2.2.4. Поліморфні перетворення

Поліморфним перетворенням називають зміну кристалі­чної будови залежно від температури та тиску. Перехід до ново­го типу кристалічної ґратки супроводжується зменшенням ві­льної енергії кристалів, що утворюються, порівняно з вихідни­ми кристалами. Велике практичне значення має температур­ний поліморфізм, тобто наявність у металі різної кристалічної будови в інтервалі певних температур. На кривих охолодження поліморфному перетворенню відповідає горизонтальний відрі­зок сталої температури, завдяки виділенню прихованої теплоти перекристалізації. Близько ЗО металів мають два, а іноді й три різні типи елементарних кристалічних комірок. Кристалічну будову, стійку при низьких температурах, позначають грець­кою літерою а, при високих температурах — літерою (і, при ще вищих — літерою у і т.д. Перелічені грецькі літери у вигляді індексів долучають до символу хімічного елемента (наприклад, Fe_a, Fe,, Ti„, Tip, Sn_a, Sn_p).

0 I ——»J

t, c

Рис. 2.2.6. Крива охолодження заліза: t — температура; т — час охолодження

У рівноважному стані залізо має дві температури поліморфно­го перетворення: 911 і 1392 °С. Воно кристалізується при темпе­ратурі 1539 °С (рис. 2.2.6) з утворенням кристалічної комір­ки об'ємноцентрованого куба Fe„. При температурі 1392 °С вна­слідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована гратка Fe„ переходить у гранецентровану Fe_v, а при 911 °С — знову в об'ємноцентровану гратку Fe„. Критична температура 768 °С не по­в'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в між-електронній взаємодії, внаслідок чого залізо під час охолодження

набуває магнітних властивостей. При температурах, вищих за 768 °С, залізо немагнітне.

Зміна типу кристалічної будови у твердому стані відбува­ється шляхом зародження центрів нових кристалів і подальшо­го їх росту. Такий процес іноді називають вторинною криста­лізацією на відміну від кристалізації первинної, що відбуваєть­ся у рідині. Під час вторинної кристалізації зародки нових кри­сталів найчастіше виникають на границях зерен старих криста­лів. Під час росту нових кристалів протягом певного часу збері­гається когерентний зв'язок між новою і старою ґратками в площині, де атоми обох ґраток є спільними.

Характерною особливістю вторинної кристалізації є можли­вість досягти значного переохолодження, внаслідок чого вдається практично призупинити перебудову ґратки завдяки зниженню швидкості самодифузії атомів, необхідної для росту нових крис­талів. Збільшуючи переохолодження до граничного значення, можна закріпити термодинамічно нестійкий високотемператур­ний стан і зберегти його протягом тривалого часу при кімнат­ній температурі. Поліморфні перетворення супроводжуються стрибкоподібною зміною властивостей металу і лежать в основі зміцнювальних і знеміцнювальних термообробок.

Різновидом поліморфізму є алотропія, тобто здатність одно­го елемента існувати у вигляді різних простих речовин. При­кладом алотропічного перетворення є перебудова кристалічної ґратки графіту в кристалічну гратку алмазу при надвисокому тиску і підвищеній температурі.

Рис. 2.3.1. Схема одновісного розтягу силами F гладкого зразка (а-в)

і зразка з надрізом (г):

F, — нормальна і F, — дотична сили; о„ - номінальне (середнє) і о_к — максимальне

напруження; тп і ШіП, — січні площини

(МПа) дорівнює відношенню прикладеної сили F (Н) до площі S (мм²) поперечного перерізу зразка (деталі) площиною тп:

о-|. (2.3.1)

Проведемо ще одну площину m-jix (рис. 2.3.1, б) під деяким кутом а до площини поперечного перерізу тп. Площа S_y зразка в перерізі дорівнює S_x = S/cosa. Розкладемо силу F на дві складові: нормальну F_B, перпендикулярну до площини і дотичну F_a, що лежить в цій площині. Очевидно, що F* = F-cosa і F_a = f-sina. Отже, в площині т^ діє два види напружень: