Yeniden kristalleşme (metalurji) - Recrystallization (metallurgy)

kristalizasyon
temel bilgiler
Kristal  · Kristal yapı  · Çekirdeklenme
kavramlar
Kristalleşme  · Kristal büyümesi Yeniden kristalleşme  · Çekirdek kristal Protokristalin  · Tek kristal
Yöntemler ve teknoloji
Boules Bridgman–Stockbarger yöntemi Kristal çubuk işlemi Czochralski yöntemi Epitaksi  · Akı yöntemi Fraksiyonel kristalizasyon Fraksiyonel dondurma Hidrotermal sentez Kyropoulos yöntemi Lazerle ısıtılmış kaide büyümesi Mikro aşağı çekme Kristal büyümesinde şekillendirme işlemleri Kafatası potası Verneuil yöntemi Bölge eritme
v t e

Yeniden kristalleşme , deforme olmuş tanelerin , orijinal taneler tamamen tüketilene kadar çekirdeklenen ve büyüyen , hatasız yeni bir tane kümesiyle değiştirildiği bir işlemdir . Yeniden kristalleşmeye genellikle bir malzemenin mukavemetinde ve sertliğinde bir azalma ve aynı zamanda süneklikte bir artış eşlik eder . Bu nedenle proses, metallerin işlenmesinde kasıtlı bir adım olarak sunulabilir veya başka bir proses adımının istenmeyen bir yan ürünü olabilir. En önemli endüstriyel kullanımlar, daha önce sertleştirilmiş veya soğuk işlemle kırılgan hale getirilmiş metallerin yumuşatılması ve nihai üründeki tane yapısının kontrolüdür.

Tanım

Artan yeniden kristalleşme sıcaklığına maruz kaldıktan sonra bir Al-Mg-Mn alaşımında depolanan enerjinin üç EBSD haritası. Belirli bir süre boyunca yeniden kristalleşmiş tanelerin (ışık) hacim oranı sıcaklıkla artar. Luke Hagen

Yeniden kristalleşme, bir kristal yapının taneciklerinin yeni bir yapıya veya yeni bir kristal şekline gelmesi süreci olarak tanımlanır.

Yeniden kristalleşmenin kesin bir tanımını belirtmek zordur, çünkü süreç diğer birçok süreçle, özellikle de geri kazanım ve tane büyümesiyle güçlü bir şekilde ilişkilidir . Bazı durumlarda, bir sürecin başladığı ve diğerinin bittiği noktayı kesin olarak tanımlamak zordur. Doherty et al. (1997) yeniden kristalleşmeyi şu şekilde tanımlamıştır:

"... depolanmış deformasyon enerjisi tarafından yönlendirilen yüksek açılı tane sınırlarının oluşumu ve göçü ile deforme olmuş bir malzemede yeni bir tane yapısının oluşumu. Yüksek açılı sınırlar, 10-15°'den daha büyük bir yanlış yönlendirmeye sahip olanlardır"

Böylece süreç, geri kazanım (yüksek açılı tane sınırlarının göç etmediği) ve tane büyümesinden (itici gücün yalnızca sınır alanındaki azalmadan kaynaklandığı) ayırt edilebilir. Yeniden kristalleşme, deformasyon sırasında veya sonrasında (örneğin, soğutma veya sonraki ısıl işlem sırasında) meydana gelebilir. Birincisi dinamik olarak adlandırılırken ikincisi statik olarak adlandırılır . Ek olarak, yeniden kristalleşme, farklı yeni tanelerin oluştuğu ve büyüdüğü süreksiz bir şekilde veya mikro yapının kademeli olarak yeniden kristalleşmiş bir mikro yapıya dönüştüğü sürekli bir şekilde meydana gelebilir. Yeniden kristalleşme ve toparlanmanın meydana geldiği farklı mekanizmalar karmaşıktır ve çoğu durumda tartışmalıdır. Aşağıdaki açıklama öncelikle en klasik ve muhtemelen en çok anlaşılan çeşit olan statik süreksiz yeniden kristalleşmeye uygulanabilir. Ek mekanizmalar arasında ( geometrik ) dinamik yeniden kristalleşme ve gerinim kaynaklı sınır göçü yer alır .

