Аллотропические превращения металлов: сущность, механизм и практическое значение

Понятие аллотропии и полиморфизма. Аллотропические превращения представляют собой фундаментальное свойство металлов и других твердых тел, заключающееся в изменении их кристаллического строения при определенных температурах без изменения химического состава. Способность вещества существовать в нескольких кристаллических модификациях носит название полиморфизма, что в переводе с греческого означает "многообразие". Это явление характерно для целого ряда важных в промышленном отношении металлов, таких как железо, олово, титан, кобальт и цирконий. Сущность процесса заключается в перестройке атомов из одного типа кристаллической решетки в другой, что влечет за собой кардинальное изменение физико-механических свойств материала.

Обозначение аллотропических модификаций. Различные структурные формы одного и того же металла, называемые аллотропическими модификациями или полиморфными модификациями, принято обозначать буквами греческого алфавита. Модификация, устойчивая при самых низких температурах, обозначается как α-фаза (альфа). При последовательном повышении температуры устойчивыми становятся β-фаза (бета), γ-фаза (гамма) и δ-фаза (дельта). Такая система обозначений позволяет однозначно идентифицировать состояние металла в определенном температурном интервале и является стандартной в материаловедении.

Термодинамика и виды кристаллизации. Аллотропические превращения, подобно процессу первичной кристаллизации (переходу из жидкого состояния в твердое), сопровождаются поглощением или выделением скрытой теплоты превращения. На кривых охлаждения или нагревания это проявляется в виде характерных горизонтальных площадок или резких изломов. Температуры, соответствующие этим термическим остановкам, называются критическими температурами. В металловедении переход из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией, в то время как все аллотропические изменения в твердом состоянии относят к вторичной кристаллизации.

Пример аллотропии на основе олова. Классическим примером полиморфизма является поведение олова. На рис. 1.9 представлена кривая охлаждения этого металла. Горизонтальная площадка при температуре 232 °С соответствует критической точке первичной кристаллизации, при которой образуется β-олово, известное как белое олово. При дальнейшем охлаждении ниже +13 °С начинается медленное аллотропическое превращение в α-олово (серое олово). Это превращение при отрицательных температурах резко ускоряется, приводя к явлению, известному как "оловянная чума", когда металл рассыпается в серый порошок. Наибольшая скорость превращения β-олова → α-олова наблюдается при температуре -30 °С, а обратный переход возможен только путем переплавки материала.

Рис. 1.9. Кривая охлаждения олова

Аллотропические превращения в железе. Сложная картина полиморфных превращений характерна для железа. Его первичная кристаллизация, как показано на рис. 1.8, в, происходит при 1539 °С с образованием δ-железа с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой. При охлаждении до 1392 °С происходит первое аллотропическое превращение δ-железо → γ-железо, последнее имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. При дальнейшем охлаждении до 911 °С наблюдается следующее превращение γ-железо → α-железо, при котором вновь образуется ОЦК решетка. Критическая точка 768 °С не связана с изменением типа решетки, а является температурой Кюри, разделяющей магнитное и немагнитное состояние железа.

Магнитные свойства железа. Интервал температур от 768 °С до 911 °С представляет особый интерес. В этом диапазоне α-железо имеет ту же объемно-центрированную кубическую решетку, что и при более низких температурах, но теряет свои ферромагнитные свойства. Для различие этой немагнитной фазы с решеткой ОЦК исторически использовалось обозначение β-железо. Таким образом, область существования α-железа (магнитного) простирается от комнатной температуры до 768 °С, а выше этой точки и до 911 °С существует β-железо (немагнитное) с идентичной кристаллической структурой. Это подчеркивает, что полиморфные превращения определяются именно изменением типа кристаллической решетки, а не магнитных характеристик.

Практическое значение аллотропии. Явление аллотропии имеет огромное практическое значение в современной металлургии и машиностроении. Именно на способности железа и стали к полиморфным превращениям основано большинство видов термической обработки, таких как отжиг, закалка и отпуск. Путем контролируемого нагрева и охлаждения можно получать материалы с широким спектром свойств – от высокопрочных и твердых до пластичных и вязких. Без понимания механизмов вторичной кристаллизации было бы невозможно создание тысяч марок сталей и сплавов с заданными эксплуатационными характеристиками, что делает изучение аллотропии краеугольным камнем в науке о материалах.