положение в данном районе.

Для каждого вида металла рекристаллизация проходит по-своему, меняются:

  • скорость осуществления процесса;
  • температура, при которой начинает происходить рекристаллизация – порог;
  • последовательность изменений.

Металл нагревается постепенно, в конечном счете температура достигает отметки, при которой в материале начинается разрушение кристаллической решетки. Это называется порогом рекристаллизации. Цифра температурного порога зависит от наличия и количества различных примесей в металле.

Порог кристаллизации для алюминия – 100 градусов Цельсия, а для жесткого железа – 450 градусов по Цельсию, для меди – 250 градусов.

При этом не стоит путать температуру плавления определенного металла и температуру его рекристаллизации. Это разные вещи, хотя они и имеют определенную зависимость друг от друга. Порог рекристаллизации связан с температурой плавления через коэффициент, разный для каждого конкретного материала. Примерные показатели коэффициента:

  • практически чистые металлы, без примесей – 0,4;
  • металлы высокой чистоты – 0,1 – 0,2;
  • смешанные металлы – от 0,5 до 0,8.

Точные значения коэффициента для каждого вида металла находят в справочной литературе по металловедению.

Скорость рекристаллизации зависит от физических и химических свойств материала и определенных условий, в которых протекает процесс. На скорость влияют:

  • чистота и состав металла;
  • давление;
  • механические воздействия на материал.

Скорость определяет конечный результат преобразований рекристаллизации. Скорость превращения в большинстве случаев можно регулировать. Также бывают случаи, когда нужно резко остановить процесс охлаждением, чтобы зафиксировать нужные параметры размера зерен. В процесс вносят изменения с помощью различных добавок, например, серы или марганца.

Трансформаторная сталь формируется из крупных кристаллов, направленных в одну сторону. Этого достигают с помощью добавок во время процесса рекристаллизации. Такие добавки называются катализаторами.

Катализаторы, температура и давление создают необходимые условия для получения определенного размера и формы кристаллов, что придает металлам нужные физические свойства.

Стадии рекристаллизации

Процесс можно условно разделить на несколько этапов:

  1. Первичная рекристаллизация– на этой стадии создаются центры, в которых будет происходить рекристаллизация. Старые зерна связаны в неподвижную решетку, около них формируются новые уже с измененной решеткой. Когда температура увеличивается, возрастает и число новых зерен. Со временем они начинают доминировать, а затем старые зерна и вовсе исчезают. Двигает этот процесс энергия, накопленная в деформированном металле. Все это происходит при пластической деформации от нагревания металла. Поэтому данную стадию называют динамической. Скорость первичного этапа зависит от показателей температурных условий. Если они превышают порог рекристаллизации, процесс может занять несколько секунд.
  2. Собирательная рекристаллизация– массовый рост новых зерен. Движущей силой выступает внутренняя энергия каждого нового зерна. Энергия нарастает, аккумулируясь из зерен различной величины. Мелкие зерна делятся легче, поэтому накапливают больше энергии, чем крупные. Данный этап часто стимулируют добавлением катализаторов. Например, добавляют дисперсионный сульфид марганца.
  3. Вторичная кристаллизация – темпера повышается и от этого зерна уменьшаются. Процесс провоцирует быстрое увеличение числа центров вторичной кристаллизации.
  4. Конкуренция между вторичной и собирательной кристаллизацией – возникает при высоких температурах. Это приводит к укрупнению зерен, время выдержки увеличивается. Начинается предварительная деформация, примерно, в количестве 10% от начального состояния.
  5. Обжиг металлов – происходит для получения материала с необходимыми свойствами. Температура обжига может быть разной, в зависимости от состава рекристаллизуемого металла.
  • Сталь с малым содержанием углерода обжигается при температуре 700 градусов по Цельсию.
  • Алюминиевые сплавы – 350-450 градусов.
  • Латунь, бронза – 560-700 градусов по Цельсию.
  • Титан – 550-750 градусов.
  1. Метадинамическая рекристаллизация– процесс после горячего пластического изменения. Очередной рост новых зерен при активном процессе между статической и динамической рекристаллизацией. Появляются центры новых кристаллов, которые полностью формируются в процессе постепенного охлаждения металла.

Все этапы очень важны для создания правильной микроструктуры получаемого металла или сплава.

Пластичность любого металлического элемента зависит от свойств данного металла: разницы между предельными отметками прочности и текучести.

Эффекты от рекристаллизации

Хаотичная структура изначального металлического материала разрушается, приходит в движение, затем выстраивается в упорядоченные ряды. Образовавшиеся локусы заполняются новыми зернами. Большинство кристаллов приобретают одинаковый размер. Так улучшаются или восстанавливаются изначальные механические и физические характеристики:

  • прочность металла без примесей и однофазного сплава увеличивается;
  • поверхность заготовки получается более точных размеров и лучшего качества;
  • появляется возможность придать особые физические или механические свойства сплавам металлов или металлам, создать заготовки с заданным сечением;
  • устраняются любые дефекты литья в заготовках;
  • увеличвается прочность и вязкость любого материала, прошедшего рекристаллизацию;
  • у некоторых видов металлов появляются магнитные свойства;
  • металлические элементы становятся более пластичными и могут подвергаться изменению формы без критичных разрушений.
Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.