5. Полиморфные превращения металлов

В периодической системе (рис. 1) для многих элементов обозначены два и даже три типа кристаллических решеток. Это объяс­няется тем, что у этих элементов происходит перекри­сталлизация в твердом состоянии, которая часто называ­ется вторичной кристаллизацией. Наличие разного кри­сталлического строения веществ при различных темпера­турах называется полиморфизмом. Различные крис­талли­ческие модификации обозначаются малыми буквами гре­ческого алфавита a, , , и т. д., которые в виде индекса добавляют к символу, обозначающему элемент (например Fe_, Fe_, Ti_, Ti_ и др.).

Перекристаллизация в твердом состоянии объясняется тем„ что начиная с определенной температуры (температура перекристаллизации) изобарный потенциал G_H нового типа кристаллической решетки становится меньше такового для старой решетки (G_c), т. е. (G_H<cG_c). Кривые изменения изобарных потенциалов G различных кристаллических модификаций G_H и G_c в зависимости от температуры аналогичны кривым G_M и G_ж на рис. 12 при кристаллизации жидкости.

На скорость перекристаллизации сплавов большое влияние оказывает диффузия разнородных атомов, обра­зующих сплав. Обычно зародыши новой фазы образуются на границах зерен старой фазы. При росте новых кристал­лов известное время сохраняется связь между старой и новой решеткой по плоскости, где атомы в обоих решетках являются общими. Такая, связь называется когерентной.

Если в разных модификациях сохраняется характер связи, то полиморфное превращение сопровождается из­менением атомных радиусов, что в значительной степени компенсирует объемные изменения, связанные с измене­нием координационного числа решетки при превращении. В случае изменения типа связи, при превращении имеет место значительное изменение объема. Например, при превращении происходит изменение объема на 25%, вследствие чего материал при превращении от больших внутренних напряжений разрушается («оловян­ная чума»).

Процесс перекристаллизации при полиморфном превращении определяется теми же закономерностями, что и кристаллизация жидкой фазы. Это значит, что в старой кристаллической фазе возникают центры ч.ц., новой фазы, которые растут с определенной скоростью с.р.

Значения ч.ц. и с.р. также зависят от степени переохлаждения, как и в случае кристаллизации жидкости (см. рис. 16). Существенной особенностью перекристаллизации металлов является то, что этот процесс протекает как при малых, так и больших переохлаждениях, т. е. кривые, характеризующие зависимость ч.ц.=f(n) и с.p.=f(n) могут быть представлены в полном виде (рис. 16). Поэтому и кинетические кривые перекристаллизации для металлов соответствуют рис. 19,А,б и 19,Б,б.

Замедление процесса перекристаллизации при высоких степенях переохлаждения обусловлено низкой скоростью процессов самодиффузии атомов, что необходимо для роста кристаллов поной фазы. Поэтому иногда можно создать такие условия, что перекристаллизация не может протекать и при низкой температуре будет зафиксировано термодинамически неустойчивое высокотемпературное или промежуточное состояние.

Явление полиморфизма в металлах имеет большое практическое значение. Достаточно отметить, что только благодаря полиморфизму железа имеется возможность широкого изменения свойств сплавов на основе железа (сталей) посредством термической обработки (закалки, отжига).

№ 40. Титан имеет полиморфное превращение Ti_Ti_, при 882,5 °С. Считая, что кривые ч.ц. и ср. на рис. 16 соответствуют охлаждению титана от 882,5 °С и ниже, подумайте, какая структура титана образуется при степенях переохлаждения n₁, n₂, n₃? Ответ (см. на с. 32): при 1) n₁ — крупнозернистый Ti_, n₂ — мелкозернистый Ti_a, n₃ — очень мелкозернистый Ti_; 2) n₁ и n₂— крупнозернистый Ti_, n₃ — мелкозернистый Ti_; 3) n₁ — крупнозернистый Ti_, n₂ — мелкозернистый Ti_, n₃ — переохлажденный Ti_.