|
[[پرونده:مراحل تبلور مجدد.png|بندانگشتی|522x522پیکسل|شماتیک مراحل مراحل تبلور مجدد و تأثیر آن بر اندازه دانه]]
در [[متالورژی]] انجام کار سرد باعث افزایش استحکام و سختی و کاهش [[انعطاف‌پذیری]] یا [[شکل پذیری]] می‌شود. این پدیده در اثر ادامه انجام کار سرد افزایش یافته و در نتیجه انرژی داخلی افزایش می‌یابد. این کار باعث می¬شود که ماده از نظر [[ترمودینامیک|ترمودینامیکی]] ناپایدار باشد. حرارت دادن به چنین ماده‌ای می‌تواند [[ناکاملی بلوری|معایب بلوری]] را از بین برده و ریزساختار و [[خواص فیزیکی مواد|خواص فیزیکی]] و مکانیکی اولیه را بازسازی کند. این پدیده تحت عنوان «بازیابی» و «تبلور مجدد» بررسی می‌شود.<ref>عملیات حرارتی فولادها، گلعذار، ویرایش دوم، انتشارات دانشگاه اصفهان</ref> '''تبلور مجدد''' فرایندی است که در آن دانه‌های تغییر شکل یافته با گروهی جدید از دانه‌های بی نقص جایگزین می‌شوند که شامل دو مرحله جوانه زنی و رشد کردن تا زمانی که دانه اصلی بطور کامل دربرگرفته شود می‌باشند . تبلور مجدد معمولاً با کاهش استحکام و سختی ماده و افزایش شکل‌پذیری آن همراه می‌باشد . بنابراین این فرایند ممکن است معرف یک مرحله یمرحلهٔ تعمدی از فرایند مدنظر یا به عنوان یک فراورده فرعی ناخواسته توسط مرحله دیگری از فرایند باشد . مهم‌ترین کاربرد صنعتی این فرایند نرم کردن و کنترل اندازه دانه فلزاتی است که به‌طور پیوسته توسط کار سرد سخت شده اندشده‌اند و شکل‌پذیری خود را از دست داده‌اند . همچنین پس از عملیات تبلور مجدد [[تنش پسماند|تنش‌های پسماند]] ماده آزاد می‌شود و می‌تواند برای این منظور نیز مورد استفاده قرار بگیرد .
== تعریف ==
بنابراین این فرایند می‌تواند از فرایند بازیابی (که در آن مرزهای با زاویه زیاد حرکت نمی‌کنند ) و رشد دانه (که در آن نیروی محرکه تنها به دلیل کاهش ناحیه مرز دانه می‌باشد ) متفاوت شود .
تبلور مجدد ممکن است حین یا بعد از عملیات تغییر شکل رخ دهد . تبلور مجددی که حین عملیات [[تغییر شکل (مهندسی)|تغییر شکل]] رخ می دهدمی‌دهد تبلور مجدد دینامیکی نام دارد که در آن دو عامل [[دما]] و [[کرنش]] دخیل می‌باشند . همچنین تبلور مجددی که پس از عملیات تغییر شکل و طی فرایندی مانند خنک شدن یا عملیات حرارتی ثانویه ایجاد می‌شود را تبلور مجدد استاتیکی می نامند که فقط دما در آن دخیل است . علاوه بر این تبلور مجدد می‌تواند به صورت غیر پیوسته که در آن دانه‌های متمایز جدید تشکیل می‌شوند و رشد می یابند یا به صورت پیوسته که در آن میکرو ساختار رفته رفته به میکرو ساختاری تبلور مجدد یافته تکامل می یابد ، انجام شود . تحقیقات اخیر نشان داده است که مرز بین پدیده‌های مختلف آنیل کردن اغلب نامشخص است و مشخص شده‌است که بازیابی ، تبلور مجدد و رشد دانه‌ها ممکن است به دو طریق اتفاق بیفتد . ممکن است آن‌ها به صورت نا همگن در سرتاسر ماده اتفاق بیفتند که شامل دو مرحله قابل تشخیص [[جوانه‌زنی|جوانه زنی]] و رشد می‌باشد . این حالت بیانگر فرایندی غیر پیوسته است . همچنین آن‌ها ممکن است به صورت یکنواخت اتفاق بیفتند ، به‌طوری‌که میکروساختار رفته رفته و بدون مراحل قابل شناسایی جوانه زنی و رشد ، نمو پیدا کند . این حالت نیز فرایند پیوسته نامیده می‌شود[1] . مکانیزم‌های مختلفی که در آن‌ها تبلور مجدد و بازیابی اتفاق می افتد ، پیچیده اندپیچیده‌اند و در بسیاری از موارد هنوز مورد بحث باقی مانده‌اند . توضیحاتی که در ادامه آورده شده‌است مربوط به تبلور مجدد پیوسته استاتیکی است .