İkincil yeniden kristalleşme , çok az sayıda {110}<001> (Goss) tanecik seçici olarak büyüdüğünde, diğer birçok birincil yeniden kristalleştirilmiş tane pahasına, yaklaşık 106 birincil tanede biri olduğunda meydana gelir. Bu , ürün malzeme özellikleri için faydalı veya zararlı olabilecek anormal tane büyümesi ile sonuçlanır. İkincil yeniden kristalleşmenin mekanizması, normal tane büyümesinin inhibitörler olarak adlandırılan ince çökeltiler tarafından engellenmesi yoluyla elde edilen küçük ve düzgün bir birincil tane boyutudur. Goss taneleri, 1934 dolaylarında tane odaklı elektrikli çeliğin mucidi Norman P. Goss'un onuruna verilmiştir .

Yeniden kristalleşme yasaları

Yeniden kristalleşmenin birkaç, büyük ölçüde ampirik yasaları vardır:

• Termal olarak aktif . Yeniden kristalleşmiş tanelerin çekirdeklenmesini ve büyümesini kontrol eden mikroskobik mekanizmaların hızı, tavlama sıcaklığına bağlıdır. Arrhenius tipi denklemler üstel bir ilişkiyi gösterir.
• Kritik sıcaklık . Önceki kuralı takiben, gerekli atomik mekanizmaların oluşması için yeniden kristalleşmenin minimum bir sıcaklık gerektirdiği bulunmuştur. Bu yeniden kristalleşme sıcaklığı tavlama süresi ile azalır.
• Kritik deformasyon . Malzemeye uygulanan önceki deformasyon, çekirdekleri ve büyümelerini sağlamak için yeterli depolanmış enerjiyi sağlamaya yeterli olmalıdır.
• Deformasyon kritik sıcaklığı etkiler . Önceki deformasyonun büyüklüğünü artırmak veya deformasyon sıcaklığını azaltmak, depolanan enerjiyi ve potansiyel çekirdek sayısını artıracaktır. Sonuç olarak, artan deformasyonla yeniden kristalleşme sıcaklığı düşecektir.
• İlk tane boyutu kritik sıcaklığı etkiler . Tane sınırları , çekirdeklerin oluşması için iyi yerlerdir. Tane boyutundaki bir artış daha az sınırla sonuçlandığından, bu çekirdeklenme hızında bir azalmaya ve dolayısıyla yeniden kristalleşme sıcaklığında bir artışa neden olur.
• Deformasyon son tane boyutunu etkiler . Deformasyonun arttırılması veya deformasyon sıcaklığının düşürülmesi, büyüme oranını arttırdığından daha hızlı çekirdeklenme oranını arttırır. Sonuç olarak, artan deformasyon ile nihai tane boyutu azalır.

itici güç

Plastik deformasyon sırasında yapılan iş, plastik deformasyon rejimindeki gerilme ve gerinmenin ayrılmaz bir parçasıdır. Bu çalışmanın büyük bir kısmı ısıya dönüştürülse de, bazı kısımlar (~1-%5) malzemede kusurlar, özellikle de dislokasyonlar olarak tutulur. Bu çıkıkların yeniden düzenlenmesi veya ortadan kaldırılması, sistemin iç enerjisini azaltacaktır ve bu nedenle bu tür işlemler için termodinamik bir itici güç vardır. Orta ila yüksek sıcaklıklarda, özellikle alüminyum ve nikel gibi yüksek istifleme hatası enerjisine sahip malzemelerde , geri kazanım kolayca gerçekleşir ve serbest dislokasyonlar kendilerini, düşük açılı tane sınırları ile çevrili alt taneler halinde kolayca yeniden düzenlerler. İtici güç, dislokasyon yoğunluğu veya alt tane boyutu ve sınır enerjisi ile belirlenebilen , deforme olmuş ve yeniden kristalleşmiş durum Δ E arasındaki enerji farkıdır (Doherty, 2005):

${\displaystyle \Delta \ E\yaklaşık \;\rho \;Gb^{2}\;{\rm {veya}}\;\yaklaşık \;3\gamma _{s}/d_{s}\,\ !}$

burada ρ dislokasyon yoğunluğu, G, kesme modülü, bir B olduğu Burgers vektörü , dislokasyonlar γ _s alt tane sınır enerji ve d _ler alt tane boyutudur.

