5. Превращения в твердом состоянии
Атомы образуют кристаллическую решетку, обладающую наиболее низким запасом свободной энергии F. Поэтому при изменении температуры и/или давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре и/или давлении.
Определения. 1. Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом или аллотропией.
2. Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропными модификациями.
3. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, называется температурой полиморфного (аллотропного) превращения.
Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т. д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент (например, Feα). Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая (при более высокой температуре) – через β и т.д.
Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой – кривой охлаждения в координатах температура-время, превращение отмечается горизонтальным участком.
Новые аллотропические формы образуются в результате зарождения центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Кривые зависимости скорости (с. к.) и числа центров (ч. ц.) кристаллизации от степени переохлаждения для аллотропического превращения имеют тот же вид, что и для кристаллизации из жидкого состояния.
В качестве примера рассмотрим полиморфизм железа.
Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: железо- (Fe), решетка ОЦК с периодом а = 0,286 нм, и железо- (Fe), решетка ГЦК с периодом а = 0,364 нм. Fe существует при температурах до 910 °С и от 1392 °С до 1539 °С. Fe является магнитным (ферромагнитным) металлом до температуры 768 °С – точки Кюри, при которой он переходит в парамагнитное состояние. Железо с решеткой ОЦК, существующее при температурах свыше 1392 °С, обозначают железо- (Fe). Fe существует в интервале температур 910...1392 °С и обладает парамагнитными свойствами.
Превращения, претерпеваемые железом при нагреве, приведены на рис. 14.
Рис. 14. Превращения железа при нагреве
Температуры превращений железа (и сплавов на его основе) – критические точки – обозначают буквой А с индексами: с при нагреве – Ас и r при охлаждении – Аr с соответствующими номерами (рис. 15).
Рис. 15. Критические точки железа