Recristalizarea dinamica - titan

Recristalizarea dinamica - titan

Caracteristicile generale ale recristalizarii dinamice

Recristalizarea dinamica este intalnita de obicei in timpul deformarii la cald sau fluajul la metalele pure si aliajele cu energii de lovire mici si intermediare.A mai fost observata in metalele cu puritate foarte inalta,de exemplu Feα.Urmatoarele caracteristici corespunzatoare recristalizarii dinamice au fost stabilite prin incercari experimentale la o gama de metale si aliaje:

-Pentru ca recristalizarea dinamica sa se declanseze este necesara o deformatie critica ε_c; aceasta este ceva mai mica decat ε_max. Tensiunea corespunzatoare σ_c este in consecinta mai mica decat σ_max, iar gradul mic de ecruisare din vecinatatea maximului reda aceste marimi practic identice.

-σ_max se supune destul de bine ecuatiilor (2.4),(2.5)si (2.6) in ciuda faptului ca maximul tensiunii nu apare doar la o singura deformatie.Intr-o reprezentare grafica dublu-logaritmica maximul σ_max creste liniar cu Z la valori mici si medii ale lui Z in timp ce la valori mari ale lui Z panta descreste progresiv (aceasta este trecerea normala de la comportamentul de tensiune "joasa" la comportamentul de tensiune "inalta"). Panta sectiunii liniare D log 10^σ_max/d log Z se intinde pe domeniul 0.170.25.

-La viteze de deformatie caracteristice deformarii la cald ε_c descreste ferm cu descresterea vitezei de deformatie compensata de temperatura si cele mai multe date experimentale tind spre un ε_c minim la Z redus.Totusi in conditii de fluaj deformatia critica poate incepe sa creasca din nou.

-Marimea grauntilor recristalizati dinamic D_rec creste cu descresterea σ_max si σ_s,in relatia fenomenologica este:

σ_s =k₁+k₂ D_rex^-q (3.1)

in care exponentul q se afla in domeniul (0,5.0,8) indiferent de temperatura si viteza de deformatie.

-σ_s si D_rex sunt practic independente de marimea initiala de graunte D₀; totusi cinetica recristalizarii este accelerata semnificativ in grauntii ale caror marime initiala este mai mica,iar σ_max si ε_max sunt situate la valori scazute /99,100,101/.

-Recristalizarea dinamica a materialelor metalice policristaline este de obicei inceputa la limitele de graunte existente anterior.La ε foarte mici si D₀ mari bineinteles pentru microcristale germinarea intragranulara devine relativ mai importanta.In afara de etapele de inceput marimea de graunte recristalizat cu sau fara o mica crestere a grauntilor produsa simultan.

Fig 3.1. Legatura dintre gradul critic de deformare si tensiunea stationara la recristalizarea dinamica pentru nichel,ilustrand cresterea ε_c la valori scazute ale lui σ_s (dupa Sellers)/102/

Conditiile de declansare ale recristalizarii dinamice

Densitatea de dislocatii q₀ generata de deformatia mai importanta se reduce la o valoare scazuta in timpul trecerii de la limita la unghi mic la 0. Totusi densitatea de dislocatii este restabilita in spatele limitei si se conduce dupa functia q(x). Aceasta dispunere a densitatii de dislocatii variabile in spatele limitelor determina o reducere a fortei motrice a recristalizarii,Roberts si Ahlblom estimand forta motrice ca o medie integrata a diferentei de densitate a dislocatiilor,adica:

τ/r= (ρ₀-ρ)dx

unde r este raza unui nucleu sferic omogen sau raza de curbura a denaturarii produsa de migratia limitelor de graunte determinata de deformatie.Prin scrierea unei ecuatii pentru transformarea energiei libere a retelei asociata cu formarea unui nucleu cu raza r si combinand acestea cu o expresie corespunzatoare pentru ρ(x),bazata pe procesul simplu de inmagazinare a dislocatiilor se poate obtine o expresie pentru marimea critica de nucleu r*.Un r* exista doar daca:

ρ₀≥const ( (3.2)

Aceasta este valabila si pentru germinarea omogena insotita de perturbari,desi constanta este diferita pentru cele doua cazuri. Deci inainte de a se forma un nucleu stabil pentru recristalizarea dinamica,trebuie depasita o densitate critica a dislocatiilor care depinde de conditiile de deformare si de caracteristicile limitei de graunti (energia si mobilitatea).