çekirdeklenme

Metalik bir malzemenin yeniden kristalleştirilmesi (a → b) ve kristal tanecik büyümesi (b → c → d).

Tarihsel olarak, yeni yeniden kristalize edilmiş tanelerin çekirdeklenme hızının, katılaşma ve çökelme olayları için başarıyla kullanılan termal dalgalanma modeli tarafından belirleneceği varsayılmıştır . Bu teoride, atomların (sıcaklıkla artan) doğal hareketinin bir sonucu olarak , matriste kendiliğinden küçük çekirdeklerin ortaya çıkacağı varsayılır . Bu çekirdeklerin oluşumu, yeni bir ara yüzün oluşumundan kaynaklanan bir enerji gereksinimi ve yeni bir düşük enerji malzemesi hacminin oluşumundan kaynaklanan bir enerji serbest bırakılmasıyla ilişkilendirilecektir. Çekirdekler kritik bir yarıçaptan daha büyük olsaydı, termodinamik olarak kararlı olurdu ve büyümeye başlayabilirdi. Bu teoriyle ilgili temel problem, dislokasyonlardan dolayı depolanan enerjinin çok düşük (0.1-1 Jm ^-3 ) olmasına karşın tane sınırının enerjisinin oldukça yüksek (~0.5Jm ^-2 ) olmasıdır. Bu değerlere dayalı hesaplamalar, gözlemlenen çekirdeklenme hızının, hesaplanandan imkansız derecede büyük bir faktör (~10 ⁵⁰ ) tarafından daha büyük olduğunu buldu .

Sonuç olarak, 1949'da Cahn tarafından önerilen alternatif teori artık evrensel olarak kabul edilmektedir. Yeniden kristalize edilmiş taneler klasik tarzda çekirdeklenmezler, bunun yerine önceden var olan alt tanelerden ve hücrelerden büyürler. 'İnkübasyon süresi', düşük açılı sınırlara (<1-2°) sahip alt tanelerin dislokasyonları biriktirmeye başladığı ve komşularına göre giderek daha fazla yanlış yönlendirildiği bir iyileşme dönemidir. Yanlış yönlendirmedeki artış, sınırın hareketliliğini arttırır ve böylece alt tahılın büyüme hızı artar. Yerel bir bölgedeki bir alt tahıl komşularına göre bir avantaja sahip olursa (yerel olarak yüksek dislokasyon yoğunlukları, daha büyük bir boyut veya uygun yönelim gibi), bu alt tahıl rakiplerinden daha hızlı büyüyebilecektir. Büyüdükçe sınırı, tamamen yeni bir gerilimsiz tane olarak tanınana kadar çevreleyen malzemeye göre giderek daha fazla yanlış yönlendirilir.

kinetik

Yeniden kristalleşmiş hacim fraksiyonunun zamanla değişimi

Yeniden kristalleşme kinetiğinin genel olarak gösterilen profili takip ettiği gözlenir. Çekirdeklerin oluştuğu ve daha sonra deforme olmuş matrisi tüketen sabit bir hızda büyümeye başladığı bir başlangıç ​​'çekirdeklenme periyodu' t _{0 vardır} . Süreç, klasik çekirdeklenme teorisini sıkı bir şekilde takip etmese de, genellikle bu tür matematiksel açıklamaların en azından yakın bir yaklaşıklık sağladığı bulunur. Bir dizi küresel tane için , t anında ortalama R yarıçapı şöyledir (Humphreys ve Hatherly 2004):

${\displaystyle R=G\sol(t-t_{0}\sağ)\,\!}$

burada t ₀ çekirdeklenme zamanı ve G büyüme oranı dR/dt'dir. Zaman artışı dt'de N çekirdek oluşursa ve tanelerin küresel olduğu varsayılırsa, hacim oranı şöyle olacaktır:

