2.1. Поліморфізм заліза

У рівноважному стані залізо має дві температури поліморфно­го перетворення: 911 і 1392°С. Воно кристалізується при темпе­ратурі 1539°С (мал. 1.14) з утворенням кристалічної комір­ки об'ємноцентрованого куба Fe_α. При температурі 1392°С вна­слідок вторинної кристалізації об'ємноцентрована ґратка Fe_α переходить у гранецентровану Fe_γ, а при 911°С — знову в об'ємноцентровану ґратку Fe_α. Критична температура 768°С не по­в'язана з вторинною кристалізацією, а лише зі змінами в міжелектронній 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.

Х арактерною 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.

Алотропічні перетворення (в металах) — зміни, що відбуваються в будові і властивостях металів під час їхнього нагрівання і охолодження.

Алотропічні перетворення призводять до утворення різних кристалічних форм або різної кількості атомів хім. елемента в молекулі простої речовини. При переході металу з однієї модифікації в ін. спостерігаються тепловий і об'ємний ефекти, причому кристалічні ґратки змінюються стрибкоподібно (не існує безперервного переходу). Об'ємний ефект алотропічного перетворення у різних металів різний і може змінюватися в широких межах. Напр., перехід білого β-олова (ґратки тетрагональні, об'ємноцентровані) в сіре α-олово (ґратки алмазного типу) супроводжується зміною об'єму на 26%. Під впливом внутрішніх напружень, що виникають при цьому, компактний метал перетворюється в порошок («олов'яна чума»). Також при­кладом алотропічного перетворення є перебудова кристалічної ґратки графіту в кристалічну ґратку алмазу при надвисокому тиску і підвищеній температурі.

Серед металів алотропія виявлена (при температурі, вищій за кімнатну) у заліза, марганцю, кобальту, титану, цирконію, радію, талію, лантану, церію, урану.

Застосовуючи апаратуру високих тисків і температур, одержали модифікації легкоплавких металів (кадмій, церій, миш'як, галій, вісмут).

Експериментально доведено наявність низькотемпературного поліморфізму у натрію, літію, цезію, берилію. Найчастіше Алотропічні перетворення спостерігаються у металів, розміщених в середній частині періодичної таблиці.