19.2. Полиморфные превращения

Полиморфные превращения – это переход одной фазы твердого вещества в другую фазу того же вещества.

Например, железо по мере нагревания (или охлаждения) претерпевает ряд фазовых превращений I и II рода.

Низкотемпературная -модификация имеет ОЦК-решетку и является ферромагнитной. При температуре 768С -Fe переходит в -Fe с той же решеткой, но -Fe обладает парамагнитными свойствами. Температура Т_К = 768С является точкой Кюри, при которой ферромагнитное железо превращается в парамагнитное. Переход -Fe-Fe является фазовым переходом второго рода. ОЦК решетка железа сохраняется до температуры Т_ = 911С, при которой -Fe превращается в -Fe с ГЦК-решеткой. При дальнейшем нагревании  (ГЦК) фаза переходит в -фазу, имеющую ОЦК решетку с параметрами отличными от (ОЦК)-фазы. Полиморфное превращение -Fe в -Fe происходит при Т_ = 1392С. Переходы -Fe-Fe и -Fe-Fe являются полиморфными. Плавится чистое (-Fe) при температуре 1539С.

Полиморфные превращения относят к фазовым превращениям I рода, поскольку они сопровождаются поглощением (или выделением) теплоты превращения и скачкообразным изменением удельного объема.

При нагревании железа, например, от 20°С до 1600°С следует, что общее количество теплоты Q, затрачиваемое на нагрев, равно:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ + Q₇ + Q₈ + Q₉;

Q₁ = с_m(Т_- T₂₀) ;

Q₂ = L₁m;

Q₃ = с_m(Т_- T_);

Q₄ = L₂m;

Q₅ = с_m(T_ -T_);

Q₆ = L₃m;

Q₇ = с_m(T_L -T_);

Q₈ = L₄m;

Q₉ = с_жm(Т₁₆₀₀- T_пл) ;

где L₁, L₂, L₃, L₄ - удельные теплоты соответствующих превращений; с_, с_, с_, с_,, с_ж - удельные теплоемкости , , ,  и жидкой фаз.

Превращения в твердой фазе могут происходить не только при изменении температуры, но и при изменении давления, при длительном отжиге, закалке и т.д.

Главная особенность фазовых превращений в твердом состоянии связана с ролью упругих напряжений, вызванных разницей удельных объемов старой и новой фаз. Выигрыш в объемной энергии G_V должен компенсироваться проигрышем G_S, связанным с образованием новых поверхностей раздела, и с упругим сопротивлением среды G_e.

19.3. Бездиффузионные и диффузионные превращения

Превращения, не требующие перераспределения компонентов, называются бездиффузионными.

При бездиффузионном превращении скорость роста кристалла определяется скоростью перемещения границы раздела фаз. Бездиффузионные превращения происходят в чистых металлах, в стехиометрических химических соединениях и др. Различают несколько типов бездиффузионных превращений:

-нормальное,

-мартенситное,

-массивное.

Нормальное превращение аналогично процессу кристаллизации из жидкой среды. Рост новой области фазы состоит в присоединении к ней атомов, находящихся непосредственно вблизи поверхности раздела, причем, отдельные акты присоединения не зависят друг от друга (рис. 19.1. а).

Рис. 19.1. Нормальный механизм роста зародыша (а), энергетика (б) и кинетика (в) роста.

В процессе перехода атомов элементарный акт превращения связан с переходом через потенциальный барьер (рис. 19.1. б).

Скорость превращения _пр при нормальном росте зависит от температуры аналогично процессу кристаллизации из жидкой среды (рис. 19.1. в).

Мартенситные превращения осуществляются за счет кооперативного перемещения многих атомов и характеризуется очень большой скоростью роста кристаллов, сравнимой со скоростью звука в твердом теле.

Важнейшая особенность мартенситного превращения - слабая зависимость его скорости от температуры.

Мартенситное превращение начинается, когда химическая движущая сила превращения превзойдет упругую энергию. Поэтому превращение обычно начинается при некоторой температуре Т_М, зависящей от предшествующих механических и термических обработок, от размера зерна, но независящей от скорости охлаждения.

Мартенситом является структурная составляющая стали, обладающая высокой твердостью. Мартенситное превращение в стали является прототипом целого класса превращений в твердом состоянии.

Примерами мартенситных превращений могут служить переходы:

а) аустенит  мартенсит в железе при 1183К(910°С),

б) ГПУ  ГЦК в кобальте 750 К (477°С).

Если мартенситные превращения происходят в монокристалле, то поверхность раздела является плоской.

В поликристаллах мартенситные области имеют чечевицеобразную форму.

Схема мартенситного превращения показана на этих рисунках.

Рис. 19.2. Образование мартенсита из аустенита.

а – сдвоенная ячейка, б – объемноцентрированная тетрагональная ячейка аустенита,

в – то же мартенсита. Крестики – положения атомов углерода.

Из-за разницы в удельных объемах кристаллических решеток при мартенситном превращении происходят деформационные сдвиги в зародышах за счет скольжения дислокаций.

Последнее обстоятельство является причиной мартенситных превращений при механических деформациях. Массивные превращения идут по нормальному механизму в сложнолегированных сплавах без перераспределения компонентов во время превращения.

Результатом массивного превращения является пересыщенная низкотемпературная фаза. При этом зерна не имеют четких границ, а выглядят в виде бесформенных массивов.

Диффузионные превращения - это превращения, происходящие с изменением состава фаз, которое контролируется скоростью диффузии атомов одного из компонентов.

Диффузионные превращения подразделяют на непрерывные и ячеистые.

Рис. 19.3. Непрерывное превращение Ячеистое превращение