Полиморфные превращения («polymorphic transformation») в металлах

В очередной статье нашего металловедческого «блога» я хочу заложить основы для дальнейшего повествования о структурных превращениях в металлах и сплавах. Постепенно мы доберемся и к такой монументальной теме, как диаграмма «железо-углерод», а потом и к сплавам данной системы. Ну, ладно, ближе к делу. Полиморфное (аллотропическое) превращение – это такое превращение в твердом состоянии, при котором меняется кристаллическая решетка вещества. Рассмотрим данный эффект на примере железа. При кристаллизации железа из жидкого расплава (1539°С) оно имеет объёмноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку, при дальнейшем охлаждении и переходе температурного рубежа в 1401°С решетка меняется на гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. При температуре 911°С железо снова меняет свою решетку на ОЦК. Но железо в диапазоне температур (911-770°С) является парамагнитным и лишь при охлаждении ниже температуры 770°С становится ферромагнитным. Данное превращение называют фазовым превращением второго рода, и мы его рассматривать не будем. Температуры фазовых превращений хорошо заметны на так называемых кривых охлаждения. Пример такой кривой для железа, показан на рисунке. Кривые охлаждения строятся следующим образом: расплав металла начинают медленно охлаждать, низкая скорость охлаждения обеспечивает практически равновесное состояние системы. Ведется запись зависимости температуры от времени охлаждения. При кристаллизации металла высвобождается некоторое количество энергии, что хорошо видно в замедлении скорости охлаждения. А вот при полиморфном превращении выделяется более значительное количество энергии, что характеризуется остановкой охлаждения в виде площадки на кривой. Если строить такие кривые для различных систем с малым шагом химического состава, можно получить диаграммы фазового состояния, ярким примером которой является уже упомянутая выше диаграмма «железо-углерод». Основным условием для образования новой фазы является уменьшение поверхностной энергии в системе. Это значит, что расположение атомов на границах двух фаз должно быть максимально похожим. Если соблюдается данный принцип структурного и размерного соответствия, то превращение происходит. Рассмотрим пример на образования новой фазы на примере зёренной структуры. Для уменьшения поверхностной энергии, новая фаза должна образовываться в точках 1 или 2, а именно на границах зерен. Ну а так как количество границ зерен старой фазы в объеме значительно больше, чем количество тройных стыков (точка 2), то новая фаза начнет кристаллизоваться на границе (точка 1). Общие случаи наиболее распространённых элементов фазовых диаграмм будут рассмотрены в следующей статье.

<<<предыдущая статья следующая статья>>>