Fig.3.2. Situatia aparuta in interiorul unui posibil germen de recristalizare dinamica/104/.

Forma curbelor de curgere in timpul recristalizarii dinamice

Aparitia recristalizarii modifica aspectul curbelor de curgere produse la viteze constante de deformatie.La viteze mari de deformatie,in domeniul de deformare plastica la cald,curba de curgere creste spre un maxim si apoi atinge un minim la ε_p.

Ulterior, ca rezultat al recristalizarii dinamice,tensiunea de curgere scade la valori intermediare intre valoarea limitei de curgere si minim.Astfel,inainte ca recristalizarea sa fie completa cei mai vechi graunti recristalizati pot incepe o noua recristalizare.Noii germeni sunt apoi continuu deformati in interiorul materialului.Germenii nou recristalizati sunt moi,mentinand tensiunea de curgere la un nivel scazut.Pana la aparitia minimului,inmuierea este datorata proceselor de restaurare dinamica.Dupa initierea recristalizarii dinamice,restaurarea dinamica are loc in fiecare nou graunte pana la o noua recristalizare.La viteze mici de deformatie in domeniul de deformare plastica la cald,inmuierea produsa prin reristalizare dinamica este urmata de procese repetate de durificare,iar curba de curgere este aproximativ constanta o perioada,avand amplitudinea scazuta /108/.La tensiuni scazute de fluaj,restaurarea dinamica este suficienta pentru a mentine densitatea de dislocatii la nivele mai mici decat cele critice.La tensiuni mari,substructura devine atat de densa incat germenii de recristalizare se formeaza si cresc rapid in intreaga proba.

Fig.3.4.Curba de curgere tensiune-deformatie in cazul aparitiei recristalizarii dinamice (in timpul fluajului sau deformarii plastice la cald),la metale cu viteze limitate ale restaurarii dinamice (de tipul Cu,Pb):

a)      la viteza constanta de deformatie; b) la tensiune constanta/108/.

La viteze de deformatie mai mari de 10^-1s^-1 in fier γ,inmuiat prin recristalizare odata initiat este continuu.In contrast,cand vitezele de deformatie sunt mai mici de 10^-1s¹,inmuierea este periodica,intervenind procese ciclice de durificare.

Fig 3.5.a)Curba de curgere in otel austenitic cu 0,2%C la 1100 ̊C (0,76T_m);/109/

b)Curba de fluaj pentru nichel la tensiune constanta la 860 ̊C(0,65T_m) si 900 ̊C(0,72T_m)

Diferit fata de fenomenele care apar la incercarea prin tractiune sau la fluaj,inceputul recristalizarii dinamice este marcat de o crestere a vitezei de deformatie,care se termina ca la fluajul primar,de regula inainte de atingerea deformatiei si inainte de atingerea starii de stationare.Dupa accelerare,apare un nou stadiu de fluaj primar,care se termina de asemenea cu recristalizare dinamica.Acest ciclu fenomenologic se poate repeta de mai multe ori. In general el apare numai la tensiuni mari in domeniul fluajului,cand aceste fenomene sunt prezentate la temperaturi peste 0,7T_m/110/.

In cadrul fluajului procesul de recristalizare dinamica produce o crestere discontinua a vitezei de fluaj.Pentru plumb s-a demonstrat ca aceasta modificare poate fi justificata rezonabil daca se presupune ca grauntii manifesta inca o data fenomenul de fluaj primar.S-a aplicat aceasta supozitie in cazul experimentelor efectuate la deformarea la cald a nichelului (torsiune).Forma propusa pentru curbele de curgere depinde de marimile relative ale lui ε_c si de deformatia ε_X.

