Herstel, rekristallisatie en korrelgroei zijn microstructuurveranderingen die optreden tijdens anlaten na koude plastische vervorming en/of tijdens warm bewerken van metalen.

Herstel, Rekristallisatie en Korrelgroei

Plastische vervorming, die het kristalrooster vervormt en de blokken van de initiële equiaxiale (assen van ongeveer dezelfde dimensies) korrels verbreekt om een vezelachtige structuur of dunne platen te produceren, verhoogt het energieniveau van het metaal.

Gevervormd metaal, in vergelijking met zijn onvervormde toestand, is in een niet-evenwichts, thermodynamisch instabiele toestand. Daarom treden spontane processen op in verhard metaal, zelfs bij kamertemperatuur, die het in een stabielere toestand brengen.

Als de temperatuur voldoende wordt verhoogd, probeert het metaal evenwicht te benaderen door drie processen: (a) herstel, (b) rekristallisatie, en (c) korrelgroei.

Figuur 3.16 toont een systematiek van deze processen met tijdsvariatie. Nieuwe korrels beginnen te nucleeren uit koudgewijzigde korrels op tijdstip T1; korrelnucleatie zal doorgaan en groeien tot tijdstip T2. Op dit punt zullen alle koudgewijzigde korrels genucleerd zijn in nieuwe korrels. Op tijdstip T3 groeit de grootte van deze nieuwe korrels met een langzamere snelheid.

Een schematische tekening die herstel, rekristallisatie en korrelgroei en de belangrijkste eigenschapsveranderingen in elk gebied aangeeft, is weergegeven in Fig. 2.9.

Herstel (Recovery)

Wat is Herstel?

Het is een laagtemperatuurfenomeen dat resulteert in de herstelling van fysieke eigenschappen zonder merkbare verandering in microstructuur. Het herstel is kritiek voor het vrijmaken van interne spanningen in gesmeed, gelaste en gefabriceerde apparatuur zonder de sterkte te verminderen die tijdens en na bewerking is verkregen.

Werking

Als een verhard metaal wordt verwarmd tot een vergelijkbaar lage temperatuur, worden de elastische vervormingen van het kristalrooster verminderd door de toename in amplitude van de thermische trillingen van de atomen. Deze verharding zal de sterkte van het verhard metaal iets verlagen, maar de elastische grens en duktiliteit zullen toenemen, hoewel ze de waarden van het initiële materiaal (voor verharding) niet zullen bereiken.

Er worden geen veranderingen in microstructuur waargenomen in deze periode. Deze gedeeltelijke herstelling van de oorspronkelijke eigenschappen, geproduceerd door het verminderen van de vervorming van het kristalrooster zonder merkbare veranderingen in microstructuur, heet herstel.

Bij een gegeven temperatuur is de snelheid van herstel het snelst aanvankelijk en daalt af bij langere tijden. Dus de hoeveelheid herstel die in een praktische tijd optreedt, neemt toe met stijgende temperatuur. In een gegeven koudgewijzigd metaal herstellen individuele eigenschappen met verschillende snelheden en bereiken verschillende graden van voltooiing.

Kenmerkende Curve van Herstel

Figuur 3.18 toont de kenmerken van het herstelproces. De figuur toont dat (i) de snelheid van herstel aanvankelijk snel is en daarna met de tijd afneemt, en (ii) de hoeveelheid herstel toeneemt met stijgende temperatuur. Individuele eigenschappen herstellen met verschillende snelheden in metalen.

Door herstel worden spanningen ontdaan van koudgewijzigde legeringen die spanningcorrosiekraken voorkomen. Het is mogelijk om spanning te verlichten zonder de mechanische eigenschappen significant te beïnvloeden. Een hoge hersteltemperatuur is vereist om residuele spanningen volledig te verwijderen. Deze hoge-temperatuurbehandeling is gunstig voor gegoten of gelaste onderdelen.

Rekristallisatie (Recrystallisation)

Wat is Rekristallisatie?

Het is een proces waarin vervormde korrels van koudgewijzigd metaal worden vervangen door nieuwe spanningvrije korrels wanneer verwarmd boven een temperatuur bekend als de rekristallisatietemperatuur. Rekristallisatie veroorzaakt een scherpe afname in hardheid en sterkte, terwijl de duktiliteit toeneemt.

Werkingsproces

De vorming van nieuwe equiaxiale korrels in het verhardingsproces, in plaats van de georiënteerde vezelachtige structuur van het vervormde metaal, heet rekristallisatie. Equiaxiale kristallen zijn kristallen die assen van ongeveer dezelfde lengte hebben. Equiaxiale korrels kunnen een indicatie zijn voor rekristallisatie. Equiaxiale kristallen kunnen bereikt worden door warmtebehandeling, nl. anlaten en normaliseren.

Dit is geïllustreerd in Fig. 2.10. Het eerste effect van verharding is het vormen van nieuwe minuutte korrels zoals getoond in wit in (a), en deze vergroten zich snel totdat verdere groei beperkt wordt door een korrel die een andere ontmoet, zoals getoond in (b) en (c). Uiteindelijk verdwijnt het oorspronkelijke stelsel van korrels uit het plaatje en de nieuwe gekristalliseerde structuur wordt getoond in (d), de oorspronkelijke korrels worden in de tekening aangegeven door stippellijnen. Rekristallisatie produceert eigenlijk geen nieuwe structuren, maar produceert nieuwe korrels of kristallen van dezelfde structuur.

Rekristallisatie, in essentie, bestaat eruit dat de atomen van het vervormde metaal de bindingen van het vervormde rooster overwinnen, de vorming van kernen van equiaxiale korrels en de daaropvolgende groei van deze korrels door overdracht van atomen van vervormde naar onvervormde kristallieten. Kortom, korrels worden verfijnd en verkrijgen een vorm die lijkt op vezels zoals getoond in Fig. 2.11.

