Erholung, Rekristallisation & Kornwachstum beim Metall-Glühen verstehen

Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum sind mikrostrukturelle Veränderungen, die während des Glühens nach kalter plastischer Verformung und/oder während der Warmumformung von Metallen auftreten.

Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum

Plastische Verformung, die das Kristallgitter verzerrt und die Blöcke der ursprünglichen gleichachsigen (Achsen von annähernd gleichen Abmessungen) Körner aufbricht, um faserige Strukturen oder dünne Platten zu erzeugen, erhöht das Energieniveau des Metalls.

Verformtes Metall ist im Vergleich zu seinem unverformten Zustand in einem Nichtgleichgewichts-, thermodynamisch instabilen Zustand. Daher treten in kaltverfestigtem Metall spontane Prozesse auf, selbst bei Raumtemperatur, die es in einen stabileren Zustand bringen.

Wenn die Temperatur ausreichend erhöht wird, versucht das Metall, sich dem Gleichgewicht durch drei Prozesse anzunähern: (a) Erholung (Recovery), (b) Rekristallisation (Recrystallisation) und (c) Kornwachstum (Grain Growth).

Abbildung 3.16 zeigt eine Systematik dieser Prozesse mit Zeitverlauf. Neue Körner beginnen bei Zeit T1 aus kaltverformten Körnern zu keimen; die Keimbildung wird fortgesetzt und wächst bis zur Zeit T2. An diesem Punkt haben sich alle kaltverformten Körner in neue Körner verwandelt. Ab Zeit T3 wächst die Größe dieser neuen Körner mit einer langsameren Rate.

Eine schematische Darstellung, die Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum sowie die wichtigsten Eigenschaftsänderungen in jedem Bereich zeigt, ist in Abb. 2.9 dargestellt.

Erholung (Recovery)

Was ist Erholung?

Es ist ein Niedrigtemperatur-Phänomen, das zur Wiederherstellung physikalischer Eigenschaften ohne merkliche Änderung der Mikrostruktur führt. Die Erholung ist entscheidend für den Abbau innerer Spannungen in geschmiedeten, geschweißten und gefertigten Bauteilen, ohne die während und nach der Bearbeitung gewonnene Festigkeit zu verringern.

Funktionsweise

Wenn ein kaltverfestigtes Metall auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur erhitzt wird, werden die elastischen Verzerrungen des Kristallgitters aufgrund der Zunahme der Amplitude der thermischen Schwingungen der Atome verringert. Diese Erwärmung wird die Festigkeit des kaltverfestigten Metalls leicht senken, aber die Elastizitätsgrenze und Duktilität werden zunehmen, obwohl sie die Werte des ursprünglichen Materials (vor der Kaltverfestigung) nicht erreichen.

In diesem Zeitraum werden keine Änderungen der Mikrostruktur beobachtet. Diese teilweise Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften, die durch Verringerung der Gitterverzerrung ohne merkliche Änderungen der Mikrostruktur erzeugt wird, wird Erholung genannt.

Bei gegebener Temperatur ist die Erholungsrate anfangs am höchsten und nimmt bei längeren Zeiten ab. Daher nimmt die Menge der Erholung, die in einer praktischen Zeit eintritt, mit steigender Temperatur zu. In einem gegebenen kaltverformten Metall erholen sich die einzelnen Eigenschaften mit unterschiedlichen Raten und erreichen verschiedene Vollständigkeitsgrade.

Kennkurve der Erholung

Abbildung 3.18 zeigt die Charakteristika des Erholungsprozesses. Die Abbildung zeigt, dass (i) die Erholungsrate anfangs schnell ist und dann mit der Zeit abnimmt, und (ii) die Menge der Erholung mit steigender Temperatur zunimmt. Individuelle Eigenschaften erholen sich in Metallen mit unterschiedlichen Raten.

