Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

Аллотропические и магнитные превращения в металлах.

Аллотропия или полиморфные превращения.

При переходе аморфного тела из жидкого состояния в твердое никаких качественных изменений в строении не происходит, что подтверждает монотонный ход кривой охлаждения. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, но только более компактно и за счет этого имеют более ограниченную свободу перемещения.

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же резкая граница существует и при переходе из жидкого состояния в твердое (рисунок 5.1).

На участке кривой 1—2 (рисунок 5.1) внешний подвод тепла сопровождается повышением температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку, атомы в которой увеличивают амплитуду колебания .за счет поглощения тепловой энергии. На участке 2—3 подвод тепла продолжается, но он не приводит к повышению температуры, т.е. подводимая энергия целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки и переход атомов в неупорядоченное состояние. Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. В точке 3 разрушаются последние участки кристаллической решетки и продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла (3-4).

При охлаждении происходит обратный процесс. На участке 5—6 происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит не строго при температуре плавления, а при некотором переохлаждении, величина которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Чем меньше загрязнен металл включениями, тем больше степень переохлаждения при кристаллизации.

Рисунок 5.1 – Кривые охлаждения и нагрева металла

Атомы одного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии. В ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре и давлении.

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Полиморфное превращение представляет собой перекристаллизацию, и для него характерны те же закономерности, что и для процесса кристаллизации.

Как и при кристаллизации из жидкой фазы, полиморфное превращение протекает только при переохлаждении или перегреве относительно равновесной температуры и возникновения разности свободных энергий между исходной и образующейся модификациями. При полиморфном превращении в отличие от кристаллизации из жидкой фазы возможно достижение очень больших степеней переохлаждения.

Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных фаз. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств материала: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электрической проводимости, магнитных свойств, механических и химических свойств и т.д.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

– ГЦК - ;

– ОЦК - ; (высокотемпературное).

В различных решетках кристаллизуются кобальт, олово, марганец, титан и некоторые другие металлы.

Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву α, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные, кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.

Температура при которой осуществляется переход из одной модификации в другую, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения.

Новые аллотропические формы образуются в результате зарождения центров и роста кристаллов аналогично кристаллизации из жидкого состояния. Кривые зависимости с.к. и ч.ц. от степени переохлаждения для аллотропического превращения имеют тот же вид, что и для кристаллизации из жидкого состояния. В качестве общей закономерности можно указать, что высокотемпературная модификация, как правило, имеет более простое атомно – кристаллическое строение и более высокую пластичность.

При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов — изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.

Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Например, железо в интервале температур 911—1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fе (рисунок 5.2). В интерпалах до 911˚С и от 1392 до 1539˚С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — α-Fе.

Железо – это металл серебристо – белого цвета. Абсолютно чистое железо неизвестно. Тенически чистое железо содержит Fe 99,999 %; его называют “армко железо”, которое используют в электротехнике в качестве магнитного материала.

Ниже 911 0С железо существует в форме α; при 911 °С объемноцентрированная решетка Feα переходит в гранецентрированную решетку Feγ, которая при 1392 °С вновь превращается в объемноцентрированную α -решетку (рисунок). Высокотемпературную α-модификздию иногда обозначают буквой .

Таким образом, одна и та же решетка у железа (кубическая объемно-центрированная) устойчива в двух интервалах температур. Превращение  сопровождается уменьшением координационного числа кристаллической решетки и уменьшением компактности. Если бы это уменьшение не компенсировалось в значительной степени уменьшением атомного радиуса, то железо- должно было бы при превращении  увеличиваться в объеме на 9 %. На самом деле (благодаря уменьшению атомного радиуса) объем железа увеличивается при этом примерно лишь на 1 %. Следует отметить, что структурные напряжения, вызванные даже этим незначительным увеличением объема, имеют большое значение.

При 768° С получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств. Выше 768 °С α-железо немагнитно (немагнитное α-железо называдат иногда β-железом). Ниже 768° С железо ферромагнитно.

Рисунок 5.2 - Аллотропические превращения в железе.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.


Продажа стерильные баночки для анализов www.бахилы.рф Электротехнические материалы