إعادة التبلور (علم المعادن)

في علم المواد ، تُعرف إعادة التبلور بأنها عملية يتم فيها استبدال الحبيبات المشوهة بمجموعة جديدة من الحبيبات الخالية من العيوب ، والتي تتشكل وتنمو حتى تُستهلك الحبيبات الأصلية بالكامل. عادةً ما يصاحب إعادة التبلور انخفاض في قوة وصلابة المادة ، وزيادة متزامنة في مطيليتها . لذا، قد تُستخدم هذه العملية كخطوة مقصودة في معالجة المعادن، أو قد تكون ناتجًا ثانويًا غير مرغوب فيه لخطوة معالجة أخرى. من أهم استخداماتها الصناعية تليين المعادن التي سبق تقويتها أو جعلها هشة بفعل التشكيل على البارد ، والتحكم في بنية الحبيبات في المنتج النهائي. تتراوح درجة حرارة إعادة التبلور عادةً بين 0.3 و0.4 ضعف درجة انصهار المعادن النقية، و0.5 ضعف درجة انصهار السبائك.

تُعرَّف عملية إعادة التبلور بأنها العملية التي تتخذ فيها حبيبات البنية البلورية بنية جديدة أو شكلاً بلورياً جديداً.

يصعب تحديد تعريف دقيق لإعادة التبلور، إذ ترتبط هذه العملية ارتباطًا وثيقًا بالعديد من العمليات الأخرى، وأبرزها الاستخلاص ونمو الحبيبات . وفي بعض الحالات، يصعب تحديد النقطة التي تبدأ عندها عملية وتنتهي أخرى بدقة. وقد عرّف دوهرتي وآخرون إعادة التبلور على النحو التالي:

"... تكوين بنية حبيبية جديدة في مادة مشوهة من خلال تكوين وهجرة حدود الحبيبات ذات الزاوية العالية مدفوعة بالطاقة المخزنة للتشوه. حدود الحبيبات ذات الزاوية العالية هي تلك التي يزيد انحرافها عن 10-15 درجة" ^{[ 1 ]}

وبالتالي، يمكن التمييز بين هذه العملية والاستعادة (حيث لا تهاجر حدود الحبيبات ذات الزاوية العالية) ونمو الحبيبات (حيث تكون القوة الدافعة ناتجة فقط عن انخفاض مساحة الحدود). قد تحدث إعادة التبلور أثناء التشوه أو بعده (أثناء التبريد أو المعالجة الحرارية اللاحقة، على سبيل المثال). يُطلق على الأولى اسم الديناميكية ، بينما تُسمى الثانية بالثابتة . بالإضافة إلى ذلك، قد تحدث إعادة التبلور بطريقة غير متصلة، حيث تتشكل حبيبات جديدة متميزة وتنمو، أو بطريقة متصلة، حيث يتطور التركيب المجهري تدريجيًا إلى تركيب مجهري مُعاد تبلوره. تُعد الآليات المختلفة التي تحدث بها إعادة التبلور والاستعادة معقدة، وفي كثير من الحالات لا تزال مثيرة للجدل. ينطبق الوصف التالي بشكل أساسي على إعادة التبلور الثابتة غير المتصلة، وهي النوع الأكثر شيوعًا وربما الأكثر فهمًا. تشمل الآليات الإضافية إعادة التبلور الديناميكية ( الهندسية ) وهجرة الحدود الناتجة عن الإجهاد .

تحدث إعادة التبلور الثانوية عندما ينمو عدد قليل جدًا من حبيبات {110}<001> (جوس) بشكل انتقائي، بمعدل حبة واحدة تقريبًا من بين كل 106 حبيبات أولية، على حساب العديد من الحبيبات الأولية الأخرى المعاد تبلورها. ينتج عن ذلك نمو غير طبيعي للحبيبات ، والذي قد يكون مفيدًا أو ضارًا لخصائص مادة المنتج. تتمثل آلية إعادة التبلور الثانوية في صغر حجم الحبيبات الأولية وتجانسها، ويتحقق ذلك من خلال تثبيط النمو الطبيعي للحبيبات بواسطة رواسب دقيقة تُسمى مثبطات النمو. ^{[ 2 ]} سُميت حبيبات جوس تكريمًا لنورمان ب. جوس ، مخترع الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات حوالي عام 1934.