Fig 3.6. Modelul Luton & Sellers referitor la trecerea de la o variatie oscilanta (a) la o variatie continua (b) cand restaurarea are loc prin redresare + recristalizare dinamica

Evolutia microstructurii recristalizarii dinamice

Procesele de deformare la cald sunt caracterizate de valori ale vitezei de deformatie compensata de temperatura;deformatia critica pentru germinarea in procesul de recristalizare dinamica este deci situata in limite foarte largi.Deoarece marimea de graunte este imbunatatita progresiv prin recristalizarea statica intre treceri nu este imposibil ca reactiunea dinamica sa se poata declansa in mare masura in timpul ultimelor etape ale tehnologiilor de laminare;aceasta se intampla deoarece reducerea in D₀ produce o scadere a lui ε_c si o accelerare a cineticii recristalizarii dinamice.Chiar daca recristalizarea dinamica apare o data cu o operatie specifica de deformare la cald trebuie amintit ca microstructura rezultata va fi supusa modificarilor statice urmate de sfarsitul deformarii.Aceste modificari structurale suferite de un material dupa recristalizare dinamica partiala sau totala in timpul deformarii anterioare sunt denumite recristalizare metadinamica.

In metalele care pot avea recristalizare dinamica,o substructura de dislocatii se poate dezvolta in stadiul initial de deformare,daca a suferit intr-o mica masura restaurarea.

Aspectele structurale la metalele restaurate in mica masura,care pot avea recristalizare dinamica sunt:

_{mpla deoarece reducerea in Delor etape ale tehnologiilor de laminare}capacitatea mai mare de a se produce,datorita blocarii limitelor de graunte pe peretii foarte fragmentati;

diferentdiferenta mare a energiilor dintre regiunea cu germeni si cea fara germeni.

La viteze mari de deformatie se dezvolta o structura celulara fina in interiorul grauntilor,care nu trec de limita de graunte.Pe masura cresterii deformatiei,pot sa apara germeni in fiecare graunte la grade mari de dezorientare.

Deoarece durificarea prin tensiune continua in materialul metalic in timpul germinarii si cresterii,noii graunti sunt deformati pe masura ce cresc.

Daca viteza de deformatie este scazuta,atunci gradientul de energie din centrul grauntelui recristalizat spre margine este mic,iar regiunea din spatele limitei nu contine dislocatii.Odata recristalizarea fiind completa,densitatea de dislocatii revine la nivelul anterior si deci, cresterea valorii tensiunii de curgere pana la recristalizare poate duce la o noua germinare.

In cazul unei viteze de deformatii mari,gradul de deformare din centrul spre margine pentru grauntele recristalizat este ridicat,astfel incat exista o densitate de dislocatii considerabila in spatele limitei de graunte.Prin diminuarea fortei conducatoare,viteza de migrare este redusa fata de recristalizarea statica.Inainte ca recristalizarea sa fie completa, densitatea de dislocatii din centrul grauntilor recristalizati a crescut sufficient astfel incat un alt ciclu de germinare poate sa apara si o noua generatie de graunti incepe sa creasca.Astfel,in orice moment,exista o distributie de regiuni cu grade diferite de deformare de la zero la o valoare mai mare decat a varfului de pe curba de deformatie.In aceasta distributie de dislocatii in substructura,care se mentine la o valoare medie a tensiunii de cugere la o valoare intermediara intre tensiunea de curgere a materialului recopt si tensiunea la aparitia maximului.

Deformatii critice pentru germinarea si recristalizarea

completa

Inceputul recristalizarii este marcat pe curbele tensiune-deformatie,ca si pe curbele viteza de deformatie-timp.Deformatia critica ε_c pentru inceputul recristalizarii este mai mica decat valoarea corespunzatoare maximului,ε_p, deoarece,in timp ce germenii determina scaderea densitatii locale a materialului,materialul metalic care ramane are duritate mai mare.Diferenta dintre cele doua deformatii este chiar mai mare la viteze mari de deformatie.In concordanta cu Rossard ε_c este dat de relatia aproximativa:

ε_c = 5ε_p /6 ≈ε_p

Trebuie notat faptul ca deformatia critica pentru recristalizarea dinamica nu poate fi atinsa dintr-o varietate de motive.Prin analiza metalografica,s-a stabilit ca progresul recristalizarii urmeaza curba normala in S pentru volumul recristalizat-log timp,care,pentru testele efectuate cu deformatii constante,care este aceeasi ca si curba volum recristalizat-log deformatie.Pentru explicarea unor aspecte privind recristalizarea dinamica,a fost definita valoarea ε_x,ca fiind deformatia din momentul germinarii pana la momentul in care a fost recristalizat un volum x de material.De regula,valoarea ε_r s-a notat ca deformatia corespunzatoare unei recristalizari complete,respectiv 95% din material este recristalizat.