${\displaystyle f={\frac {4}{3}}\pi \ {\dot {N}}G^{3}\int _{0}^{t}(t-t_{0})^{ 3}\,dt={\frac {\pi \ }{3}}{\dot {N}}G^{3}t^{4}\,\!}$

Bu denklem, f<<1 ve büyüyen tanelerin birbirini etkilemediği yeniden kristalleşmenin ilk aşamalarında geçerlidir . Taneler temas ettiğinde büyüme hızı yavaşlar ve Johnson-Mehl denklemi ile dönüştürülmemiş malzemenin (1-f) fraksiyonu ile ilişkilidir:

${\displaystyle f=1-\exp \sol(-{\frac {\pi \ }{3}}{\dot {N}}G^{3}t^{4}\sağ)\,\!}$

Bu denklem işlemin daha iyi bir tanımını sağlarken, tanelerin küresel olduğunu, çekirdeklenme ve büyüme oranlarının sabit olduğunu, çekirdeklerin rastgele dağıldığını ve çekirdeklenme süresinin t ₀ küçük olduğunu varsayar . Pratikte bunlardan çok azı gerçekten geçerlidir ve alternatif modellerin kullanılması gerekir.

Herhangi bir faydalı modelin yalnızca malzemenin başlangıç ​​durumunu değil, aynı zamanda büyüyen taneler, deforme olmuş matris ve herhangi bir ikinci faz veya diğer mikro yapısal faktörler arasındaki sürekli değişen ilişkiyi de hesaba katması gerektiği genel olarak kabul edilmektedir. Deformasyon ve yeniden kristalleşmenin aynı anda meydana geldiği dinamik sistemlerde durum daha da karmaşıktır. Sonuç olarak, kapsamlı deneysel testlere başvurmadan endüstriyel süreçler için doğru bir tahmin modeli üretmenin genellikle imkansız olduğu kanıtlanmıştır. Bu, gerçekte inşa edilmemiş endüstriyel ekipmanın kullanımını gerektirebileceğinden, bu yaklaşımla ilgili açık zorluklar vardır.

Oranı Etkileyen Faktörler

Tavlama sıcaklığı Yukarıdaki denklemlerde yansıtılır yeniden kristalizasyon oranı üzerinde belirgin bir etkiye sahiptir. Bununla birlikte, belirli bir sıcaklık için hızı etkileyecek birkaç ek faktör vardır.

Yeniden kristalleşme hızı, deformasyon miktarından ve daha az ölçüde, uygulanma biçiminden büyük ölçüde etkilenir. Ağır şekilde deforme olmuş malzemeler, daha az deforme olanlardan daha hızlı yeniden kristalleşecektir. Gerçekten de, belirli bir deformasyonun altında yeniden kristalleşme asla gerçekleşmeyebilir. Daha yüksek sıcaklıklarda deformasyon, aynı anda geri kazanıma izin verecek ve bu nedenle bu tür malzemeler, oda sıcaklığında deforme olanlardan daha yavaş yeniden kristalleşecek, örneğin kontrastlı sıcak ve soğuk haddeleme . Belirli durumlarda deformasyon olağandışı bir şekilde homojen olabilir veya yalnızca belirli kristalografik düzlemlerde meydana gelebilir . Yönlendirme gradyanlarının ve diğer heterojenitelerin olmaması, canlı çekirdeklerin oluşumunu engelleyebilir. 1970'lerdeki deneyler, molibdenin 0,3'lük gerçek bir gerilime deforme olduğunu , gerildiğinde en hızlı şekilde ve tel çekme , haddeleme ve sıkıştırma için azalan oranlarda yeniden kristalleştiğini buldu (Barto & Ebert 1971).

Bir tanenin oryantasyonu ve deformasyon sırasında oryantasyonun nasıl değiştiği, depolanan enerjinin birikimini ve dolayısıyla yeniden kristalleşme oranını etkiler. Tane sınırlarının hareketliliği oryantasyonlarından etkilenir ve bu nedenle bazı kristalografik dokular diğerlerinden daha hızlı büyümeye neden olur.

