Спікання

  IV - ПОВЕРНЕННЯ І РЕКРИСТАЛІЗАЦІЯ 

  Холодна деформація металів зв'язана з  нагромадженням надлишкової енергії (рівній роботі, витраченої на необоротну деформацію), утворення залишкових напруг, підвищенням міцності і твердості. У цьому відношенні спресовані порошки не відрізняються від суцільних металів. У відношенні ж деяких інших властивостей холодна деформація викликає в компактних металах не такі зміни як у металевих порошках. Так, у суцільних металах холодна деформація зв'язана зі зменшенням, а не зі збільшенням електропровідності, і зі зниженням пластичності і здатності деформуватися. Це пояснюється тим, що при пресуванні порошків контактна поверхня часток значно збільшується, а при деформації суцільних металів контакт між зернами, навпаки, трохи зменшується.

  При нагріванні компактних металів, а також  спресованих порошків до температур порядку 20 - 40 % від абсолютної точки  плавлення зникає значна частина залишкових напруг, твердість і міцність знижуються до майже первісної величини, збільшується пластичність і виділяється у вигляді тепла значна частина роботи холодної деформації, тобто запасеної енергії – Е_зап.

  Це  явище зветься повернення або  відпочинок. Видимих структурних змін і росту зерна при поверненні не спостерігається. Повернення зв'язане з необоротними переміщеннями атомів усередині окремих зерен. Ці переміщення і приводять при відпочинку до зняття спотворень ґратки, амортизації залишкових напруг, зниженню міцності, підвищенню пластичності і виділенню запасеної енергії. Температура початку повернення сильно знижується з ростом ступеня деформації, що зв'язано зі збільшенням числа найбільш рухливих атомів при холодній деформації.

  При підвищенні температури відпалу (спікання) рухливість атомів, тобто амплітуда їхніх коливань трохи зростає, що енергетично можливо перескок з однієї ґратки в іншу. Цей процес називається рекристалізацією. Температура рекристалізації по Н.А.Бонвару дорівнює 

                                                                                                       (4.1) 

  Рекристалізація є мимовільним і необоротним  процесом, що веде до зменшення вільної  енергії системи і зовні виявляється  в росту кристалів, що відбувається за рахунок поглинання дрібних кристалів великими. Відбувається рекристалізація тільки в деформованих матеріалах.

  Основні закономірності рекристалізації зводяться  до наступного:

1. Температура початку рекристалізації знижується з підвищенням ступеня деформації, що зв'язано зі збільшенням кількості рухливих атомів у результаті здрібнювання зерна при холодній обробці.
2. Температура початку рекристалізації зменшується зі зменшенням величини

      зерна.

3. Розмір зерна при даних температурах і витримці зменшується

      (збільшується) зі ступенем деформації.

4. Швидкість ізотермічного росту зерна згодом швидко зменшується і падає

      практично до нуля  звичайно вже після декількох  годин витримки (рис.11).

  Рисунок 11 – Залежність швидкості росту зерен від часу нагріва 

5. З підвищенням  температури збільшується швидкість  росту і кінцевий

      розмір зерна. 

  Якщо  розглянути контакт між малим  і великим зерном(рис.12), то                                              Рисунок 12 – Схема контакту зерен 

хоча  число поверхневих атомів, що знаходяться  в контакті, для великого і малого зерна однакові, однак кількість  найбільш рухливих атомів, що лежать на ребрах і у вершинах кутів і  малого зерна набагато більше. Тому в одиницю часу з малого зерна  на велике перейде більше атомів, ніж у зворотному напрямку, за рахунок різниці в кількості найбільш рухливих атомів лінійних і кутових, і розходжень у рухливості між цими активними атомами й іншими поверхневими атомами.

  Тамманом  було встановлено, що n - число зерен на одиницю площі змінюється з часом відпалу τ чи по рівнобокій гіперболі

                                                                                                                       (4.1) 

  чи  по нерівнобокій гіперболі 

                                                          ,                                                    (4.2) 

  де: k, b - постійні величини, що залежать від кількості і виду домішок, активних атомів і т.і. 

  Число зерен зворотньопропорційно величині перетину зерен, інакше кажучи квадрату лінійної величини l², так, що тоді отримаємо: 

                                                                                                                       (4.3) 

  і 

                                                                                                               (4.4) 

  Продиференціюємо  вираз (4.3), одержимо: 

                                                чи                           (4.5) 

  - миттєву швидкість росту зерна.

  Процес  рекристалізації при спіканні спресованих  брикетів має багато загальних рис  з рекристалізацією безпористих  литих деформованих металів.

