Wielkość ziarna w następujących po sobie rodzajach rekrystalizacji ulega zmianie. Aby operować wartością jednoznaczną, przyjmuje się za miarodajną wielkość ziarna po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej, tzn. mierzoną w chwili zetknięcia się ze sobą rozrastających się zarodków, a przed rozpoczęciem rekrystalizacji równomiernej (rozrostu ziarn). Tak zdefiniowana wielkość ziarna po rekrystalizacji jest odwrotnie proporcjonalna do odkształcenia (rys.4.7.2).
Wszystkie materiały metaliczne wykazują tzw. krytyczny stopień odkształcenia, przeważnie w przedziale 2 – 12%. Odkształcenie krytyczne powoduje po rekrystalizacji szczególnie gruboziarnistą strukturę, w zasadzie szkodliwą.
Jest rzeczą oczywistą, że należy unikać, w miarę możności stosowania zgniotów krytycznych, jeśli po zgniocie materiał ma być wyżarzony.
Ogólnie biorąc wielkość ziarna po wyżarzeniu jest tym większa, im mniejszy był zgniot, im wyższa temperatura i dłuższy czas wyżarzania oraz im mniej zanieczyszczeń znajduje się w metalu. Duży wpływ ma również wyjściowa wielkość ziarna. Im ziarno to jest mniejsze, tym mniejsze ziarno dostaniemy po wyżarzaniu dla tej samej wielkości zgniotu i tych samych warunków wyżarzania.
Proces rekrystalizacji przedstawia się na wprowadzonych przez Czochralskiego wykresach w układzie współrzędnych: gniot, temperatura rekrystalizacji, wielkość ziarna po rekrystalizacji (rys. 4.8). Ponieważ wykres nie uwzględnia istotnego czynnika, czasu, opracowuje się go zwykle dla warunków jednogodzinnego wyżarzania.
Rys.4.8. Wykres rekrystalizacji (Czochralskiego ) żelaza elektrolitycznego. [14]
Jak wiemy, zgniot wywołuje daleko idące zmiany własności mechanicznych i struktury materiału. Między innymi ulegają znacznemu zmniejszeniu własności plastyczne materiału.
Jeśli zgnieciony materiał ma podlegać dalszej przeróbce plastycznej, to musimy przywrócić mu pierwotne własności plastyczne przez wyżarzenie w odpowiedniej temperaturze. Tego rodzaju zabieg nazywamy wyżarzaniem rekrystalizującym.
Wielkość ziarna po rekrystalizacji to istotny parametr strukturalny, który w znaczący sposób wpływa na właściwości mechaniczne i fizyczne metalu. Proces rekrystalizacji, który zachodzi po intensywnym odkształceniu plastycznym i odpowiednim wyżarzaniu, prowadzi do powstawania nowych, wolnych od naprężeń wewnętrznych ziaren, które różnią się wielkością i kształtem od ziaren zdeformowanych zgniotem. Ostateczna wielkość tych ziaren zależy od wielu czynników, zarówno wewnętrznych, związanych z samym materiałem, jak i zewnętrznych, wynikających z parametrów procesu technologicznego.
Zasadniczo można stwierdzić, że im większa była intensywność wcześniejszego odkształcenia plastycznego, tym drobniejsza będzie struktura ziarna po rekrystalizacji. Wynika to z faktu, że silny zgniot powoduje większe nagromadzenie dyslokacji i wyższą energię wewnętrzną materiału, co sprzyja tworzeniu licznych zarodków nowych ziaren. W takim przypadku zachodzi tzw. zarodkowanie heterogeniczne, w którym nowe ziarna formują się w wielu punktach struktury, prowadząc do powstania drobnoziarnistej mikrostruktury. Z kolei przy mniejszym odkształceniu, gdzie energia zgromadzona w materiale jest niższa, proces zarodkowania jest wolniejszy i mniej intensywny, co skutkuje powstaniem ziaren większych.