== قوانین تبلور مجدد ==
# دمای بحرانی : پیرو قانون قبلی مشخص می‌شود که انجام فرایند تبلور مجدد نیازمند یک حداقل دما برای مکانیزم‌های اتمی می‌باشد .
# تغییر شکل بحرانی : مقدار کار از قبل اعمال شده بر روی ماده باید برابر مقدار انرژی لازم برای جوانه زنی و محرک رشد جوانه‌ها باشد .
# اثیر تغییر شکل بر دمای بحرانی : افزایش میزان تغییر شکل انجام شده قبلی بر ماده یا کاهش دمای تغییر شکل آن ، انرژی ذخیره شده و تعداد جوانه‌ها ی بالقوه را افزایش می دهدمی‌دهد . در نتیجه دمای فرایند تبلور مجدد با افزایش مقدار کار از قبل اعمال شده به ماده کاهش می یابد .
# تأثیر اندازه دانه‌های اولیه بر دمای بحرانی : مرز دانه‌ها مکان مناسبی برای تشکیل جوانه است . از آنجاییکه افزایش اندازه دانه باعث کاهش میزان مرز دانه می‌شود ، پس همچنین باعث کاهش نرخ جوانه زنی ( به دلیل کاهش مکان مناسب برای ایجاد جوانه ) و در نتیجه افزایش دمای مورد نیاز برای تبلور مجدد می‌شود .
# تأثیر تغییر شکل بر اندازه یاندازهٔ دانه نهایی : افزایش میزان تغییر شکل انجام شده قبلی یا کاهش دمای آن باعث افزایش نرخ جوانه زنی نسبت به رشد جوانه‌ها می‌شود و تعداد جوانه‌های ما بیشتر می‌شود ، در نتیجه با افزایش میزان تغییر شکل ، اندازه دانه نهایی کوچک‌تر می‌شود .
== نیروی محرک ==
حین تغییر شکل پلاستیک کار به عنوان انتگرال تنش و کرنش در ناحیه تغییر شکل پلاستیک بیان می‌شود . اگر چه بخش عمده این کار به گرما تبدیل می‌شود ف اما کسری از آن ( % 1-5 ) در ماده به صورت نقص ، بخصوص نابجایی باقی می ماندمی‌ماند . آرایش یافتن مجدد یا حذف این نابجایی‌ها انرژی داخلی سیستم را کاهش می دهدمی‌دهد و بدین ترتیب یک نیروی محرکه ترمودینامیکی برای چنین فرایندهایی وجود دارد . در دمای معتدل به دمای بالا ، مخصوصاً در موادی که خطای انباشتگی بالایی دارند ( مانند آلومینیوم و نیکل ) فرایند بازیابی به آسانی رخ می دهدمی‌دهد و نابجایی‌های آزاد به آسانی آرایش خود را بازیابی می‌کنند و به صورت زیر دانه‌های احاطه شده بوسیله یبوسیلهٔ مرزهای کم زاویه در می آیند . نیروی محرک ، اختلاف انرژی بین ناحیه تغییر شکل یافته و ناحیه تبلور مجدد یافته‌است . ∆E می‌تواند بوسیله چگالی نابجایی‌ها و اندازه زیردانه و انرژی مرز دانه تعیین شود<ref>RD Doherty (2005). "Primary Recrystallization". In RW Cahn; et al. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Elsevier. pp. 7847–7850.</ref>
: <math> \Delta\ E \approx\;\rho\;Gb^2 or \approx\;3\gamma\;_s/d_s \,\! </math>
[[پرونده:Ricristallizzazione e accrescimento.svg|بندانگشتی|500px|چپ|Recrystallization of a metallic material (a → b) and crystal grains growth (b → c → d).]]
