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. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой а,  при более высокой — , затем  и т. д.

Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой модификации сопровождается уменьшением энергии Гиббса. В условиях равновесия полиморфное превра­щение протекает при постоянной температуре (критическая точка) и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощением теплоты в случае нагрева.

Как и при кристаллизации из жидкой фазы, чтобы полиморф­ное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры для возник­новения разности энергий Гиббса между исходной и образую­щейся новой модификациями. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переох­лаждения. Полиморфное превращение по своему механизму — кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образова­ния зародышей и последующего их роста.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, по­этому такое превращение также называют перекристаллизацией. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным из­менением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электрической проводимости, магнитных свойств, механических и химических свойств и т. д.

Фазы и структура в металлических сплавах

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

1. Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в ре­шетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и пред­ставляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис а) и твердые растворы внедрения (рис. б). При образовании твердого раст­вора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения (рис. б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Например в

плотноупакованной ГЦК решетке наиболее подходящей бу­дет октаэдрическая пора (центры шести атомов — шаров, между которыми образовалась по­ра, расположены по верши­нам октаэдра) (рис. а)

а- кристаллическая решетка твердого раствора замещения;

б- кристаллическая решетка твердого раствора внедрения.

Рис. Искажения кристаллической решетки растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D) и расположе­ния атомов внедрения и замещения в области дислокации (в, г)

всегда искажается и периоды ее изменяются.

При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки раство­рителя всегда возрастает.

Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дис­локаций (рис. в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами ме­талла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров — в растянутой зоне решетки. При образова­нии твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости (рис. г). В области дислокаций чужеродные атомы легче раз­мещаются, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость.

Все металлы могут в той или иной степени взаимно раство­ряться друг в друге в твердом состоянии. Например, в алюми­нии может растворяться до 5,5 % Си, а в меди 39 % Zn без изме­нения типа их кристаллической решетки. В тех случаях, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллических решет­ках в любых количественных соотношениях, образуется непре­рывный ряд твердых растворов.