Hem kasıtlı eklemeler hem de safsızlıklar olan çözünen atomlar, yeniden kristalleşme kinetiği üzerinde derin bir etkiye sahiptir. Küçük konsantrasyonların bile önemli bir etkisi olabilir, örneğin %0,004 Fe yeniden kristalleşme sıcaklığını yaklaşık 100 °C arttırır (Humphreys ve Hatherly 2004). Bu etkinin temel olarak çekirdeklenmenin gecikmesinden mi yoksa tane sınırlarının hareketliliğindeki, yani büyümedeki azalmadan mı kaynaklandığı henüz bilinmemektedir.

İkinci aşamaların etkisi

Endüstriyel öneme sahip birçok alaşım, ya safsızlıkların bir sonucu olarak ya da kasıtlı alaşım ilavelerinden dolayı ikinci faz parçacıklarının bir miktar hacim fraksiyonuna sahiptir. Boyutlarına ve dağılımlarına bağlı olarak, bu tür parçacıklar yeniden kristalleşmeyi teşvik edebilir veya geciktirebilir.

Küçük parçacıklar

Yeniden kristalize edilmiş bir numunede küçük parçacıkların dağılımının tane boyutu üzerindeki etkisi. Minimum boyut, stabilize büyümenin kesiştiği noktada meydana gelir.

Hem düşük hem de yüksek açılı tane sınırlarında Zener pinlenmesi nedeniyle küçük, yakın aralıklı parçacıkların dağılmasıyla yeniden kristalleşme önlenir veya önemli ölçüde yavaşlatılır . Bu basınç, çıkık yoğunluğundan kaynaklanan itici kuvvete doğrudan karşı çıkar ve hem çekirdeklenme hem de büyüme kinetiğini etkiler. Etki , ikinci fazın hacim fraksiyonu ve r'nin yarıçap olduğu partikül dağılım seviyesine göre rasyonelleştirilebilir . Düşük tane boyutunda çekirdek sayısı belirlenir ve bu nedenle başlangıçta çok küçük olabilir. Bununla birlikte, taneler tane büyümesi açısından kararsızdır ve bu nedenle tanecikler onları durdurmak için yeterli iğneleme basıncı uygulayana kadar tavlama sırasında büyüyecektir. Orta derecede tane boyutu hala çekirdek sayısı tarafından belirlenir, ancak şimdi taneler normal büyümeye göre stabildir (anormal büyüme hala mümkündür). Yüksekte yeniden kristalleşmemiş deforme yapı kararlıdır ve yeniden kristalleşme bastırılır. ${\displaystyle F_{v}/r}$${\displaystyle F_{v}}$${\displaystyle F_{v}/r}$${\displaystyle F_{v}/r}$${\displaystyle F_{v}/r}$

Büyük parçacıklar

Büyük (1 um'nin üzerinde) deforme olmayan partiküllerin etrafındaki deformasyon alanları, yüksek dislokasyon yoğunlukları ve büyük oryantasyon gradyanları ile karakterize edilir ve bu nedenle yeniden kristalleşme çekirdeklerinin gelişimi için ideal yerlerdir. Parçacık uyarılı çekirdeklenme (PSN) olarak adlandırılan bu fenomen, parçacık dağılımını kontrol ederek yeniden kristalleşmeyi kontrol etmenin birkaç yolundan birini sağladığı için dikkate değerdir.

Parçacık boyutu ve hacim fraksiyonunun yeniden kristalleşmiş tane boyutu (solda) ve PSN rejimi (sağda) üzerindeki etkisi

Deforme olmuş bölgenin boyutu ve yanlış yönelimi parçacık boyutu ile ilgilidir ve bu nedenle çekirdeklenmeyi başlatmak için gereken minimum bir parçacık boyutu vardır. Deformasyonun kapsamının arttırılması, minimum parçacık boyutunu azaltacak ve boyut deformasyon uzayında bir PSN rejimine yol açacaktır. PSN'nin verimliliği bir ise (yani her parçacık bir çekirdeği uyarır), o zaman son tane boyutu basitçe parçacıkların sayısı ile belirlenecektir. Her parçacıkta birden fazla çekirdek oluşursa, bazen verim birden fazla olabilir, ancak bu nadirdir. Parçacıklar kritik boyuta yakınsa verim birden az olacaktır ve küçük parçacıkların büyük fraksiyonları yeniden kristalleşmeyi başlatmaktan ziyade gerçekten önleyecektir (yukarıya bakın).

