22(17). Полиморфные превращения

М ногие металлы в твердом виде при нагреве и охлаждении испытывают полиморфные (аллотропические) превращения – скачкообразные изменения кристаллического строения, вызванные стремлением любого вещества обладать минимальным запасом свободной энергии, сопровождающееся изменением физических и механических свойств. В результате полиморфного превращения не только изменяется кристаллическая решетка, но и образуются новые зерна (кристаллиты), имеющие другой размер и форму, поэтому такое превращение сопровождается перекристаллизацией.

Рис. 22. Полиморфные превращения в железе

Например, железо при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры (рис. 22) претерпевает три превращения кристаллической решетки δ→γ→α, сопровождающиеся перекристаллизацией и выделением теплоты (см. площадки на кривой охлаждения).

В процессе дальнейшего охлаждении при температуре Кюри (Т_к^Fe = 768 ^оС) происходит магнитное превращение, при котором изменяется взаимодействие внешних и внутренних электронных оболочек атомов, что приводит к образованию, так называемой домéнной²⁷ структуры. Выше температуры Кюри железо проявляет парамагнитные свойства²⁸ (практически не притягивается к магниту), а ниже – становится ферромагнитным²⁹ (сильно притягивается к магниту).

Магнитное превращение не связанно с перестройкой кристаллической решетки, не сопровождается перекристаллизацией и изменением механических свойств.

23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси

Чистые металлы, содержащие 99,99…99,999 % основного металла, как правило, обладают низкой прочностью, и по этой причине их применение в качестве конструкционных материалов крайне ограничено. Гораздо чаще применяют сплавы металлов с металлами и неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называют компонентами. Сплавы состоят из двух и более компонентов. Сплавы получают сплавлением жидких компонентов или диффузионным спеканием твердых порошков.

В металловедении широко используются понятия система, фаза и структура.

Система – это совокупность большого числа фаз, находящихся в равновесии.

Фазой называют однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отдельные от других составных частей системы поверхностями раздела.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения отдельных фаз в металлах и сплавах. Различают макроструктуру (т.е. строение металла и сплава, видимое невооруженным взглядом или при увеличении до 30…40 раз) и микроструктуру (наблюдаемую с помощью оптических и электронных микроскопов при большем увеличении).

В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов, в сплавах могут образовываться 3 вида фаз:

1) Жидкие растворы могут содержать одну или несколько фаз, если они не смешиваются (например: вода и масло, железо и свинец).

2 ) Твердые растворы – это фазы, в которых сохраняется кристаллическая решетка одного из компонентов, а атомы другого компонента располагаются внутри решетки, изменяя ее размеры. Различают твердые растворы замещения (рис. 23а) и твердые растворы внедрения (рис. 23б). Все металлы в той или иной степени растворяются друг в друге (например: в алюминии растворяется до 5 % меди; в меди может раствориться до 39 % цинка – однофазная латунь). Важнейшими для нас твердыми растворами внедрения являются: феррит³⁰ – твердый раствор углерода в α-Fe и аустенит³¹ – твердый раствор углерода в γ-Fe.

Рис. 23. Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

3) Химические соединения, в отличие от твердых растворов, обычно образуются между компонентами, имеющих большое различие в электронном строении атомов и кристаллических решеток; при этом кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток всех компонентов, а между компонентами соблюдается кратное соотношение A_nB_m, где n и m – простые целые числа. Важнейшим для нас химическим соединением является цементит – карбид железа Fe₃C; он имеет алмазоподобную кристаллическую решетку и поэтому отличается очень высокой твердостью, прочностью и хрупкостью.

Твердые растворы и химические соединения представляют собой однофазные структуры; в отличие от них механические смеси представляют собой двух и более фазные структуры, состоящие из перемежающихся мелких зерен различных фаз, между которыми имеются границы раздела. Важнейшими для нас механическими смесями являются: перлит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 0,81 % С и ледебурит – механическая смесь зерен феррита и цементита, содержащая в среднем 4,3 % С.