Durch Erholung werden Spannungen aus kaltverformten Legierungen abgebaut, was Spannungsrisskorrosion verhindert. Es ist möglich, Spannungen abzubauen, ohne die mechanischen Eigenschaften signifikant zu beeinflussen. Eine hohe Erholungstemperatur ist erforderlich, um Restspannungen vollständig zu entfernen. Diese Hochtemperaturbehandlung ist vorteilhaft für gegossene oder geschweißte Teile.

Rekristallisation (Recrystallisation)

Was ist Rekristallisation?

Es ist ein Prozess, bei dem verzerrte Körner von kaltverformtem Metall durch neue spannungsfreie Körner ersetzt werden, wenn es über eine Temperatur erhitzt wird, die als Rekristallisationstemperatur bekannt ist. Rekristallisation verursacht einen starken Abfall von Härte und Festigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Duktilität.

Arbeitsprozess

Die Bildung neuer gleichachsiger Körner im Erhitzungsprozess anstelle der orientierten faserigen Struktur des verformten Metalls wird Rekristallisation genannt. Gleichachsige Kristalle sind Kristalle, die Achsen von annähernd gleicher Länge haben. Gleichachsige Körner können ein Indikator für Rekristallisation sein. Gleichachsige Kristalle können durch Wärmebehandlung, nämlich Glühen und Normalisieren, erreicht werden.

Dies ist in Abb. 2.10 veranschaulicht. Der erste Effekt des Erhitzens ist die Bildung neuer winziger Körner, wie in (a) in Weiß gezeigt, und diese vergrößern sich schnell, bis weiteres Wachstum durch das Aufeinandertreffen mit einem anderen Korn eingeschränkt wird, wie in (b) und (c) gezeigt. Schließlich verschwindet das ursprüngliche Kornsystem, und die neue rekristallisierte Struktur ist in (d) dargestellt, die ursprünglichen Körner sind in der Zeichnung durch gepunktete Linien angedeutet. Rekristallisation erzeugt im Wesentlichen keine neuen Strukturen, sondern neue Körner oder Kristalle derselben Struktur.

Rekristallisation besteht im Wesentlichen darin, dass die Atome des verformten Metalls die Bindungen des verzerrten Gitters überwinden, die Bildung von Keimen gleichachsiger Körner und das anschließende Wachstum dieser Körner durch Übertragung von Atomen von verformten zu unverformten Kristalliten. Kurz gesagt, Körner werden verfeinert und erlangen eine Form, die Fasern ähnelt, wie in Abb. 2.11 gezeigt.

Die Temperatur, bei der Kristallisation stattfindet, d. h. neue Körner gebildet werden, wird Rekristallisationstemperatur genannt. Sie ist definiert als die Temperatur, bei der 50 % des kaltverformten Materials in einer Stunde rekristallisieren.

Kornwachstum (Grain Growth)

Was ist Kornwachstum?

Es bezieht sich auf die Zunahme der durchschnittlichen Korngröße, verursacht durch zusätzliche Glühung nachdem das Material rekristallisiert ist. Kleine Körner haben weniger freie Energie als große Körner. Kleinere Kristalle mit Atomen höherer Energie neigen dazu, Teil größerer Kristalle zu werden. Diese Neigung fördert Kornwachstum.

Arbeitsprozess

Unmittelbar nachdem ein Metall rekristallisiert hat, sind die Körner klein und etwas regelmäßig geformt. Das Korn wird wachsen, wenn die Temperatur hoch genug ist oder wenn die Temperatur die für die Rekristallisation erforderliche Mindesttemperatur überschreitet. Dieses Wachstum ist das Ergebnis einer Tendenz, zu einem stabileren und größeren Zustand zurückzukehren, und scheint hauptsächlich von der Form des Korns abzuhängen.

Für jede Temperatur über der Rekristallisationstemperatur gibt es normalerweise eine praktische Maximalgröße, bei der die Körner das Gleichgewicht erreichen und nicht mehr nennenswert wachsen, egal wie lange sie bei dieser Temperatur gehalten werden. Es gibt jedoch bestimmte Arten von abnormalem Kornwachstum, die als Folge angewendeter oder restlicher Spannungsgradienten aufgrund ungleichmäßiger Verunreinigungsverteilung auftreten und das Wachstum sehr großer Einzelkörner ermöglichen.

