Способы изменения структуры и свойств металлов в твердом состоянии

Изменение структуры и свойств металлов производят и без его расплавления. Для этого используют три ха­рактерных для металлических веществ явления: алло­тропию, пластическую деформацию и рекристаллизацию.

Аллотропия (полиморфизм) — способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение (вид решетки). Процесс перехода одного вида решетки в другой называется аллотропическим, или полиморфным, превращением. Определенный тип решетки, характерный для металла в твердом состоянии и суще­ствующий в определенном интервале температур и дав­ления, называется модификацией (аллотропической фор­мой). Модификации металлов обозначают начальными буквами греческого алфавита; α, β, γ и др.

Рис. 8 Кривая охлаждения железа.

Известны модификации железа, кобальта, титана, олова, марганца, лития и др. Для железа характерны два аллотропических превращения: Fe_α↔Feγ. При темпе­ратуре менее 910°C и в интервале от 1392 до 1539°C железо имеет объемно центрированную решетку (Fe_α), а в интервале температур от 911 до 1392°C — гранецент­рированную решетку (Fe_γ). На рис. 8 переход железа из одной модификации в другую отмечен соответствующими горизонтальными площадками. При температуре 768°C аллотропических изменений не происходит. Ниже этой температуры железо магнитно, выше — немагнитно. Тем­пературы 768°C, 911°C, 1392°C и 1539°C называются критическими.

При нагревании железа и переходе Fe_α в Fe_γ проис­ходят зарождение и рост новых зерен другой формы и размера. Как правило, при этом получаются более мел­кие, равноосные зерна, которые при охлаждении, т. е. превращении Fe_γ в Fe_α, сохраняют свою форму и разме­ры. Металл получается с более мелкими и равномерными по размеру зернами. Следовательно, при постоянном дав­лении стоит только нагреть металл до такой температу­ры, при которой осуществляется переход из одной моди­фикации в другую, а затем охладить его, как атомы, перестроившись из одной решетки в другую, придадут новую форму и размеры зернам.

Процессы, связанные с аллотропическими превраще­ниями железа, широко используются при термической обработке стали и чугуна.

В некоторых случаях аллотропические превращения могут приводить и к разрушению металла. Например, олово при охлаждении ниже температуры —18°C пре­вращается в порошок, известный под названием «оло­вянная чума».

Аллотропические превращения можно искусственно затормозить или вовсе не допустить путем быстрого ох­лаждения металла или добавки в него других элементов.

Пластическая деформация — это изменение размеров и формы металлов под действием приложенных сил и сохранение их после прекращения воздействия (в про­тивоположность упругой деформации, устраняющейся по­сле прекращения действия внешних сил).

В результате пластической деформации металл ста­новится более прочным, твердым и менее пластичным. Происходит это вследствие нарушения строения кристал­лической решетки, что затрудняет дальнейшую пласти­ческую деформацию. Явление упрочения металла при пластическом деформировании называется наклепом.

Пластическая деформация сопровождается также из­менением и более крупной структуры — формы и разме­ров зерен. При деформировании в одном направлении (например, при прокатке) зерна получаются вытянуты­ми. Такую структуру называют волокнистой. Это явле­ние в ряде случаев нежелательно, так как делает тело анизотропным, т. е. свойства его вдоль волокон отлича­ются от свойств поперек их.

Волокнистость устраняется нагревом (для устранения наклепа до температуры 300—400°C). При этом образуются новые, отличительные от исходных, равновесные зерна металла. Такой процесс называется рекристалли­зацией, а температура его протекания — температурой рекристаллизации.