Полиморфные превращения в металлах

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как называют, в разных 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 р, затем у и т. д.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла в случае нагрева.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такое превращение называют перекристаллизацией.

Полиморфные превращения происходят в чистых металлах, в сплавах, в химических соединениях. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств, механических и химических свойств и т. д.

13.

Общие сведения о сплавах

Основную долю разнообразных металлических материалов, используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Путем сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатываются резанием, свариваются и т. д. При этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.

Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами. Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т. д.) и неметаллические элементы (углерод).

Компонентом могут быть и химические соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл — это однокомпонентная система; сплав двух металлов — двухкомпонентная, и т. д.

Выбор базового компонента сплава определяется техническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на:

— черные, основу которых составляет железо (стали, чугуны);

— цветные, основу которых составляет любой металл, кроме железа (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.).

Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твердом состояниях, так как сплавление проводится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизуется и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние системы, но и ее фазовый состав в зависимости от температуры и скорости охлаждения.

14.

Твердые растворы внедрения образуются при растворении в металле неметаллов с малым атомным диаметром (водород, азот, бор, углерод и др.). В твердых растворах внедрения углерода в железе условие не выполняется. Концентрация растворенного элемента в твердых растворах внедрения, как правило, не превышает 2 % При образовании твердых растворов внедрения кристаллическая решетка растворителя искажается и в ней возникают напряжения. Это приводит к повышению прочности, твердости и электросопротивления сплава.

При образовании твердых растворов замещения и внедрения размещение атомов растворенного элемента в решетке растворителя случайное, не закономерное.

Химические соединения образуются между элементами, расположенными далеко друг от друга в Периодической системе элементов, т. е. существенно различающимися по строению и свойствам.

Химическое соединение - это однородное кристаллическое тело, состав которого постоянный и выражается формулой AnBm. Температура плавления (диссоциации) химического соединения постоянная.

Атомы каждого элемента в решетке химического соединения располагаются упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономерно и в определенных узлах решетки. Кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства, как правило, резко отличаются от решетки и свойств входящих в него элементов. Например, цементит (93,33 % Fe и 6,67 % C) имеет сложную кристаллическую решетку, непохожую на решетку железа и углерода, и обладает совершенно иными свойствами. Твердость цементита в 10 раз выше твердости железа и несопоставимо выше твердости углерода.

Микроструктура химического соединения представляет собой разной величины и формы зерна, одинаковые по составу и свойствам. Такие сплавы могут образовывать металлы между собой, называемые интерметаллическими соединениями, а также металлы с неметаллами). Химические соединения обычно отличаются большой твердостью, хрупкостью и высоким электросопротивлением.

17.