1.4. Полиморфизм металлов

Существование разных типов кристаллических решеток у одного и того же вещества при различных температуре и давлении называется полиморфизмом, или аллотропией, а процесс перехода из одной кри­сталлической формы в другую - полиморфным, или аллотропиче­ским, превращением. Ряд элементов - Со, Ti, Mn, Sn, Ca, Li, Fe и др. имеют два и более типа (модификации) кристаллических решеток, обозначаемых малыми буквами греческого алфавита (α, β, γ и т. д.), начиная с той формы, которая существует при наиболее низкой тем­пературе.

Процесс перехода из одной формы в другую определяется термо­динамическим состоянием системы и объясняется тем, что, начиная с определенной температуры (температуры перекристаллизации), но­вая модификация обладает меньшим запасом энергии, чем предыду­щая, и является энергетически более устойчивой. Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, называется температурой полиморфного превращения. Новые поли­морфные формы образуются в результате зарождения центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

На рис. 1.6 приведены кривые охлаждения и нагрева железа, харак­теризующие его полиморфные превращения. При температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С железо имеет объемно-центрированную куби­ческую решетку и обозначается Fe_α. При температурах 911... 1392 °С оно имеет гранецентрированную кубическую решетку и обозначает­ся Fe_γ. Высокотемпературную модификацию Fe_α иногда обозначают Fe_β.

Рис. 1.6. Кривые охлаждения и нагрева железа

При температуре 768 °С (точка Кюри) происходит изменение маг­нитных свойств железа: ниже 768 °С оно магнитно, выше - немаг­нитно (немагнитное α-железо иногда называют β-железом).

1.5. Основные сведения о металлических сплавах

В машиностроении чистые металлы не находят широкого примене­ния, так как в большинстве случаев они не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств. Чаще использу­ют металлические сплавы - вещества, состоящие из двух и более эле­ментов. Элементы, из которых образован сплав, называют его компо­нентами.

В жидком состоянии компоненты сплава в большинстве случаев полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (рис. 1.7, а), в котором атомы различных элементов равно­мерно перемешаны друг с другом. При кристаллизации компоненты сплава вступают во взаимодействие, от характера которого зависит их строение. Наиболее часто встречаются твердые растворы, химиче­ские соединения и механические смеси.

Твердым раствором называется вещество, состоящее из двух или более компонентов, один из которых, сохраняя кристаллическую ре­шетку, является растворителем, а другой (или другие) распределяется в кристаллической решетке растворителя, не изменяя ее типа.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия пред­ставляет совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и по­хожа на структуру чистого металла. В зависимости от характера распре­деления атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы замещения (рис. 1.7, б) и внедрения (рис. 1.7, в). Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. При неограниченной растворимо­сти возможна любая концентрация (от 0 до 100 %) растворенного ве­щества (при концентрации более 50 % растворенное вещество стано­вится растворителем).

Для образования твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью необходимо соблюдение следующих условий:

• изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплав­ляемых компонентов;

• близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8... 13 %;

• близость физико-химических свойств компонентов.

Если два компонента сплава не отвечают перечисленным выше ус­ловиям, то они могут растворяться друг в друге лишь ограниченно.

В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограни­ченной растворимостью.

Химическим соединением (рис. 1.7, г) называют вещество, харак­терными особенностями которого являются:

• постоянство состава, выраженное формулой, которая отвечает определенному соотношению количеств атомов компонентов А и В в нем;

• наличие нового типа кристаллической решетки, отличающегося от типов решеток сплавляемых компонентов;

• ярко выраженное существенное изменение всех свойств.

Рис. 1.7. Фазы в металлических сплавах:

а - жидкий раствор L; б - твердый раствор α-замещения; в -твердый рас­твор α-внедрения; г - химическое соединение А_nВ_m; д – механическая смесь А и В

В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между компонентами, имеющими различия в электрон­ном строении атомов.

Механическая смесь (рис. 1.7, д) образуется, когда компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. При этом образуется двухфазная структура сплава, пред­ставленная чередующимися зернами чистых компонентов А и В.

При изучении явлений, протекающих в металлах и сплавах в про­цессе их превращений, пользуются понятиями «система», «фаза», «ком­понент».

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равнове­сии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система может быть простой, если она состоит из одного элемента, и сложной - из нескольких элементов.

Фазой называется однородная по химическому составу и внутрен­нему строению часть системы, отделенная от других частей поверхно­стью раздела. Фазами могут быть металлы и неметаллы, жидкие и твердые растворы, химические соединения. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, двухфазной - механиче­ская смесь кристаллов двух металлов.

Компонентами называются вещества, образующие систему. Ком­понентами могут быть химические элементы (металлы и неметаллы) или устойчивые химические соединения.