توجد عدة قوانين لإعادة التبلور، وهي في الغالب قوانين تجريبية:

• يتم تنشيطها حرارياً . يعتمد معدل الآليات المجهرية التي تتحكم في تكوين ونمو الحبيبات المعاد تبلورها على درجة حرارة التلدين. وتشير معادلات من نوع أرهينيوس إلى وجود علاقة أسية.
• درجة الحرارة الحرجة . بناءً على القاعدة السابقة، يتضح أن إعادة التبلور تتطلب درجة حرارة دنيا لحدوث الآليات الذرية اللازمة. تنخفض درجة حرارة إعادة التبلور هذه مع زيادة مدة التلدين.
• التشوه الحرج . يجب أن يكون التشوه المسبق المطبق على المادة كافياً لتوفير النوى والطاقة المخزنة الكافية لدفع نموها.
• يؤثر التشوه على درجة الحرارة الحرجة . فزيادة مقدار التشوه السابق، أو خفض درجة حرارة التشوه، يزيد من الطاقة المخزنة وعدد النوى المحتملة. ونتيجة لذلك، تنخفض درجة حرارة إعادة التبلور مع زيادة التشوه.
• يؤثر حجم الحبيبات الأولي على درجة الحرارة الحرجة . تُعد حدود الحبيبات مواقع جيدة لتكوّن النوى. وبما أن زيادة حجم الحبيبات تؤدي إلى تقليل عدد الحدود، فإن ذلك ينتج عنه انخفاض في معدل التكوّن النووي، وبالتالي ارتفاع في درجة حرارة إعادة التبلور.
• يؤثر التشوه على حجم الحبيبات النهائي . فزيادة التشوه، أو خفض درجة حرارته، يزيد من معدل التكوين النووي أسرع من معدل النمو. ونتيجة لذلك، يقل حجم الحبيبات النهائي مع زيادة التشوه.

أثناء التشوه اللدن، يكون الشغل المبذول هو تكامل الإجهاد والانفعال في نطاق التشوه اللدن. على الرغم من أن معظم هذا الشغل يتحول إلى حرارة، إلا أن جزءًا منه (حوالي 1-5%) يبقى في المادة على شكل عيوب، وخاصةً الانخلاعات. يؤدي إعادة ترتيب هذه الانخلاعات أو إزالتها إلى تقليل الطاقة الداخلية للنظام، وبالتالي توجد قوة دافعة ديناميكية حرارية لهذه العمليات. عند درجات حرارة متوسطة إلى عالية، وخاصةً في المواد ذات طاقة خطأ التراص العالية مثل الألومنيوم والنيكل، يحدث التعافي بسهولة، وتعيد الانخلاعات الحرة ترتيب نفسها بسهولة في حبيبات فرعية محاطة بحدود حبيبية منخفضة الزاوية. القوة الدافعة هي فرق الطاقة بين الحالة المشوهة والحالة المعاد تبلورها ΔE ، والذي يمكن تحديده من خلال كثافة الانخلاعات أو حجم الحبيبات الفرعية وطاقة الحدود (دوهيرتي، 2005).

${\displaystyle \Delta \ E\approx \;\rho \;Gb^{2}\;{\rm {or}}\;\approx \;3\gamma _{s}/d_{s}\,\!}$

حيث ρ هي كثافة الانخلاعات، و G هو معامل القص، و b هو متجه برجر للانخلاعات، و γ _s هي طاقة حدود الحبيبات الفرعية و d _s هو حجم الحبيبات الفرعية.

تاريخيًا ، كان يُفترض أن معدل تكوّن النوى في الحبيبات المُعاد تبلورها حديثًا يتحدد بنموذج التذبذب الحراري الذي استُخدم بنجاح في ظواهر التصلب والترسيب . تفترض هذه النظرية أنه نتيجةً للحركة الطبيعية للذرات (التي تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة)، تنشأ نوى صغيرة تلقائيًا في المادة الأساسية. يرتبط تكوّن هذه النوى باستهلاك طاقة ناتج عن تكوين سطح بيني جديد، وتحرر طاقة ناتج عن تكوين حجم جديد من مادة ذات طاقة أقل. إذا كانت النوى أكبر من نصف قطر حرج معين، فإنها تصبح مستقرة ديناميكيًا حراريًا ويمكنها البدء في النمو. تكمن المشكلة الرئيسية في هذه النظرية في أن الطاقة المُخزّنة بسبب الانخلاعات منخفضة جدًا (0.1-1 جول/م³ ⁾ ، بينما طاقة حدود الحبيبات عالية نسبيًا (حوالي 0.5 جول/م³ ⁾ . أظهرت الحسابات المستندة إلى هذه القيم أن معدل التكوين الملاحظ كان أكبر من المعدل المحسوب بعامل كبير بشكل لا يصدق (~10 ⁵⁰ ).