Temperatura i czas wyżarzania również odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu wielkości ziaren. Wyższe temperatury rekrystalizacji sprzyjają szybszemu wzrostowi ziaren. Jeśli materiał jest utrzymywany przez dłuższy czas w podwyższonej temperaturze, może dojść do procesu wtórnego wzrostu ziaren, który prowadzi do ich znaczącego powiększenia. Dzieje się tak dlatego, że ziarna o większej energii powierzchniowej (czyli mniejsze) są pochłaniane przez ziarna większe, co skutkuje zmniejszeniem liczby granic ziaren i ogólnym spadkiem energii układu. Ten proces, znany jako „wzrost ziaren” (grain growth), może prowadzić do pogorszenia właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość czy odporność na pękanie.
Wielkość ziarna po rekrystalizacji zależy także od składu chemicznego materiału. Obecność domieszek i pierwiastków stopowych może znacząco wpływać na rozwój mikrostruktury. Niektóre dodatki stopowe działają jako inhibitory wzrostu ziaren, tworząc przeszkody dla ruchu granic ziaren poprzez mechanizmy takie jak segregacja na granicach lub tworzenie faz wtórnych. Na przykład w stalach dodatki takie jak niob, tytan czy wanad mogą powodować powstawanie drobnych cząstek węglików lub azotków, które blokują migrację granic ziaren i stabilizują drobnoziarnistą strukturę nawet w wyższych temperaturach.
Istotne znaczenie ma także pierwotna struktura materiału przed odkształceniem oraz jednorodność odkształcenia. W przypadku niejednorodnego zgniotu rekrystalizacja może zachodzić w różnym tempie w różnych obszarach materiału, co prowadzi do powstania struktury o zróżnicowanej wielkości ziaren. Z kolei w materiałach dobrze odkształconych, o jednorodnym rozkładzie dyslokacji, rekrystalizacja zachodzi bardziej równomiernie, co skutkuje bardziej jednorodną strukturą ziarna.
W praktyce przemysłowej kontrola wielkości ziarna po rekrystalizacji jest istotnym aspektem w projektowaniu właściwości końcowych wyrobu. Drobne ziarna zapewniają lepszą wytrzymałość na rozciąganie, większą udarność i lepszą odporność na pękanie zmęczeniowe, co wynika z większej liczby granic ziaren hamujących ruch dyslokacji. Właśnie dlatego wiele technologii obróbki cieplnej i plastycznej, takich jak termomechaniczne przetwarzanie stali czy kontrolowane wyżarzanie stopów aluminium, jest ukierunkowanych na uzyskanie możliwie najdrobniejszej i najbardziej jednorodnej struktury ziarnistej.
W badaniach naukowych i kontroli jakości wielkość ziarna określa się najczęściej za pomocą metod metalograficznych, polegających na przygotowaniu odpowiednio wypolerowanych i wytrawionych próbek metalu oraz obserwacji struktury za pomocą mikroskopu optycznego lub skaningowego. Ocenę przeprowadza się według norm, takich jak ASTM E112, która pozwala przyporządkować określoną wielkość ziarna do numeru klasy ziarnistości, co umożliwia jednoznaczne porównania między różnymi materiałami i technologiami.
Podsumowując, wielkość ziarna po rekrystalizacji to efekt złożonego oddziaływania czynników takich jak intensywność wcześniejszego odkształcenia, temperatura i czas wyżarzania, skład chemiczny oraz obecność cząstek faz wtórnych. Jej kontrola jest kluczowa dla uzyskania pożądanych właściwości mechanicznych i technologicznych materiału. W procesach przemysłowych oraz inżynierii materiałowej znajomość mechanizmów wpływających na wielkość ziarna pozwala nie tylko na optymalizację procesów wytwarzania, ale także na projektowanie nowoczesnych materiałów o ściśle określonej strukturze i funkcjonalności.