Аллотропические превращения: Полиморфные (аллотропические) превращения в металлах |

Содержание

Кристаллизация и аллотропические превращения металлов

Категория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Публикация:

Кристаллизация и аллотропические превращения металлов

Читать далее:

Основы теории металлических сплавов

Кристаллизация и аллотропические превращения металлов

В чистых металлах и сплавах при определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления. При обратном переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы. Этот процесс называется кристаллизацией.

Основы кристаллизации разработаны русским ученым Д. К. Черновым, который установил два составных процесса кристаллизации: зарождение мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и рост из них кристаллов.

Процесс кристаллизации схематично представлен на рис. 1. Здесь на площади, ограниченной окружностями, показаны последовательные этапы зарождения из атомов первичных центров кристаллизации, их роста и возникновения новых зародышей, дальнейшего Роста кристаллов до соприкосновения их граней и окончания процесса кристаллизации. В результате образуется структура зерен кристаллов с неправильной геометрической формой.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Рис. 1. Схема процесса кристаллизации

Величина верен зависит от количества зародышей кристаллизации и скорости их роста. На рис. 4 схематично показано влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и величину зерен. Если скорость охлаждения мала, то возникает небольшое число зародышей и в конце кристаллизации образуются крупные зерна. При большой скорости охлаждения количество зерен возрастает, но они становятся мельче. Это можно наблюдать на практике — в тонких сечениях литых деталей, где структура стали мелкозернистая, так как происходит быстрое охлаждение. Чтобы сделать зерно мелким, в металл вводят специальные вещества — модификаторы. Процесс искусственного регулирования величины зерел получил название модифицирования.

Рис. 2. Влияние скорости охлаждения на процесс кристаллизации:
а — медленное охлаждение; б — ускоренное охлаждение; в — быстрое охлаждение

Рис. 3. Схема дендритной кристаллизации

Рис. 4. Кривые охлаждения при кристаллизации:
1 — теоретическая кривая; 2 — кривая реального процесса

Рис. 5. Кривая охлаждения железа

Процесс образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер, на что впервые обратил внимание Д. К. Чернов. Сущность его состоит в том, что после образования зародышей рост их идет по направлениям кристаллической решетки, где имеется меньшая плотность упаковки атомов. Поэтому образуются оси первого порядка, затем от них под определенными углами начинают формироваться оси второго порядка, от них растут оси третьего порядка и т. д. В результате заполняется все пространство и образуется структура (дендрит), внешне напоминающая строение дерева. Если условия кристаллизации благоприятны, то могут возникнуть огромные дендриты, достигающие в длину нескольких десятков сантиметров. Нормальные дендриты в литых металлах имеют длину, равную всего нескольким миллиметрам. После горячей механической обработки (ковки, прокатки и прессовки) дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и образуют волокна, которые при наилучшем расположении распределяются вдоль контура изделия. Это оказывает положительное влияние на его механические свойства.

Для определения температуры кристаллизации металла термическим методом используют термоэлектрический пирометр, состоящий из термопары и гальванометра. Термопару помещают в расплав металла и по величине термоэдс измеряют температуру охлаждения через определенные промежутки времени, получая кривую охлаждения

Теоретически кривая охлаждения имеет вид, показанный на рис. 4 (кривая 1). Здесь при охлаждении начало кристаллизации (точка А) совпадает с равновесной температурой кристаллиэа-ции Тк. Далее процесс кристаллизации до ее окончания (точка Б) проходит при постоянной температуре, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. По окончании этого процесса температура вновь начинает понижаться.

В реальных условиях затвердение металла не может происходить при равновесной температуре Тк, а начинается при более низкой температуре Тф (кривая 2), которая называется фактической температурой кристаллизации или температурой переохлаждения. Для большинства металлов температура переохлаждения очень незначительно отличается от равновесной (теоретической) температуры кристаллизации. Однако при увеличении скорости охлаждения температура Тф понижается.

Аллотропические превращения возникают в структуре кристаллической решетки некоторых металлов при изменении температуры. Они представляют собой перегруппировку атомов и переход одного вида кристаллической решетки в другой, Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, или полиморфизмом, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую — аллотропическим превращением.

Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными, модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита а, р, у и т. д. Буква ос обозначает модификацию металла, существующего при самой низкой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с более высокой температурой.

Процесс аллотропического превращения происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагреве). Вследствие этого аллотропическое превращение отмечается на кривой охлаждения горизонтальной линией.

Например, железо может существовать в нескольких модификациях (рис. 5). До температуры 911 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При 768 °С на кривой охлаждения получается ступенька, связанная не с перестройкой решетки, а с потерей магнитных свойств До этой температуры телезо магнитно и называется а-железо, а выше указанной температуры желе-80 теряет магнитные свойства и до температуры 911 °С называется железо.

