1.5. Аллотропия (полиморфизм) металлов

Аллотропией или полиморфизмом называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при разных температурах.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превра­щением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: , , ,  и т. д., начи­ная с той формы, которая сущест­вует при более низкой темпера­туре.

Ал­лотропические превращения имеют многие металлы, например железо, марганец, олово, титан и др.

Железо имеет объемно-центрированную решетку до температуры 911 °С и в интервале 1392...1539 °С (Fe_), а от температуры 911 до 1392 °С имеет гранецентрированную решетку (Fe_). Высокотемператур­ная -модификация (от 1392 до 1539 °С) иногда обозначается Fe_ (-железо). При 768 °С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768 °С железо магнитно, выше 768 °С железо немагнитно (немагнитное Fe_ иногда называют Fe_). Переход из немагнитного Fe_ в магнитное Fe_ происходит в широком районе температур, начинается (при охлаждении) или заканчивается (при нагреве) при 768 °С.

Характерным является аллотропия олова. При температуре ниже 18 °С устойчива модификация -олова (Sn_), называемая серым оловом, а выше 18 °С — -олова (Sn_), называемая белым оловом.

Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение Sn_  Sn_, идет со значительным увеличением объема. Поэ­тому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы»; превращение необ­ратимо.

Максимального значения скорость аллотропического превращения Sn_  Sn_ достигает при переохлаждении примерно до – 30 С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.

Переход металла из одной кристаллической решетки в другую сопровождается изменением его химических и физических свойств.

6. Кристаллическое строение сплавов

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплав­лением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонен­тами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содер­жаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свой­ства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специ­альные, которые вводят для придания ему требуемых свойств. Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристал­лизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.

Твердые растворы — компоненты сплава взаимно растворяются один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки.

Химическое соединение — компоненты сплава вступают в химиче­ское взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.

Механическая смесь — компоненты сплава обладают полной вза­имной нерастворимостью и имеют различные кристаллические ре­шетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоян­ную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтекти­кой; в процессе превращения в твердом состоянии — эвтектоидом (например, Fe₃C + Fe_γC — ледебурит; Fe₃C + Fe_αC — перлит).

Твердые растворы, химические соединения и механические смеси представляют собой твердые фазы. Твердой фазой называют однородную по составу и атомно-кристаллическому строению часть сплава.