Faktoren, die die Korngröße beeinflussen / steuern

1. Grad der Vorverformung

Eine erhöhte Vorverformung fördert die Keimbildung und verringert die endgültige Korngröße. Bevor Rekristallisation eintreten kann, ist ein gewisser Grad an Verformung erforderlich. Dies beträgt ungefähr 2,8 % der Gesamtverformung. Wenn die Verformung gering ist (aber größer als die Mindestverformung), ist die Korngröße grob, weil nur eine kleine Anzahl von Keimen gebildet wird. Mit zunehmender Verformung nimmt die Anzahl der verzerrten Punkte zu, und damit nimmt die Korngröße ab.

2. Temperatur

Es gibt eine Temperatur, unterhalb derer keine Rekristallisation stattfindet. Die Korngröße nimmt oberhalb dieser Temperatur allmählich zu.

3. Erhitzen / Haltezeit

Der Einfluss der Erhitzungszeit auf die Korngröße wird durch die Temperatur bestimmt, bei der Rekristallisation auftritt. Rekristallisation braucht eine gewisse Zeit, um abgeschlossen zu werden, aber diese Zeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Je feiner die Korngröße, desto kürzer die Glühzeit. Das Korn wird gröber, je länger die Glühzeit. Langsames Erhitzen fördert Kornwachstum durch Bildung neuer Keime, was zu groben Körnern führt.

4. Verunreinigungen

Feinere Korngröße wird bei einer größeren Menge und feinerer Verteilung von Verunreinigungen vorliegen. Verunreinigungen fördern die Keimbildung und wirken als Barriere für Kornwachstum.

Einfluss der Temperatur auf Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum

Abb. 3.21 fasst die Auswirkungen der verschiedenen Phänomene auf mechanische und physikalische Eigenschaften zusammen.

Frage: In welchem der folgenden Prozesse finden Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum statt?
a) Oberflächenhärten
b) Anlassen
c) Festigen
d) Glühen

Antwort: D

Erklärung: Im Prozess des Glühens durchläuft der Kristall drei Stufen, die nacheinander Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum genannt werden.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Was ist der Unterschied zwischen Erholung und Rekristallisation?

Erholung – Eine Niedrigtemperatur-Glühwärmebehandlung, die darauf ausgelegt ist, beim Verformen eingeführte Restspannungen zu beseitigen, ohne die Festigkeit des kaltverformten Materials zu verringern.

Rekristallisationstemperatur – Die Temperatur, oberhalb derer die Auswirkungen der Kaltverfestigung beim Glühen beseitigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum?

Erholung tritt bei niedrigen Temperaturen auf und verringert oder beseitigt Kaltverfestigungseffekte.

Rekristallisation tritt auf, wenn ausreichend thermische Energie verfügbar ist, um die Bildung und das spannungsfreie Wachstum neuer Körner in der bestehenden Matrix voranzutreiben.
Kornwachstum ist das Ergebnis anhaltend hoher Temperaturen nach der Rekristallisation, da Korngrenzen eliminiert werden, was zu einer Zunahme der aktuellen Korngröße führt, unabhängig von ihrer vorherigen austenitischen Korngröße.

Warum ist Kaltverformung für Erholung erforderlich?

Kaltverformung erhöht die Festigkeit eines Materials, verringert aber seine Duktilität und elektrische Leitfähigkeit. Zusätzlich werden Restspannungen in das Material eingeführt, weil sich Versetzungen überlagern und verheddern.

Was sind die treibenden Kräfte für Rekristallisation und Kornwachstum?

Die treibende Kraft für Kornwachstum, sei es kontinuierlich (normales Kornwachstum) oder diskontinuierlich (abnormales Kornwachstum), ist die Energie der Hochwinkelkorngrenzen. Die Haupttreibkraft für die Rekristallisation ist die beim Verformen gespeicherte Energie in Form von Kristalldefekten.