4. Полиморфные превращения

        Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа ( рис. 4.17). Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой - β, затем γ и т.д.

 Рис. 17. Кривая охлаждения металла, имеющего две полиморфные формы:

β - с решёткой г.ц.к и α – с решёткой г.п.у.

У некоторых металлов превращения происходят и в твердом состоянии. При таком превращении атомы в кристаллической решетке из одного вида элементарной ячейки перестраиваются в другой. Это явление называют полиморфизмом, или аллотро­пией, а процесс — полиморфным, или аллотропическим превра­щением.

.Различные кристаллические формы одного элемента называют полиморфными, или аллотропическими модификациями. Их обозначают греческими буквами α, β, γ и δ, начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Превращение одной модификации в другую при охлаждении сопровождается выделением тепла, а при нагреве—поглоще­нием тепла и протекает при постоянной температуре. На кри­вой охлаждения чистого железа при температурах, отвечающих полиморфным превращениям, можно видеть горизонтальные площадки (рис. 4.9). Полиморфные превращения металлов представляют собой процесс вторичной кристаллизации, или перекристаллизации. Последняя осуществляется аналогично кристаллизации из жидкого состояния.

При охлаждении жидкого железа кристаллизация происхо­дит при 1539°С с образованием о. ц. к. решетки. Высокотемпе­ратурную модификацию железа обозначают Fe_α (иногда Fе_δ). Этот переход совершается без переохлаждения, так как для большинства чистых металлов степень переохлаждения незначительна.

Дальнейшее охлаждение до 1392°С характеризуется понижением температуры без каких-либо изменений кри­сталлической решетки. При 1392 °С на кривой охлажде­ния появляется площадка, свидетельствующая о вторич­ной кристаллизации или поли­морфном (аллотропическом) превращении Fe_α → Fe_γ. При этом образуется новая модификация железа, имеющая г. ц. к. решетку. Понижение темпе­ратуры до 911°С вызывает новое аллотропическое превраще­ние Fe_γ → Fe_α с образованием новой о. ц. к.

Рис. 4.9. Кривая охлаждения чистого железа

решетки. Дальней­шее понижение температуры

с 911 °С до комнатной не изме­няет тип элементарной кристаллической ячейки. Однако при 768 °С происходит остановка на кривой охлаждения, связан­ная с изменением магнитных свойств железа. Выше 768°С Fe_α немагнитно (иногда его обозначают Fе_β), а ниже 768 °С железо ферромагнитно.

Следует отметить, что превращения Fe_γ → Fe_α сопровожда­ются не только перестройкой кристаллической решётки, но и изменением координационного числа К8 ↔ К12 и параметра кри­сталлической, решетки, что приводит к уменьшению компактно­сти элементарной ячейки. Последнее обусловливает изменение изменение физико-химических свойств металла.

Полиморфное (аллотропическое) превращение, кроме же­леза, имеют также олово, кобальт, марганец, теллур, титан, цирконий, уран и др.

Известны полиморфные превращения для металлов Fe_  Fe_, Ti_Ti_, Mn_  Mn_  Mn_ Mn_ , Sn_  Sn_, а так же для Ca, Li, Te, Na, Cs, Sr, Zr, большего числа редкоземельных металлов и др.         Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой модификации сопровождается уменьшением энергии Гиббса.         В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение сопровождается выделением теплоты.         Полиморфное превращение по своему механизму - кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей и последующего их роста Рис. 17б).

Вопросы для самопроверки

1. Какое условие необходимо для протекания процесса кристаллизации?

2. Чем отличается гомогенное образование зародышей от гетерогенного?

3. Как получить мелкое зерно в литом металле?

4. Может ли происходить рост кристаллов без образования двумерного зародыша?

5. Как процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения?

6. Что такое полиморфное превращение и какие необходимы условия для его протекания.