Recristalizarea periodica si continua

Valorile scazute ale lui ε_c si ε_r duc la recristalizarea ciclica periodic,iar valori ridicate duc la recristalizare ciclica continua.Caracterul periodic este insa mai pronuntat,deoarece ε_r este mult mai mic decat ε_c.

Odata initiata recristalizarea ,ea devine completa cu mult inainte ca noi zone deformate sa germineze a doua oara.La viteze de deformatie mari, ε_r>>ε_c ,astfel incat inainte ca recristalizarea sa fie completa, regiunile care au recristalizare la inceput ajung la valoarea critica a deformatiei si deci la a doua germinare.In acest fel,trebuie mai mult un ciclu de recristalizare in metal in acelasi timp, fiecare ciclu fiind in alt stadiu al procesului de recristalizare.Rezultatul este un echilibru al distributiei regiunilor avand deformatii diferite cuprinse intre 0 si ε_c, ajungand la o tensiune de curgere medie constant.

Marimea grauntilor recristalizati dinamic scade pe masura cresterii factorului de temperatura Z,datorita cresterii densitatii subgrauntilor, prin cresterea densitatii germenilor.De asemenea sunt prezenti simultan mai multi cicli de recristalizare la valori ridicate ale lui Z.Rezulta ca exista o relatie intre marimea de graunte si tensiunea de curgere in stare stationara: grauntii recristalizati static, care se formeaza la racire,sunt mai mari decat grauntii recristalizati dinamic, chiar daca apar la o racire de cateva secunde.

Fig.3.25.Corelatia marimea de graunte recristalizat- factorul de temperatura Z pentru cupru si nichel (Q_Cu = 302 kj/mol; Q_Ni = 234 kj/mol) /111,121/

Caracteristicile diferitelor materiale metalice privind

recristalizarea dinamica

Metalele in care se poate dezvolta recristalizarea dinamica sunt cele la care poate avea loc un grad scazut de restaurare dinamica in timpul deformarii la temperaturi ridicate.Aceasta este datorita separarii dislocatiilor partiale prin catarare si alunecare.Viteza scazuta a restaurarii dinamice determina cresterea densitatii de dislocatii in substructura,care determina astfel germinarea.Acest efect este gasit in metalele CVC cu energii scazute sau medii ale defectelor de impachetare.

Fig.3.27. Efectul marimii de graunte asupra limitei de curgere la temperaturi inalte /134/

Capacitatea de producere a recristalizarii dinamice depinde de asemenea de usurinta de producere a migrarii limitelor de graunte, care creste pe masura cresterii puritatii materialului metallic.Chiar si la primele tipuri de materiale, recristalizarea dinamica apare numai cand viteza de deformatie ramane sub o anumita valoare, care este mai mare decat pentru metalul mai pur /132/.

Influenta alierii

In solutiile solide, adaosul de element de aliere tinde sa diminueze capacitatea metalului de a se restaura, crescand astfel tendinta de producere a recristalizarii dinamice; atomii de aliere pot impiedica migrarea limitelor, incetinind viteza de recristalizare dinamica.Cateva curbe de curgere in aliaje pe baza de cupru care deermina scaderea limitei de curgere datorata procesului de recristalizare dinamica.In cupru pur, cand se initiaza recristalizarea, tensiunea de curgere scade rapid.In cupru oxidat, sunt prezente numeroase particule de Cu₂O, care bocheaza miscarea limitelor de graunti, rezultand inmuierea asociata cu recristalizarea dinamica, fiind necesara o deformatie crescuta de 0,3 pana la a se atinge curgerea stabila.O diferenta mai mare in tensiunea de curgere este in aliajul Cu-Ni.Aici un adaos de 9,5% Ni are o viteza de durificare mai mare decat la celelalte aliaje.De asemenea, adaosul de nichel afecteaza procesele de germinare si migrare a limitelor de graunti, astfel incat la sfarsitul testului si atingerea unei deformatii de 0,7 inmuierea prin recristalizare dinamica nu a devenit completa.

