В металлургии восстановление — это процесс, посредством которого деформированные зерна металла или сплава могут уменьшить свою запасенную энергию путем удаления или перераспределения дефектов в их кристаллической структуре. Эти дефекты, в первую очередь дислокации, вводятся пластической деформацией материала и действуют, чтобы увеличить предел текучести материала. Поскольку восстановление уменьшает плотность дислокаций, процесс обычно сопровождается снижением прочности материала и одновременным увеличением пластичности. В результате восстановление может считаться полезным или вредным в зависимости от обстоятельств.
Восстановление связано с похожими процессами рекристаллизации и роста зерен, каждый из которых является стадией отжига. Восстановление конкурирует с рекристаллизацией, поскольку оба процесса движимы накопленной энергией, но также считается необходимым условием для зарождения рекристаллизованных зерен. Оно так называется, потому что происходит восстановление электропроводности из-за уменьшения дислокаций. Это создает бездефектные каналы, увеличивая среднюю длину свободного пробега электронов.
Определение
Физические процессы, которые подпадают под обозначения восстановления, рекристаллизации и роста зерна, часто трудно различить точно. Доэрти и др. (1998) заявили:
«Авторы согласились, что … восстановление можно определить как все процессы отжига, происходящие в деформированных материалах, которые происходят без миграции большеугловой границы зерен»
Таким образом, этот процесс можно отличить от рекристаллизации и роста зерен, поскольку оба они характеризуются обширным перемещением большеугловых границ зерен.
Если восстановление происходит во время деформации (ситуация, которая является обычной при высокотемпературной обработке), то оно называется «динамическим», тогда как восстановление, которое происходит после обработки, называется «статическим». Главное отличие состоит в том, что во время динамического восстановления сохраненная энергия продолжает вводиться, даже если она уменьшается в процессе восстановления, что приводит к форме динамического равновесия.
Процесс
Деформированная структура
Сильно деформированный металл содержит огромное количество дислокаций, преимущественно захваченных в «клубки» или «леса». Движение дислокаций относительно затруднено в металле с низкой энергией дефекта упаковки, поэтому распределение дислокаций после деформации в значительной степени случайно. Напротив, металлы с умеренной или высокой энергией дефекта упаковки, например алюминий, имеют тенденцию образовывать ячеистую структуру, где стенки ячеек состоят из грубых клубков дислокаций. Внутренности ячеек имеют соответственно пониженную плотность дислокаций.
Уничтожение
Каждая дислокация связана с полем деформации, которое вносит небольшой, но конечный вклад в запасенную энергию материалов. При повышении температуры — обычно ниже одной трети от абсолютной точки плавления — дислокации становятся подвижными и способны скользить, перекрестно скользить и подниматься. Если встречаются две дислокации противоположного знака, то они эффективно нейтрализуются, и их вклад в запасенную энергию удаляется. Когда аннигиляция завершается, то остается только избыточная дислокация одного вида.
Перестановка
После аннигиляции любые оставшиеся дислокации могут выстроиться в упорядоченные массивы, где их индивидуальный вклад в запасенную энергию уменьшается из-за перекрытия их полей деформации. Простейший случай — это массив краевых дислокаций с одинаковым вектором Бюргера. Этот идеализированный случай можно получить, сгибая монокристалл, который будет деформироваться в единой системе скольжения (первоначальный эксперимент, проведенный Каном в 1949 году). Краевые дислокации перестраиваются в границы наклона, что является простым примером границы зерна с малым углом. Теория границ зерен предсказывает, что увеличение разориентации границы приведет к увеличению энергии границы, но уменьшению энергии на дислокацию. Таким образом, существует движущая сила к созданию меньшего количества и более неправильно ориентированных границ. Ситуация с сильно деформированными поликристаллическими материалами, естественно, более сложная. Многие дислокации с разными векторами Бюргера могут взаимодействовать, образуя сложные двумерные сети.
Развитие подструктуры
Как упоминалось выше, деформированная структура часто представляет собой 3-D ячеистую структуру со стенками, состоящими из дислокационных клубков. По мере восстановления эти клеточные стенки будут претерпевать переход к настоящей субзеренной структуре. Это происходит посредством постепенного устранения посторонних дислокаций и перераспределения оставшихся дислокаций в малоугловые границы зерен.
За образованием субзерен следует субзеренное огрубление, при котором средний размер увеличивается, а количество субзерен уменьшается. Это уменьшает общую площадь границ зерен и, следовательно, запасенную энергию в материале. Субберонное огрубление имеет много общих черт с ростом зерен.
Если субструктуру можно аппроксимировать массивом сферических субзерен радиусом R и граничной энергией γs; запасенная энергия однородна; и сила на границе распределена равномерно, то движущее давление P определяется по формуле:
Поскольку γs зависит от разориентации границ окружающих субзерен, движущее давление, как правило, не остается постоянным в течение всего процесса огрубления.