В интервале температур 911—1392 °С железо образует гране-центрированную кубическую решетку и называется v-железо. Высокотемпературная модификация железа устойчивая, при температурах от 1392 °С до 1539 °С, имеет объемно-центрированную кубическую решетку а-железа и в отличие от него называется 3-железо.

Аллотропические превращения различных металлов имеют свои особенности. Знание их необходимо для практического использования при получении сплавов, а также для проведения термической пли химико-термической обработки.

Аллотропические превращения в металлах — Инструмент, проверенный временем

Некоторые металлы (железо, олово, титан, цирконий, кобальт и др.) способны испытывать превращения в твердом состоянии при изменении температуры, т. е. подвергаться так называемой вторичной кристаллизации. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов в элементарной ячейке решетки называется аллотропией, а процесс

изменения кристаллической решетки — аллотропическим, или полиморфным превращением. Аллотропические формы металла называют модификациями и обозначают начальными буквами греческого алфавита [а., Р, — у, 6 и т. д.). Модификацию, устойчивую при низких температурах, обозначают буквой а, при более высоких — (3, следующие (по температурной шкале) модификации — у, б и т. д. При вторичной кристаллизации происходит перестройка

кристаллической решетки из кристаллов прежней формации и образование новых кристаллов.

Железо может существовать в различных модификации х. Аллотропические превращения железа можно проследить по кривым охлаждения и нагревания (рис. 20). На кривой охлаждения при температуре 1539° С появляется первая горизонтальная площадка ‘ (остановка), отмечающая переход железа из жидкого состояния (ж) в твердое Fee с выделением значительного количества тепла. Об — железа разующиеся кристаллыРее

имеют кубическую объем — ноцентрированную кристаллическую решетку со стороной а = 2,93 А.

Вторая остановка наблюдается при ]401 °С (точка Ак). При этом Fee переходит в Fey с более плотной кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Третья остановка происходит при 898е С (точка Аг3, на рис. 20 от,), во время которой Fev переходит в Fep и имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку.

Последняя остановка наблюдается при 768° С (точка Л2), что соответствует переходу из состояния Fep в Fea без изменения кристаллической решетки.

Выделение тепла при переходе Fep в Fea связано с внутриатомными изменениями, в результате которых у Fea появляются резко выраженные магнитные свойства. Таким образом, фактически имеются две модификации железа с разными кристаллическими решетками.

Превращения, происходящие при нагревании железа, сопровождаются поглощением тепла. Остановки чаще всего происходят при тех же или несколько более высоких температурах, чем при охлаждении. Критические температуры, при которых происходят аллотропические превращения железа, обозначаются А с соответствующими ин-

дексами (при нагревании применяют индекс с с цифрой, при охлаждении — гс цифрой).

Реальная кристаллическая решетка отличается от идеальной схемы, приведенной на рис. 20, наличием кристаллических несовершенств.

Updated: 17.02.2016 — 00:52

← Previous Post

Инструмент, проверенный временем

Frontier Theme

аллотропных превращений в титане | Природа

Аллотропные превращения в титане

Скачать PDF

Опубликовано: 02 июля 1949 г.

А. Д. МАКВИЛЛАН ¹

Природа
том 164 , страница 24 (1949)Цитировать эту статью

1002 доступа
7 цитирований
Сведения о показателях

Abstract

Сообщалось ^1,2, что чистый металлический титан, полученный диссоциацией тетраиодида титана ³ , претерпевает аллотропное изменение в интервале температур 860–900°C. Титан имеет гексагональную плотноупакованную форму структура ниже 860°С и объемно-центрированная кубическая структура выше 900°С. Было проведено тщательное исследование этого диапазона превращения в титане. Теперь оказывается, что есть два различных превращения, одно при 864°С и другое при 900°С, и что третья аллотропная модификация титана стабильна между этими температурами.

Ссылки

de Boer, Burgers and Fast, Proc. акад. Влажный. Амст. , 39 , 515 (1936).
КАС
Google Scholar
Jaeger, Roseubohm and Fonteyn, Rec. Трав. Чим. Pay-Bas , 55 , 615 (1936).
Артикул
КАС
Google Scholar
van Arkel and de Boer, Z. anorg, allgem. хим. , 148 , 345 (1925).
Артикул
КАС
Google Scholar

Ссылки для скачивания

Информация об авторе

Авторы и организации

Секция физической металлургии, Совет по научным и промышленным исследованиям, Лаборатория Байе, Мельбурнский университет,
А. Д. МАКВИЛЛАН

Авторы

А. Д. МАКВИЛЛАН
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

Влияние скорости охлаждения на альфа-бета-превращение в титане и титаномолибденовых сплавах
- Пол Дувез
JOM (1951)

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.