نتيجةً لذلك، أصبحت النظرية البديلة التي اقترحها كان عام ١٩٤٩ مقبولةً عالميًا. لا تتشكل الحبيبات المُعاد تبلورها بالطريقة التقليدية، بل تنمو من حبيبات وخلايا فرعية موجودة مسبقًا. تُعرف فترة الحضانة بأنها فترة تعافي تبدأ خلالها الحبيبات الفرعية ذات الحدود منخفضة الزاوية (أقل من ١-٢ درجة) بتراكم الانخلاعات وتصبح أكثر اختلافًا في اتجاهها بالنسبة لحبيبات جيرانها. يؤدي ازدياد اختلاف الاتجاه إلى زيادة حركة الحدود، وبالتالي يزداد معدل نمو الحبيبة الفرعية. إذا تميزت إحدى الحبيبات الفرعية في منطقة معينة بميزة على جيرانها (مثل كثافة عالية للانخلاعات محليًا، أو حجم أكبر، أو اتجاه مناسب)، فإنها ستتمكن من النمو بسرعة أكبر من منافسيها. ومع نموها، يصبح حدها أكثر اختلافًا في اتجاهه بالنسبة للمادة المحيطة بها حتى يمكن التعرف عليها كحبيبة جديدة تمامًا خالية من الإجهاد.

تُلاحظ عادةً حركية إعادة التبلور وفقًا للنمط الموضح. توجد فترة "تكوين النواة" الأولية t₀ حيث تتشكل النوى، ثم تبدأ بالنمو بمعدل ثابت مستهلكةً المادة الأساسية المشوهة. على الرغم من أن العملية لا تتبع بدقة نظرية تكوين النواة الكلاسيكية _، إلا أنه غالبًا ما يُلاحظ أن هذه الأوصاف الرياضية تُقدم تقريبًا جيدًا على الأقل. بالنسبة لمجموعة من الحبيبات الكروية، يكون متوسط ​​نصف القطر R عند الزمن t هو (همفريز وهاثرلي 2004):

${\displaystyle R=G\left(t-t_{0}\right)\,\!}$

حيث t₀ هو زمن التكوين و G هو معدل النمو dR/dt. إذا تشكلت N نواة في الفترة الزمنية dt ، وبافتراض أن الحبيبات كروية الشكل، فإن الكسر الحجمي سيكون _:

${\displaystyle f={\frac {4}{3}}\pi \ {\dot {N}}G^{3}\int _{0}^{t}(t-t_{0})^{3}\,dt={\frac {\pi \ }{3}}{\dot {N}}G^{3}t^{4}\,\!}$

تكون هذه المعادلة صالحة في المراحل المبكرة من إعادة التبلور عندما تكون قيمة f أقل بكثير من 1، ولا تتصادم الحبيبات النامية مع بعضها البعض. بمجرد أن تتلامس الحبيبات، يتباطأ معدل النمو ويرتبط بنسبة المادة غير المتحولة (1-f) وفقًا لمعادلة جونسون-ميهل.

${\displaystyle f=1-\exp \left(-{\frac {\pi \ }{3}}{\dot {N}}G^{3}t^{4}\right)\,\!}$

رغم أن هذه المعادلة تقدم وصفًا أفضل للعملية، إلا أنها لا تزال تفترض أن الحبيبات كروية الشكل، وأن معدلات التكوين والنمو ثابتة، وأن النوى موزعة عشوائيًا، وأن زمن التكوين t₀ _قصير . عمليًا، قليل من هذه الافتراضات صحيح، ولذا يلزم استخدام نماذج بديلة.

من المسلّم به عمومًا أن أي نموذج مفيد لا بد أن يأخذ في الحسبان الحالة الأولية للمادة، فضلًا عن العلاقة المتغيرة باستمرار بين الحبيبات النامية، والمصفوفة المشوهة، وأي أطوار ثانوية أو عوامل بنيوية دقيقة أخرى. ويزداد الوضع تعقيدًا في الأنظمة الديناميكية حيث يحدث التشوه وإعادة التبلور في آنٍ واحد. ونتيجةً لذلك، فقد ثبت عمومًا استحالة إنتاج نموذج تنبؤي دقيق للعمليات الصناعية دون اللجوء إلى اختبارات تجريبية مكثفة. ونظرًا لأن ذلك قد يتطلب استخدام معدات صناعية لم تُصنع بعد، فإن هذا النهج ينطوي على صعوبات واضحة.

تحتوي العديد من السبائك ذات الأهمية الصناعية على نسبة حجمية من جسيمات الطور الثاني، إما نتيجة للشوائب أو من إضافات السبائك المتعمدة. وبحسب حجم هذه الجسيمات وتوزيعها، فقد تعمل على تشجيع أو إبطاء عملية إعادة التبلور.

