3. Фазовые и структурные превращения. Понятия. Возможные механизмы. Термодинамика и кинетика.

Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от другой части системы (фазы) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачком. Структурная состовляющая – часть сплава, имеющая на шлифе характерное и однообразное строение. Фазовый состав – фазовое соотношение фаз при данной температуре. Структурный состав - структурное соотношение структурных состовляющих при данной температуре. К фазовым превращениям относятся полиморфные превращения, образование и распад твердых растворов, растворение и выделение избыточных фаз, упорядочение или разупорядочение твердых растворов.

Фазовые и структурные превращения:

- эвтектическое. Механическая смесь двух видов кристаллов, кристаллизовавшихся одновременно из жидкости называется эвтектикой. L → α + β. Из жидкости происходит выделение двух новых твердых фаз.

- эвтектоидное. γ → α. Кристаллы твердой фазы превращаются в кристаллы новой фазы при охлаждении.

- перетектическое. L + β → α. Жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и при этом образуется новая фаза.

Причинами превращения служит выброс свободной энергии. Если металл может находиться в двух состояниях, то он будет находиться в том состоянии, у которого наименьшая свободная энергия. Полиморфное превращение может проходить по нормальному (диффузионному) или сдвиговому механизму. При нормальном механизме превращения происходит образование зерен новой фазы. Образование зародышей в теле происходит сдвиговым путем. Рост зерен может быть сдвиговым или диффузионным. Кристаллическое тело анизатропно и развивается в анизатропной среде. В ходе превращения соблюдается принцип структурного размерного соответствия. Зародыши новой фазы должны быть ориентированы, так что бы они сопрягались с исходной фазой. Полиморфное превращение имеет высокую скорость перестройки. Механизм полиморфного превращения в твердом теле сходен с процессом мартенситного превращения. Если происходят значительные объемные или размерные изменения, то новая фаза оказывается в состоянии упругого наклепа. Если идет рекристаллизация при нагреве образуются новые мелкие зерна отличные от исходных, то происходит фазовая перекристаллизация. Число и размер зерен новой фазы определяется числом и скоростью роста центров перерекристализации.

4. Полиморфизм железа и стали.

Атомы металла могут образовать любую кристаллическую решетку. Устойчивой является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии. При изменении температуры или давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении. Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами, которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая - через β.

Температура, при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превраще­ния. Так, железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392⁰С

Ниже 911⁰С железо существует в форме α с объемно-центрированной кубической решеткой. При 911⁰С объемно-центрированная решетка железа Fe_α. переходит в гранецентрированную решетку Fe_γ, которая при 1392 °С вновь превращается в объемно-центрированную α-решетку. Высокотемпературную α-модификацию обозначают буквой δ.

Железо растворяет углерод с образованием твердых растворов. В γ-железе максимальная растворимость углерода при 1147° С составляет 2,14%, а минимальная растворимость при 727° С - 0,8%. Твердый раствор углерода в γ-Fe называется аустенитом. Аустенит пластичен, твердость его НВ 160-200. В α-Fe растворимость углерода намного ниже. Максимальная растворимость углерода при 727° С составляет всего 0,02%, а минимальная - 0,006% при комнатной температуре. Твердый раствор углерода в α-Fe называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость (НВ 80) и высокую пластичность.