در گذشته فرض می شد که نرخ [[هسته‌زایی (شیمی)|هسته‌زایی]] دانه‌های تبلور مجدد با مدل نوسانات حرارتی که بطور موفق برای فرایندهای انجماد و رسوب‌سازی استفاده می شد ، مشخص می‌شود . در این نظریه فرض بر این است که به عنوان یک نتیجه ینتیجهٔ حرکت طبیعی اتم‌ها ( که با دما افزایش می یابد ) ، جوانه‌های کوچک بطور خود به خود در ماتریس به وجود می آیند . تشکیل این جوانه‌ها با یک انرژی مورد نیاز برای تشکیل یک میانجی ( مرز ) جدید و یک انرژی آزاد شده در اثر تشکیل حجم جدیدی از ماده با انرژی پایین‌تر همراه است .اگر شعاع جوانه از شعاع بحرانی بزرگتر می بود ، از نظر ترمودینامیکی پایدار محسوب میشد و می‌توانست شروع به رشد کند . مشکل اساسی این نظریه این است که انرژی ذخیره شده به سبب نابجایی‌ها خیلی کم است (J/m3 0.1-1 ) در حالیکه انرژی مرز دانه کاملاً بالاست (J/m2 0.5) . محاسبات بر اساس این مقادیر مشخص ساخت که نرخ جوانه زنی مشاهده شده بزرگتر از مقدار محاسبه شده بوسیله فاکتور بزرگ و غیرممکن 1050 بود .
در نتیجه نظریه جایگزین که توسط cahn در سال 1949 مطرح شد اکنون در جهان مورد پذیرش واقع شده‌است . دانه‌های تبلور مجدد یافته به صورت کلاسیک جوانه زنی نمی‌کنند ، بلکه از زیر دانه‌ها و سلول‌های موجود رشد می‌کنند . "زمان نهفتگی" قسمتی بعد از بازیابی است که در آن زیر دانه‌ها با زاویه یزاویهٔ مرز کم ( کمتر از 2-1 درجه ) شروع به انباشتن و متراکم کردن نابجایی‌ها و تغییر جهت کریستالی پیوسته یپیوستهٔ بیشتر نسبت به همسایگان خود می‌کنند . افزایش در اختلاف جهت کریستالی تحرک مرز دانه و همچنین نرخ رشد زیر دانه را افزایش می دهدمی‌دهد . اگر یک زیر دانه در ناحیه محلی خود یک برتری ( مانند [[چگالی]] نابجایی زیاد ، اندازه بزرگتر یا جهت کریستالی مطلوب ) نسبت به همسایگان خود داشته باشد ، این زیردانه قادر به رشد سریع تر نسبت به رقبای خود خواهد بود .هنگامی که این زیردانه رشد می‌کند ، مرز هایشمرزهایش نیز با توجه به مواد اطرافش دارای اختلاف جهت بیشتر می‌شود تا زمانی که بتواند به صورت یک دانه یدانهٔ کاملاً عاری از کرنش در بیاید .
شکل 2 a تا b تبلور مجدد و b تا d رشد دانه‌های حاصل از تبلور مجدد را نشان می دهدمی‌دهد .
== سینتیک تبلور مجدد ==
: <math> f = \frac{4}{3} \pi\ \dot NG^3 \int_{0}^{t} (t-t_0)^3\, dt = \frac{ \pi\ }{3}\dot NG^3t^4 \,\! </math>
:
این معادله در مراحل اولیه تبلور مجدد زمانی‌که F≪1 و دانه های در حال رشد به هم برخورد نکرده باشند معتبر است . زمانی که دانه‌ها در آستانه برخورد و به هم رسیدن قرار میگیرندمی‌گیرند نرخ رشد کم می‌شود و این مسئله به کسری از مواد تغییر شکل نیافته بستگی دارد که توسط معادله یمعادلهٔ جانسون-مل به دست می‌آید :
: <math> f = 1 - \exp \left (- \frac{ \pi\ }{3} \dot NG^3t^4 \right ) \,\! </math>
:
در حالی که این معادله تعریف بهتری از فرایند را بیان می‌کند اما هنوز فرض بر این است که دانه‌ها به شکل کروی می‌باشند ، نرخ جوانه زنی و رشد ثابت است ، دانه‌ها به صورت تصادفی پخش شده اندشده‌اند و زمان جوانه زنی(t0)کوچک است . در عمل تعداد کمی از این فرضیات معتبر هستند و نیاز است که یک مدل بهتر جایگزین استفاده شود .