De temperatuur waarop kristallisatie plaatsvindt, d.w.z. nieuwe korrels worden gevormd, heet rekristallisatietemperatuur. Dit wordt gedefinieerd als die temperatuur waarop 50 procent van het koudgewijzigde materiaal in één uur rekristalliseert.

Korrelgroei (Grain Growth)

Wat is Korrelgroei?

Het verwijst naar de toename in gemiddelde korrelgrootte veroorzaakt door additionele anlaten nadat het materiaal gerekristalliseerd is. Kleine korrels hebben minder vrije energie dan grote korrels. Kleinere kristallen met hogere energie-atomen neigen ertoe deel te worden van grotere kristallen. Deze neiging bevordert korrelgroei.

Werkingsproces

Net na een metaal gerekristalliseerd is, zijn de korrels klein en enigszins regelmatig in vorm. De korrel zal groeien als de temperatuur hoog genoeg is of als de temperatuur toegestaan wordt de minimum voor rekristallisatie te overschrijden. Deze groei is het resultaat van een neiging om terug te keren naar een stabielere en grotere toestand, en lijkt primair af te hangen van de vorm van de korrel.

Voor elke temperatuur boven de rekristallisatietemperatuur is er normaal een praktisch maximum formaat waarop de korrels evenwicht zullen bereiken en ophouden met nennenswaardige groei, ongeacht hoe lang ze op de temperatuur worden gehouden. Er zijn echter bepaalde soorten abnormale korrelgroei die optreden als gevolg van toegepaste of residuele gradienten van vervorming door niet-uniforme onzuiverheidsverdeling, en die het laten groeien van zeer grote enkele korrels toe.

Factoren die Korrelgrootte Beïnvloeden en Controleren

1. Graad van Voorafgaande Vervorming

De verhoogde hoeveelheid voorafgaande vervorming bevordert nucleatie en vermindert de uiteindelijke korrelgrootte. Voordat rekristallisatie kan plaatsvinden, is een bepaalde hoeveelheid vervorming vereist. Dit is ongeveer 2,8 procent van de totale vervorming. Wanneer de vervorming klein is (maar groter dan de minimum vervorming), is de korrelgrootte grof omdat een klein aantal kernen wordt gevormd. Naarmate de vervorming toeneemt, neemt het aantal vervormde punten toe, en daardoor neemt de korrelgrootte af.

2. Temperatuur

Er is een temperatuur onder welke rekristallisatie niet plaatsvindt. De korrelgrootte neemt geleidelijk toe boven deze temperatuur.

3. Verhitting

Het effect van verhardingstijd op korrelgrootte wordt bepaald door de temperatuur waarop rekristallisatie plaatsvindt. Rekristallisatie duurt een bepaalde tijd om te voltooien, maar deze hoeveelheid tijd neemt af naarmate de temperatuur stijgt. Hoe fijner de korrelgrootte, des te korter de anlaattijd. De korrel wordt grover naarmate de anlaattijd toeneemt. Langzaam verwarmen bevordert korrelgroei door het vormen van nieuwe kernen, wat resulteert in grove korrel.

4. Onzuiverheden

Fijnere korrelgrootte zal aanwezig zijn met een grotere hoeveelheid en fijner verdeling van onzuiverheden. Onzuiverheden bevorderen nucleatie en fungeren als barrière voor korrelgroei.

Effect van Temperatuur op Herstel, Rekristallisatie en Korrelgroei

Fig. 3.21 vat het effect van diverse fenomenen op mechanische en fysieke eigenschappen samen.

V. In welk van de volgende processen vindt herstel, rekristallisatie en korrelgroei plaats?
a) Oppervlakteharden
b) Temperen
c) Versterken
d) Anlaten

Antwoord: D

Uitleg: In het proces van anlaten gaat het kristal door drie stadia die herstel, rekristallisatie en korrelgroei heten, in die volgorde.

Veelgestelde Vragen

Wat is het verschil tussen herstel en rekristallisatie?

Herstel – Een laagtemperatuur anlaat warmtebehandeling ontworpen om residuele spanningen geïntroduceerd tijdens vervorming te elimineren zonder de sterkte van het koudgewijzigde materiaal te verminderen.

Rekristallisatietemperatuur – De temperatuur boven welke de effecten van verharding geëlimineerd worden tijdens anlaten.

Wat is het verschil tussen herstel, rekristallisatie en korrelgroei?

Herstel treedt op bij lage temperaturen en vermindert of elimineert verhardingseffecten.

Rekristallisatie treedt op wanneer voldoende thermische energie beschikbaar is om de creatie en spanningvrije groei van nieuwe korrels in de bestaande matrix te drijven.

Korrelgroei is het resultaat van voortgezette hoge temperaturen na rekristallisatie als de korrelgrenzen worden geëlimineerd, wat resulteert in een toename van de huidige korrelgrootte ongeacht de vorige austenitische korrelgrootte.

Waarom is koud werk vereist voor herstel?

Koudwerken verhoogt de sterkte van een materiaal, maar verlaagt de duktiliteit en elektrische geleiding. Bovendien worden residuele spanningen in het materiaal geïntroduceerd door de overlappende en verwarrende dislocaties.

Wat zijn de dryvende krachten voor rekristallisatie en korrelgroei?

De dryvende kracht voor korrelgroei, of het nu continu (normale korrelgroei) of discontinu (abnormale korrelgroei) is, is de energie van de hoge-hoek grenzen. De belangrijkste dryvende kracht voor rekristallisatie om plaats te vinden is de opgeslagen energie tijdens vervorming in de vorm van kristallijke defecten.