  З підвищенням температури усередині  кожної порошкової частки починається  рекристалізація обробки і збірна рекристалізація. З ростом міжчасткових контактів границі зерен одержують  можливість пересуватися (проростати) з однієї частки в іншу. Цей процес називається межчастковою збірною рекристалізацією. Її протіканню перешкоджають пори і плівки на поверхні порошкових часток (газові, окісні). Це обумовлює розмір зерен у спечених тілах. У зв'язку з тим, що пори перешкоджають протіканню межчасткової збірної рекристалізації, остання в більшому ступені залежить від розміру спресованих часток, тому що зі збільшенням величини часток зростає і розмір пор. При спіканні виробів із дрібних порошків, контури окремих часток зникають раніш, ніж з великих порошків, де контури зберігаються навіть після спікання при високих температурах.

  З усього сказаного вище можна сказати, що значення рекристалізації при  спіканні полягає в тім, що рекристалізація, хоча і не створює сил, що безпосередньо  викликають усадку, разом з тим активно сприяє їй, тому що в процесах росту зерен послабляється міцність останніх у результаті інтенсивного перегрупування атомів. Дуже часто, коли відбувається досить бурхливий ріст зерен при спіканні, відбувається ліквідація в дуже короткий термін пористості й утворення матеріалу з майже 100 %-ною щільністю. 

  V - КРИП ( ПОВЗУЧІСТЬ ) 

  При розборі рекристалізації ми говорили про деформацію нагрітих металів  під дією внутрішніх міжатомних сил. Однак підвищення рухливості атомів при нагріванні зв'язується також і з деформацією викликаною зовнішніми силами.

  Повзучістю  чи крипом називається сукупність явищ, що спостерігаються при деформації металів під впливом зовнішніх  напруг при температурах, що викликають помітну спрямовану рухливість атомів.

  Основні особливості такої деформації можна звести до наступного:

1. Під дією зовнішнього навантаження даної величини метал одержує спершу миттєву пружну чи пружну і пластичну деформацію. Потім починається тривалий безупинний плин (крип) металу. Швидкість крипу в першій стадії зменшується, потім тримається якийсь час на постійному найменшому рівні, і нарешті, може збільшуватися.
2. Швидкість крипу дуже швидко росте з температурою і навантаженням,

     (особливо при Т˚С = Т˚С рекристалізації).

  У зв'язку з тим, що в основі процесів при спіканні лежить дифузія атомів і вакансій, будемо з цієї ж точки зору розглядати процес крипу (повзучості).

   Розглянемо схему проходження  крипу, в елементарному об’ємі (рис.13):

                                   Рисунок 13 – Схема крипу

  Дифузійний  крип полягає в спрямованому переміщенні вакансій від поверхонь де існують напруги, що розтягують, (-σ) до вільних поверхонь (+σ) зовнішнім границям зразка, границям блоків, зерен і, відповідно, зворотньому русі атомів. Цей потік може привести до зміни форми відповідного елемента структури без зміни його обсягу. Істотним у цьому процесі є те, що неоднорідні дифузійні потоки в межах окремого елемента структури здійснюються в умовах, коли макроскопічний потік у масштабах усього тіла відсутній.

   Деформування всіх елементів структури, тобто кристалічного тіла, як цілого, є процесом самоузгодженим у тому розумінні, що не виникає порушення сплошності границь зерен, не відбувається ущільнення. Зміна форми зерна знаходиться в згоді зі зміною форми його сусіда ( рис.14).

                                Рисунок 14 – Схема деформації  при крипі 

  Цей процес можна порівняти з процесом деформування гумових оболонок, приводить  до спрямованого переміщення їхніх  центрів ваги, що подібно переміщенню  молекул при плині в'язкої рідини.

  У результаті викладеного вище, загальною  ознакою всіх механізмів повзучості (крипу) є спрямований дифузійний потік крапкових дефектів, що здійснюється під впливом різниці хімічного  потенціалу ∆μ викликаного існуванням стискаючих напруг і напруг, що розтягують. 

                                                            ,                                                    (5.1) 

  де: Ω – атомний об'єм;

          σ – напруга.

  Спрямований дифузійний потік, що обумовлює повзучість, записується: 

                                                                  ,                                           (5.2) 

  де: D_c - коефіцієнт самодифузії,

         ∆С - градієнт концентрації вакансій викликаний градієнтом ∆μ і рівний  

                                                                                                           (5.3) 

    Чи з урахуванням (5.1) буде 

                                                                                                        (5.4) 

  Виходячи  з представлень про механізм дифузійно-в'язкого плину (деформування), вираз для швидкості  деформації можна записати в наступному виді: 

                                                          , 

  де: έ - швидкість деформації,

         x = l - лінійний розмір блоків.

  беручи  до уваги вираз (5.4) і що D=D_c· C_o одержимо  

                                               ,                               (5.5)