عموماً این‌گونه تصدیق شده‌است که هر مدل مفیدی باید نه تنها برای شرایط اولیه یاولیهٔ ماده جواب دهد ، بلکه همواره برای روابط در حال تغییر بین رشد دانه‌ها ، ماتریس تغییر شکل یافته و هر فاز ثانویه یا فاکتورهای میکرو ساختاری دیگر نیز پاسخگو باشد . این مسأله بیشتر در سیستم‌های دینامیکی که تغییر شکل و تبلور مجدد هم‌زمان انجام می‌شود ، پیچیده تر می‌شود . در نتیجه بطور کلی ثابت کردن یک مدل پیش‌بینی دقیق برای فرایندهای صنعتی بدون توسل به آزمون‌های تجربی گوناگون غیرممکن است .
== فاکتورهای مؤثر در سرعت ==
دمای فرایند آنیل تأثیر چشم‌گیری بر سرعت تبلور مجدد که در معادله بالا آورده شد دارد . اگرچه در یک درجه حرارت معین ، چندین فاکتور دیگر نیز در سرعت تأثیرگذار خواهند بود.
سرعت تبلور مجدد به شدت تحت تأثیر میزان تغییر شکل و به میزان کمتری تحت تأثیر شیوه اعمال تغییر شکل است . موادی که در آن‌ها تغییر شکل بیشتری اتفاق افتاده است بسیار سریعتر از موادی که به میزان کمتری تغییر شکل یافته‌اند ، تبلور مجدد میابند . در واقع یک میزان تغییر شکل حداقل نیاز است تا تبلور مجدد اتفاق بی افتد و با میزان تغییر شکل کمتر از این مقدار ، تبلور مجددی اتفاق نمی‌افتد . تغییر شکل در دمای بالاتر ممکن است باعث بازیابی شود که موافق با تبلور مجدد می‌باشد و در چنین مواردی تبلور مجدد با سرعت آهسته تر نسبت به مواد تغییر شکل یافته در دمای محیط انجام می‌شود (به‌طور مثال نورد سرد و گرم) در موارد خاص ممکن است تغییر شکل به صورت غیر معمولی همگن یا فقط در صفحات خاص کریستالوگرافی اتفاق بی افتد.
جهت دانه و این موضوع که در حین تغییر شکل این جهت چگونه تغییر می‌کند بر مقدار انرژی انباشتگی و در نتیجه بر سرعت تبلور مجدد تأثیر میگذارد . تحرک مرز دانه تحت تأثیر جهت آن است و بنابراین برخی از بافت‌های کریستالوگرافی نسبت به دیگری دارای سرعت رشد بیشتر هستند . اتم‌های حل شده چه نا خالصی‌ها و چه اتم‌هایی که به صورت عمدی اضافه شده اندشده‌اند تأثیر عمیقی بر سینتیک تبلور مجدد دارند . حتی یک غلظت جزئی ممکن است تأثیر مهمی داشته باشد ، به‌طور مثال 0.004% آهن دمای تبلور مجدد را حدود 100 درجه بالا میبرد<ref name="FJ Humphreys 2004"/> درحال حاضر مشخص نیست که این اثر اصولاً باعث کاهش جوانه زنی شده یا تحرک مرزدانه را برای رشد کاهش می‌دهد .
