Полиморфные и Магнитные превращения металлов в твердом состоянии

АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ

РЕАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ И ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ

Нами было рассмотрено строение идеальных кристаллов. Структура реальных кристаллов, составляющих полиструктуру, имеет много дефектов (несовершенств) строения, которые оказывают большое влияние на многие свойства материала и в первую очередь на прочность. Сегодня можно получить кусок металла, представляющий собой один кристалл, так называемый монокристалл. Монокристаллы весом в несколько сот граммов изготавливают для исследования и для получения полупроводников. Исследование монокристаллов показа-ло, что они обладают весьма высокой прочностью. Прочность же реальных кристаллов на 2–3 порядка меньше, чем у монокристалла. Это объясняется наличием дефектов в кристаллической решетке, происходящие в процессе кристаллизации либо пластической деформации.

Основными дефектами кристаллической решетки являются точечные, линейные и поверхностные.

Линейные дефекты называют дислокациями. Это цепочки дислокации, перестановки атомов, они наиболее часто получаются в процессе пластической деформации.

Поверхностные дефекты возникают на границах кристаллов (зерен) и имеют, как правило, дислокационное происхождение.

Анизотропия – это различие свойств монокристаллов в зависимости от направления воздействия нагрузок. Она обусловлена неодинаковым расположением и плотностью атомов в зависимости от плоскости и направления. Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве. Аморфные тела изотропны, т.е. все их свойства одинаковы во всех направлениях.

Реальный металл состоит из многих кристаллов, в 1 см3 такого металла содержится десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического сплава одинаковы во всех направлениях, хотя свойства отдельно взятого кристалла зависят от направления.

Это явление называется квазиизотропией или ложной, кажущейся изотропностью.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Это свойство металлов изменять тип и размеры кристаллических решеток при нагревании и охлаждении. Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой (в координатах температура – время) превращение отмечается горизонтальным участком. При охлаждении происходит выделение тепла (выделение скрытой теплоты превращения) теоретически при такой же температуре, что и при нагреве. Температура, при которой происходит переход из одного типа кристаллической решетки в другой, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения. Так, например, железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

Полиморфные превращения наблюдаются у многих металлов, таких, как железо, марганец, олово и др. Каждое полиморфное превращение, начиная с низкой температуры, обозначается греческими буквами. Полиморфные превращения железа обозначаются следующим образом: Fe α→ Fe β → Fe γ → Fe δ. На кривой охлаждения железа показаны все его полиморфные превращения.

Ниже 911 °С железо существует в форме α, при 911 °С объемноцентрированная решетка Fe α переходит в гранецентрированную решетку Fe γ, которая при 1392 °С вновь превращается в объемноцентрированную. При температуре 768 °С получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств.

Выше 768 °С α – железо немагнитно и его называют β-железом. При нагревании происходит те же переходы, только в обратной последовательности.

Полиморфные превращения сопровождаются изменением в твердом состоянии структуры металла, а следовательно, и его свойств. Такое явление широко используется при термической обработке железоуглеродистых сплавов.

Магнитные превращения характерны для таких металлов, как железо, кобальт, никель. Эти металлы способны хорошо намагничиваться, приобретать ферромагнитные свойства. Однако при нагреве ферромагнитные свойства этих металлов теряются. П. Кюри показал, что полная потеря ферромагнитных свойств происходит при определенной температуре, названной точкой Кюри.

Интенсивность намагничивания с повышением температуры постепенно снижается, и точка Кюри соответствует окончательной потере ферромагнетизма. Магнитные превращения существенно отличаются от аллотропического. Основные отличия состоят в том, что механические и физические свойства не изменяются (изменяются

только электрические, магнитные и тепловые) и, самое главное, магнитное превращение не сопровождается перекристаллизацией, т.е. изменением решетки. Согласно современным представлениям, при магнитных превращениях происходит изменение не в кристаллической структуре металла, а во взаимодействии внешних и внутренних электронных оболочек атомов.