2.5 Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм

Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии. Так, например, в твердом состоянии

литий, натрий, калий, рубидий, цезий, молибден, вольфрам и другие металлы имеют объемноцентрированную кубическую решетку;

алюминий, кальций, медь, серебро, золото, платина — гранецентрированную,

а бериллий, магний, цирконий, гафний, осмий — гексагональную.

Однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении. Так, например, существует железо с решетками объемноцентрированного и гранецентрированного кубов; обнаружен кобальт с гранецентрированной и с гексагональной решетками. В различных решетках кристаллизуются также олово, марганец, титан и некоторые другие металлы.

Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями. Небольшие изменения давления, которые могут возникать в практике, обычно не приведут к полиморфным превращениям. Поэтому для практического металловедения важна главным образом температурная аллотропия.

Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ, которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая — через β и так далее. На рисунке 2.11 приведена термическая кривая (в координатах температура — время), где превращение отмечается горизонтальным участком.

Рисунок 2.11 Кривая охлаждения и нагрева металла, имеющего аллотропические превращения

Рисунок 2.12 Кривая охлаждения железа

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является модификация α, а в другом — модификация β. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения. Так, железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

3 Лекция. Конструкционные материалы и их механические свойства

Содержание лекции: Классификация конструкционных материалов. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам. Механические свойства металлов. Методы изучения свойств металлов. Конструкционная прочность материалов и способы ее оценки. Для самостоятельного изучения: Надежность материалов работе, долговечность, износ, коррозия.