Bimodal parçacık dağılımları

Geniş bir partikül boyutu dağılımı içeren malzemelerin yeniden kristalleşme davranışını tahmin etmek zor olabilir. Bu, parçacıkların termal olarak kararsız olduğu ve zamanla büyüyebileceği veya çözülebileceği alaşımlarda birleştirilir. Çeşitli sistemlerde, anormal tane büyümesi meydana gelebilir ve bu durum daha küçük kristaller pahasına olağandışı büyük kristalitlerin büyümesine neden olabilir. İki farklı parçacık popülasyonuna sahip iki modlu alaşımlarda durum daha basittir. Bir örnek, çok büyük (<5 µm) parçacıkların varlığında bile yeniden kristalleşme davranışına küçük parçacıkların hakim olduğunun gösterildiği Al-Si alaşımlarıdır (Chan & Humphreys 1984). Bu gibi durumlarda ortaya çıkan mikro yapı, yalnızca küçük parçacıklara sahip bir alaşımdan birine benzeme eğilimindedir.

Yeniden kristalleşme sıcaklığı

Yeniden kristalleşme sıcaklığı, belirli bir malzeme ve işleme koşulları için yeniden kristalleşmenin meydana gelebileceği sıcaklıktır. Bu, ayarlanmış bir sıcaklık değildir ve aşağıdakileri içeren faktörlere bağlıdır:

• Artan tavlama süresi yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürür
• Alaşımlar, saf metallerden daha yüksek yeniden kristalleşme sıcaklıklarına sahiptir.
• Artan soğuk iş miktarı yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürür
• Daha küçük soğuk işlenmiş tane boyutları yeniden kristalleşme sıcaklığını düşürür

Seçilmiş Metallerde Ortak Yeniden Kristalleşme Sıcaklıkları

Metal	Yeniden Kristalleşme Sıcaklığı ( ) ${\görüntüleme stili ^{o}C}$	Erime sıcaklığı ( ) ${\görüntüleme stili ^{o}C}$
Pb	-4	327
Al	150	660
Mg	200	650
Cu	200	1085
Fe	450	1538
W	1200	3410

Ayrıca bakınız

• Faz diyagramı

Referanslar

• RL Barto; LJ Ebert (1971). "Molibdenin yeniden kristalleşme kinetiği üzerinde deformasyon stres durumu etkileri". Metalurjik İşlemler . 2 (6): 1643-1649. Bibcode : 1971MT......2.1643B . doi : 10.1007/BF02913888 (31 Mayıs 2021 etkin değil).CS1 bakımı: Mayıs 2021 itibariyle DOI etkin değil ( bağlantı )
• HM Chan; FJ Humphreys (1984). "Bir çift modlu parçacık dağılımı içeren alüminyum-silikon alaşımlarının yeniden kristalleştirilmesi". Acta Metallurgica . 32 (2): 235–243. doi : 10.1016/0001-6160(84)90052-X .
• RD Doherty (2005). "Birincil Yeniden Kristalleşme". RW Cahn'da; et al. (ed.). Malzeme Ansiklopedisi: Bilim ve Teknoloji . Elsevier. s. 7847-7850.
• RD Doherty; DA Hughes; FJ Humphreys; JJ Jonas; D Juul Jenson; ME Kasner; BİZ Kral; TR McNelley; HJ McQueen; AD Rollett (1997). "Yeniden Kristalleşmede Güncel Sorunlar: Bir Gözden Geçirme". Malzeme Bilimi ve Mühendisliği . A238 : 219-274.
• FJ Humphreys; M Hatherly (2004). Yeniden kristalleşme ve ilgili tavlama olayları . Elsevier.