الجسيمات الصغيرة

يُمنع إعادة التبلور أو يتباطأ بشكل ملحوظ بسبب تشتت الجسيمات الصغيرة المتقاربة نتيجةً لتثبيت زينر على حدود الحبيبات ذات الزوايا المنخفضة والعالية. يُعارض هذا الضغط مباشرةً القوة الدافعة الناتجة عن كثافة الانخلاعات، ويؤثر على كلٍ من حركية التكوين والنمو. ويمكن تفسير هذا التأثير بالنظر إلى مستوى تشتت الجسيمات.${\displaystyle F_{v}/r}$أين${\displaystyle F_{v}}$يمثل نسبة حجم الطور الثاني، و r هو نصف القطر. عند قيم منخفضة${\displaystyle F_{v}/r}$ the grain size is determined by the number of nuclei, and so initially may be very small. However the grains are unstable with respect to grain growth and so will grow during annealing until the particles exert sufficient pinning pressure to halt them. At moderate ${\displaystyle F_{v}/r}$ the grain size is still determined by the number of nuclei but now the grains are stable with respect to normal growth (while abnormal growth is still possible). At high ${\displaystyle F_{v}/r}$ the unrecrystallized deformed structure is stable and recrystallization is suppressed.

Large particles

The deformation fields around large (over 1 μm) non-deformable particles are characterised by high dislocation densities and large orientation gradients and so are ideal sites for the development of recrystallization nuclei. This phenomenon, called particle stimulated nucleation (PSN), is notable as it provides one of the few ways to control recrystallization by controlling the particle distribution.

The size and misorientation of the deformed zone is related to the particle size and so there is a minimum particle size required to initiate nucleation. Increasing the extent of deformation will reduce the minimum particle size, leading to a PSN regime in size-deformation space. If the efficiency of PSN is one (i.e. each particle stimulates one nuclei), then the final grain size will be simply determined by the number of particles. Occasionally the efficiency can be greater than one if multiple nuclei form at each particle but this is uncommon. The efficiency will be less than one if the particles are close to the critical size and large fractions of small particles will actually prevent recrystallization rather than initiating it (see above).

The recrystallization temperature is temperature at which recrystallization can occur for a given material and processing conditions. This is not a set temperature and is dependent upon factors including the following:^[3]

• زيادة وقت التلدين يقلل من درجة حرارة إعادة التبلور
• تتميز السبائك بدرجات حرارة إعادة تبلور أعلى من المعادن النقية.
• زيادة كمية التشكيل على البارد تقلل من درجة حرارة إعادة التبلور
• يؤدي صغر حجم الحبيبات المشكلة على البارد إلى انخفاض درجة حرارة إعادة التبلور

درجات حرارة إعادة التبلور الشائعة في معادن مختارة ^{[ 4 ]}

معدن	درجة حرارة إعادة التبلور (${\displaystyle ^{\circ }\mathrm {C} }$)	درجة الانصهار (${\displaystyle ^{\circ }\mathrm {C} }$)
الرصاص	99	327
ال	198	660
المغنيسيوم	195	650
النحاس	326	1085
Fe	462	1538
دبليو	1024	3410

• مخطط الطور

• آر إل بارتو؛ إل جيه إيبرت (1971). "تأثير حالة إجهاد التشوه على حركية إعادة التبلور للموليبدينوم". المعاملات المعدنية . 2 (6): 1643-1649 . Bibcode : 1971MT......2.1643B . doi : 10.1007/BF02913888 . S2CID 136433819 . 
• إتش إم تشان؛ إف جيه همفريز (1984). "إعادة تبلور سبائك الألومنيوم والسيليكون التي تحتوي على توزيع ثنائي النمط للجسيمات". أكتا ميتالورجيكا . 32 (2): 235-243 . doi : 10.1016/0001-6160(84)90052-X .
• آر دي دوهرتي (2005). "إعادة التبلور الأولية". في آر دبليو كان وآخرون  (محررون). موسوعة المواد: العلوم والتكنولوجيا . إلسيفير. الصفحات 7847-7850 . 
• آر دي دوهرتي؛ دي إيه هيوز؛ إف جيه همفريز؛ جيه جيه جوناس؛ دي جول جينسون؛ إم إي كاسنر؛ دبليو إي كينج؛ تي آر ماكنيللي؛ إتش جيه ماكوين؛ إيه دي روليت (1997). "قضايا راهنة في إعادة التبلور: مراجعة". علم وهندسة المواد . A238 : 219-274 .
• إف جيه همفريز؛ إم هاثرلي (2004). إعادة التبلور وظواهر التلدين ذات الصلة . إلسيفير.