Вопрос 58. Первичная Рекристаллизация.

Рекристаллизация — происходящий в твердой фазе процесс роста одних кристаллов твердого тела при его термической обработке за счет других кристаллов.

Применяемые в технике материалы обычно являются поликристаллическими и состоят из многих кристаллов. Размер, количество кристаллов, их взаимная ориентация, характер межзеренных границ, т.е. все, что в совокупности называется микроструктурой кристаллического тела, является важнейшими параметрами любого поликристаллического тела. Следствием процесса рекристаллизации является изменение указанных параметров, этот процесс оказывает существенное влияние, как на ход синтеза технических продуктов, так и на их конечные свойства. Например, чрезмерный рост кристаллов часто ухудшает механические свойства керамики и огнеупоров, поскольку он вызывает увеличение напряжений на межзеренных границах. С другой стороны, снижение размеров кристаллов в материалах типа люминофоров приводит к ряду отрицательных для этого класса материалов последствий. Для улучшения некоторых электрических и магнитных свойств требуется получать материалы, содержащие как мелкие, так и крупные кристаллы. При производстве портландцемента следует стремиться к получению микроструктуры, сложенной из хорошо ограненных, не слишком мелких, но и не слишком крупных кристаллов.

Первичная рекристаллизация представляет собой процесс, при котором в твердом теле, подвергнутом пластической деформации, при нагревании происходит образование центров кристаллизации и последующий рост кристаллов, свободных от искажений, за счет кристаллов, искаженных при деформации. (напр. на всем кристалле кристаллическая решетка нарушена, а в одном месте есть ровная крист.решетка. Это и есть зародыш нов. крист-ла.) Микроструктура тела в результате первичной рекристаллизации существенным образомне изменяется. Первичная рекристаллизация (например, за счет механической обработки)может иметь место только в пластически деформированных твердых телах, содержащих кристаллы с внутренними напряжениями, от которых тело стремится освободиться.Поэтому движущей силой процессапервичной рекристаллизации являетсяуменьшение внутренней энергии системы за счет снятия искажений и напряжений, вызванных пластической деформацией, и роста неискаженных, менее дефектных и более стабильных кристаллов, обладающих меньшим запасом внутренней энергии.

Механизм процесса первичной рекристаллизации. В любом деформированном кристаллическом теле имеются участки (микрообъемы) с различной степенью искажения решетки, характеризуемой, например, плотностью дислокаций. Микрообъемы с наименьшей плотностью искажения явл. будущими зародышами. После возникновения таких зародышей и достижения ими критических размеров начинается их рост за счет перехода (диффузии) атомов или ионов от искаженных микрообъемов к растущему зародышу, в результате чего на месте искаженного кристалла с большой плотностью дислокаций вырастает кристалл, более или менее, свободный от искажений, с меньшей плотностью дислокаций. Кинетика процессапервичной рекристаллизации определяетсяскоростью зародышеобразования и скоростью роста кристалла. Эти величины зависят от степени деформации кристалла, температуры термической обработки, наличия примесей, размера исходных зерен и т.д.Интенсивность или скорость зародышеобразования при данной температуре увеличиваетсяпри увеличении градиента степени искажения решетки в разных частях тела и числа искажений в единице объема. Поскольку градиент искажений ΔHпропорционален степени деформации тела, скорость процесса зародышеобразования увеличивается при возрастании степени деформации. Степень деформации влияет также на скорость роста кристаллов, хотя с повышением степени деформации скорость зародышеобразования увеличивается быстрее, чем скорость роста кристаллов. Поэтому большая степень деформации приводит к уменьшению конечных размеров зерен рекристаллизующегося тела.

градиент искажений (ΔH):

ΔH=

где H₁иH₂— степень искажения решетки в первом и втором сравниваемых пунктах тела, определяемая, например, плотностью дислокаций;

L_1-2 — расстояние между этими пунктами.

Исходя из этого выражения можно записать: i=k·ΔH·n

где i— интенсивность процесса зародышеобразования при данной температуре;k— коэффициент пропорциональности;п— число искажений в единице объема.

Как скорость образования зародышей, так и скорость роста кристаллов весьма сильно зависят оттемпературы, экспоненциально возрастая с ее увеличением. При определенной степени деформации кристаллического тела зависимость скорости зародышеобразования(п) и скорости роста кристаллов(с) от абсолютной температуры(Т) приближенно дается уравнениями

где Q_n иQ_c — энергии активации скорости зародышеобразования и скорости роста кристаллов соответственно;

n₀иc_o—константы;R — газовая постоянная.

Первичная рекристаллизация зависит от наличия в материале различных примесей. Установлено, что чистые вещества рекристаллизуются особенно интенсивно.

Следует отметить, что процесс первичной рекристаллизации особенно характерен дляматериалов, склонных к пластической деформации при механической обработке, например для металлов.