1.3. Полиморфные превращения металлов

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.

Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом , при более высокой – ,  и так далее.

Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).

Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, превращение -модификации в -моди­фи­ка­цию, происходящее при нагревании, будет всегда выше температуры превращения  в , происходящее при охлаждении (рис. 4). Такое явление называется гистерезисом.

Рис. 4. Кривая охлаждения чистого железа

До температуры 1539 С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 С на кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (Fe_ ).

При 1392 С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением -железа (Fe_) в -железо (Fe_), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.

При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией.

Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 С по причине превращения Fe_ в Fe_. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центриро­ванную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.

Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 С, связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 С железо магнитно, а выше – немагнитно.

Иногда немагнитное железо Fe_ называют Fe_β, а высокотемпературную модификацию Fe_ (в интервале 1392…1539 С) – Fe_.

Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах.

Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие).

1.4. Дефекты строения кристаллов

1.4.1. Точечные дефекты

Реальные кристаллы, в отличие от идеальных, имеют большое количество дефектов, оказывающих существенное влияние на свойства металлов.

Наиболее распространенными дефектами являются точечные, линейные и поверхностные.

Атомы в узлах решетки колеблются с определенной амплитудой, которая тем больше, чем выше температура. Несмотря на то, что большинство атомов обладают средней энергией и колеблются при данной температуре практически с одинаковой амплитудой, некоторые из них имеют амплитуду не только больше средней, но и могут менять свое положение, т. е. переходить из узла в междоузлие, из поверхностного слоя выходить на поверхность кристалла и т. д.

Атом, вышедший из узла решетки в междоузлие (рис. 5), называется дислоцированным, а незаполненное место, где он находился, вакансией. Через некоторое время вакансия заполняется одним из атомов из соседнего слоя, а незаполненный узел становится вакансией. Следовательно, вакансия перемещается по объему кристалла.

Атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях решетки называются примесными.

Вакансии и дислоцированные атомы имеются в кристаллах при любой температуре. Каждой температуре выше абсолютного нуля соответствует равновесная концентрация вакансий и дислоцированных атомов, причем она резко повышается при нагреве (особенно вблизи температуры плавления).

Рис. 5. Точечные дефекты кристаллической решетки: а – вакансия; б – дислоцированный атом; в – примесной атом

Точечные дефекты искажают кристаллическую решетку и, тем самым, влияют на физические свойства металла.