Fig.3.28. Curbele de curgere (prin compresiune) in trei materiale pe baza de cupru (viteza de deformatie ε= 1,8 .10^-1s^-1) /134/

Recristalizarea dinamica si ductilitatea

La incercarile mecanice efectuate cu viteza constanta de deformatie, care implica o restaurare dinamica limitata, ductilitatea are valoarea minima la o temperatura aproape de limita inferoara a domeniului de temperaturi pentru deformare plastica la cald. Acest efect a fost observat in nichel si aliajele sale.Cauza acestui fenomen a fost clarificata dupa examinarea modului de rupere.

La temperaturi sub valoarea minimului modul de rupere este similar ca cel de la temperatura camerei si ductilitatea este oarecum mai mare.Pe masura cresterii temperaturii pana la cea corespunzatoare minimului, tot mai multe limite de graunti fisureaza, ruperea devenind integral intercristalina. Acest lucru este datorat faptului ca o proportie mica a procesului de restaurare dinamica implica atat tensiunea de curgere ridicata, cat si viteze mari ale durificarii induse de deformare.

Fig.3.31. Efectul nichelului asupra ductilitatii aliajelor Cu-Ni /131/(―0,6T_m --- 0,7T_m −∙− 0,8T_m)

Fig.3.32. Efectul temperaturii si a vitezei de deformatie asupra ductilitatii si a tensiunii de curgere pentru Inconel600 /147/

Tensiunile de curgere rezultante mari, la deformatii mici previn acomodara prin deformarea retelei datorata concentrarii tensiunilor in puncte triple prin alunecare la limita de graunte. Cum temperatura creste peste valoarea de minim se observa declansarea tot mai puternica a recristalizarii dinamice. Noii graunti pot determina izolarea fisurilor deja formate la limita de graunte, inhiband propagarea lor.In apropiereaminimului ductilitatii, fisurile s-au propagat intensiv, la deformatie de 0,35, in timp ce la o viteza mai mare de deformatie recristalizarea dinamica a fost prevenita chiar si la deformatii mari.

La deformarea plastic la cald, initierea recristalizarii dinamice a condus la o crestere considerabila a ductilitatii. Pe masura cresterii vitezei de deformatie, minimul ductilitatii tinde sa se mute la temperaturi de deformatie mai mari.

Metalele care prezinta un minimum al ductilitatii la deformarea plastica la cald, de regula au o susceptibilitate mare la fisurare la limita de graunte la fluaj. Cresterea ductilitatii care se poate realiza prin procesul de recristalizare dinamica prezinta doar un interes stiintific pentru fluaj, intrucat se doreste cresterea ductilitatii ca mijloc de imbunatatire a vitezei medii de fluaj.

Recristalizarea dinamica si durificarea substructurii

Daca un material deformat plastic la cald, care recristalizeaza dinamic este calit, este posibil sa fie pastrata substructura de dislocatii la racire la temperatura ambianta. Totodata, prin prevenirea recristalizarii metadinamice se poate pastra marimea de graunte dynamic. Aceasta poate fi fina sau groba functie de conditiile de deformare sau mentinere. Duritatea metalului recristalizat dinamic este ca valoare intermediara intre duritatea metalului laminat la cald restaurat dinamic si cea a metalului recristalizat static.

Fig.3.38. Efectul factorului Z de la deformare plastic la cald asupra proprietatilor de la temperatura ambianta pentru cupru recristalizat dinamic si metadinamic. Pentru comparatie sunt incluse valorile de duritate obtinute la diferite tratamente termice: aluminiu restaurat dinamic, cupru laminat la cald, ambele restaurate dinamic si recristalizate static si cupru laminat la rece /44,121/

In aliajele Cu-Al, duritatea de la temperatura ambianta variaza invers proportional cu radacina patrata a marimii de graunte recristalizat dinamic. Panta sau coeficientul de rezistenta al limitei este de 1⅟₂ mai mare pentru probele recristalizate dinamic, decat pentru cele recristalizate static.Acest lucru poate fi atribuit unui exponent mai mare aplicat subgrauntelui decat grauntelui,rezultand o crestere a densitatii sublimitelor decat o crestere a densitatii de graunti, insotite de o scadere a marimii de graunte.