Деформация металлов, вызывающая увеличение количества нарушений кристаллического строения, повышает свободную энергию металла, т. е. делает его термодинамически неустойчивым. Поэтому в металле, особенно при нагреве, самопроизвольно протекают процессы, приводящие его в более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. При нагреве деформированного металла в нём протекают процессы возврата и рекристаллизации. Под возвратом понимают частичное возвращение искажённой решётки к нормальному состоянию. Различают две стадии возврата: отдых и полигонизацию. В процессе отдыха, протекающего при температурах ниже 0,2 от абсолютной температуры плавления, наблюдается повышение структурного совершенства наклёпанного металла*: поглощение вакансий и межузельных атомов дислокациями, сток вакансий к границам зёрен, аннигиляция дислокаций противоположных знаков и т. д. В процессе первой стадии возврата новых субграниц не образуется.

На второй стадии – полигонизации, протекающей при более высоких температурах, чем первая (обычно при (0,25–0,3)Т_пл), но при более низких, чем рекристаллизация, происходит дробление зёрен по плоскостям скольжения или по внутризёренным поверхностям раздела на части – субзёрна (полигоны).

В процессе возврата механические свойства изменяются мало, электросопротивление восстанавливается полностью.

При нагреве наклёпанного металла до температуры, составляющей для технически чистых металлов примерно 0,4Т_пл (правило А.А. Бочвара), наблюдается зарождение новых с менее искажённой решёткой зёрен и их рост за счёт деформированных. Процессы образования и роста новых зёрен получили название рекристаллизации обработки, или первичной рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается рекристаллизация, – температурного порога рекристаллизации.

Для химически чистых металлов температура начала рекристаллизации снижается до (0,1–0,2)Т_пл, а для сплавов может достигать значений (0,5–0,6)Т_пл и более высоких.

В результате первичной рекристаллизации наклёп практически полностью снимается. Плотность дислокаций снижается с величины 10¹⁰–10¹² см^-2 на 4 порядка. Для ускорения процесса рекристаллизации металл нагревают до температур, несколько превышающих температурный порог рекристаллизации (рекристаллизационный отжиг). После завершения первичной рекристаллизации при повышении температуры происходит рост одних новых кристаллов за счёт других, тоже новых кристаллов. Этот процесс получил название вторичной, или собирательной рекристаллизации.

Рис. 21. Характер изменения механических свойств наклёпанного металла в зависимости от температуры отжига

На рис. 21 схематически показано изменение механических свойств в зависимости от температуры нагрева деформированного металла, т. е. по мере возврата и рекристаллизации. В результате рекристаллизации механические свойства резко изменяются: предел прочности, пределы упругости и текучести, твёрдость уменьшаются, а пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение) и сопротивление удару повышаются.

На рис. 17 схематически показано изменение механических свойств в зависимости от температуры нагрева деформированного металла, т.е. по мере возврата и рекристаллизации. В результате рекристаллизации механические свойства резко изменяются: предел прочности, пределы упругости и текучести, твердость уменьшаются, а пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение) и сопротивление удару повышаются.

Изменяя свойства в направлении, обратном тому, в котором они изменялись в процессе деформации, возврат и рекристаллизация делают возможным продолжение механической обработки наклёпанных и ставших хрупкими в результате деформации металлов и сплавов. В этом заключается большая польза рекристаллизации в технологии обработки металлов.

Однако при неправильно выбранных режимах обработки, рекристаллизация, вызывая сильный рост и неблагоприятную ориентировку кристаллов (перегрев), может принести большой вред. В ряде случаев рекристаллизацией намеренно выращивают крупные зёрна металла, например, для улучшения магнитных свойств трансформаторной кремнистой стали.

Интересно отметить, что для некоторых металлов температура рекристаллизации ниже комнатной. Например, для свинца она составляет минус 30 ^оС, для олова – минус 70 ^оС. Поэтому деформация подобных металлов при комнатной температуре будет являться для них горячей обработкой давлением. Другое дело вольфрам. Для него обработка давлением даже при температуре 1 000–1 100 ^оС является холодной технологической операцией, поскольку температура его рекристаллизации составляет 1 200 ^оС.

Размер зерна после холодной пластической деформации и рекристаллизации определяется температурой и продолжительностью рекристаллизационного отжига, степенью предварительной деформации, размером исходного зерна, химическим составом сплава, наличием нерастворимых примесей и другими факторами. Малые степени деформации не вызывают рекристаллизацию металла при его нагреве. При деформации 3–15 % размер зерна после отжига резко возрастает и может многократно превосходить размер исходного зерна. Эта степень деформации называется критической. Нагрев металла после критической степени деформации не приводит к зарождению новых зёрен и их росту. Он вызывает только быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных и менее деформированных зёрен за счет других, более деформированных, обладающих повышенной свободной энергией. Если степень деформации больше критической, происходит первичная рекристаллизация.

В случае высоких степеней деформации возникает текстура, которая может явиться при последующем нагреве металла причиной формирования текстуры рекристаллизации. Образовавшиеся новые зёрна характеризуются преимущественной кристаллографической ориентацией. Металл в этом случае обладает анизотропией свойств.

Наряду с холодной деформацией, о которой упоминалось выше, широко распространена и горячая деформация. Их отличие состоит в том, что холодная деформация проводится ниже температур рекристаллизации, а горячая – выше, при 0,7–0,75Т_пл. Горячая деформация, как и холодная, вызывает упрочнение – «горячий наклёп», который частично или полностью снимается рекристаллизацией при температурах обработки и последующем охлаждении. При горячей обработке давлением процесс упрочнения в результате наклёпа чередуется с процессом разупрочнения за счёт рекристаллизации.

Если металл после деформации обладает частично рекристаллизованной структурой, то такую обработку называют тёплой деформацией или неполной горячей.