== تأثیر فاز ثانویه ==
=== رسوبات ریز ===
تبلور مجدد به وسیله یوسیلهٔ رسوبات ریزی که پراکنده شده اندشده‌اند و فاصله آن‌ها از هم کم می‌باشد ، یا متوقف می‌شود یا سرعت آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش میابد که این عمل به دلیل فشار ناشی از سنجاق شدن مرزهای دانه‌های با زاویه کم و زیاد است . این فشار مستقیماً با نیروی محرک ناشی از چگالی نابجایی‌ها مخالفت می‌کند و تأثیر آن بر سینتیک جوانه زنی و رشد جوانه می‌باشد . این تأثیر می‌تواند با توجه به تراز پراکندگی رسوبات <math> F_v/r </math> توجیه شود که در آن Fv کسر حجمی فاز ثانویه و r شعاع آن می‌باشد . در نسبت <math> F_v/r </math> پایین ، اندازه دانه به وسیله تعداد جوانه‌ها تعیین می‌شود و به همین ترتیب ممکن است که در ابتدا این اندازه خیلی کوچک باشد . اگر چه دانه‌ها از نظر رشد دانه ناپایدارند اما در حین عملیات آنیل آنقدر رشد می‌کنند تا رسوبات ، فشار کافی سنجاق کردن را برای متوقف کردن دانه‌ها از خود نشان دهند . در نسبت‌های مناسب <math> F_v/r </math> ، اندازه دانه بازهم توسط تعداد جوانه‌ها مشخص می‌شود ، اما در اینجا دانه‌ها از نظر رشد معمولی پایدارند (در حالی که احتمال رشد غیرطبیعی هنوز وجود دارد) و در نسبت <math> F_v/r </math> بالا ، ساختار تغییر شکل یافته که دچار تبلور مجدد نشده استنشده‌است ، پایدار می‌باشد و جلوی انجام تبلور مجدد گرفته شده‌است .
=== رسوبات بزرگ ===
[[پرونده:تاثیر اندازه و کسر حجمی رسوبات بر اندازه دانه تبلور مجدد یافته (چپ) و دانه متشکل از PSN (راست).png|بندانگشتی|441x441پیکسل|تاثیر اندازه و کسر حجمی رسوبات بر اندازه دانه تبلور مجدد یافته (چپ) و دانه متشکل از PSN (راست)]]
نواحی تغییر شکل در اطراف رسوبات بزرگ غیر قابلغیرقابل تغییر شکل(بالای 1 میکرومتر) ، به وسیله یوسیلهٔ چگالی نابجایی بالا و گرادیان جهت‌گیری کریستالی بزرگ مشخص شده اندشده‌اند و مکان‌های ایده‌آل برای گسترش جوانه‌های تبلور مجدد می‌باشند . این پدیده جوانه زنی متاثر از رسوب (PSN) نامیده می‌شود که یکی از معدود راه‌های کنترل فرایند تبلور مجدد به وسیله یوسیلهٔ کنترل توزیع رسوبات است.
اندازه یاندازهٔ ناحیه و اختلاف جهت مرز دانه‌ها در ناحیه تغییر شکل یافته به اندازه رسوبات وابسته است . بنابراین یک مقدار کمینه برای اندازه رسوبات به منظور جوانه زنی اولیه وجود دارد . افزایش میزان تغییر شکل، کمینه ی اندازهکمینهٔ یاندازهٔ رسوبات را کاهش خواهد داد . اگر بازده‌ای PSN برابر 1 باشد ( یعنی هر رسوب یک جوانه را تحریک کند ) آنگاه اندازه دانه نهایی به آسانی توسط تعداد رسوبات تعیین می‌شود . اگر چندین جوانه در هر رسوب تشکیل شود این بازده بزرگتر از 1 است ، اما این موضوع یک امر غیرمعمول می‌باشد . این بازده می‌تواند کمتر از 1 هم باشد اگر رسوبات نزدیک به اندازه بحرانی باشند . در این حالت بخش بزرگی از رسوبات کوچک به جای شروع به تبلور مجدد، جلوی انجام آن را میگیرندمی‌گیرند .
پیشبینیپیش‌بینی رفتار تبلور مجدد موادی که توزیع گسترده‌ای از اندازه رسوبات را شامل می‌شوند دشوار است . رسوبات آلیاژهای مرکب از نظر حرارتی ناپایدار اند و ممکن است رشد کنند یا در اثر زمان حل شوند . این حالت در آلیاژهای دو جزئی که فقط دو جزء مجزا دارند ساده‌تر می‌شود . یک مثال آلیاژ Al-Si است که در آن نشان داده شده‌است که حتی در حضور رسوبات بزرگ ، رفتار تبلور مجدد توسط رسوبات کوچک تعیین می‌شود<ref>HM Chan; FJ Humphreys (1984). "The recrystallisation of aluminium-silicon alloys containing a bimodal particle distribution". Acta Metallurgica. 32 (2): 235–243. doi:10.1016/0001-6160(84)90052-X</ref>. در چنین مواردی میکروساختار نهایی تمایل دارد شبیه آلیاژی شامل تنها رسوبات کوچک شود .
== منابع ==
| 