Аллотропические формы некоторых металлов

Ме­талл	Аллотропи- ческие формы	Интервал температур устойчивого состояния, °С	Кристаллическая решетка
Fe	α β γ	911 911-1392 1392-1539	коц КГЦ КОЦ
Со	α β	<450 450-1480	Г (гексагональная) КГЦ
Sn	α β	< 18 18-232	Решетка алмаза Тетрагональная ОЦ
Мп	α β γ δ	<700 700-1079 1049-1143 1143-1244	Кубическая сложная То же Тетрагональная ГЦ КОЦ
Ti	α β	<882 882-1668	Г КОЦ
U	α β γ	<660 660-770 770-1133	Ромбическая Тетрагональная КОЦ

Полиморфное превращение аналогично процессу кристаллизации, т.е. вначале образуется зародыш, а затем происходит рост зерен новой модификации, и новые зерна имеют другую форму и размеры. По сути, такое превращение является перекристаллизацией, и его используют для измельчения зерен. Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, так и в сплавах. В результате полиморфных превращений резко и скачкообразно изменяются свойства металлов и сплавов (электро- и теплопроводность, теплоемкость, плотность, механические, магнитные, химические свойства).

На рис. 3.5. приведена кривая охлаждения железа, характеризующая изменение его аллотропических форм.

Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называют изоморфными: Al, Cu, Ni, Cr, W и др.

ВРЕМЯ

Рис. 3.5. Аллотропические формы железа

3.4. Структура реальных кристаллов

Рассмотренные выше схемы строения кристаллических решеток относятся к идеальным кристаллам, которые невозможно получить на практике. Ис­следования показали, что прочность реальных кристаллов в 100-1 ООО раз меньше прочности веществ с правильной кристаллической решеткой, рассчитанной теоретически. Так, в соответствии с теоретическими расчетами величина критического скалывающего напряжения для идеальной решетки железа составила 2560 МПа, в то время как сопротивление сдвигу реальных моно­кристаллов железа равно 29 МПа; для алюминия соответственно 900 и 1,2-0,2 МПа. Это несоответствие обусловлено тем, что кристаллические решетки ме­таллов, полученных по обычным техно­логиям, содержат очень большое коли­чество дефектов -10⁶-10⁸ на 1 см² поверх­ности.

Различают следующие дефекты строения кристаллов: точечные, линей­ные, поверхностные и объемные.

К точечным дефектам решетки (размер которых не превышает несколь­ких атомных диаметров) относятся: ва­кансии, атомы в междоузлиях, атомы замещения, а также их комбинации.

Вакансии представляют собой сво­бодные от атомов узлы решетки. Вакансии могут образоваться либо в результате миграции атомов из внутренних областей кристалла на поверхность и последующего перехода их в газовую фазу, либо (реже), в результате перехода атомов в междоузлие. Количество вакансий и дислоцированных атомов увеличивается с повышением температуры металла, так как с ростом кинетической энергии колеблющихся атомов все большее их количество способно преодолеть энергетический барьер и покинуть узел решетки.

Линейные дефекты - это дислокации, представляющие локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной плоскости. Чаще всего дислокации возникают в результате частичного сдвига (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Схема кристалла с винтовой дислокацией

К двумерным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы между кристаллами. Границы между отдельными зернами представляют собой переходную область шириной 8-10 межатомных расстояний, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристал­лографическую ориентацию, переходит в ре­шетку другого кристалла с иной кристаллогра­фической ориентацией. В связи с этим на границе атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Кроме того, по границам зерен в технических металлах концентрируются примеси, что в еще большей степени нарушает правильный распорядок расположения атомов. На рис. 3.7 приведены примеры различных нарушений кристаллической структуры ре­шетки железа.

Рис. 3.7. Дефекты строения кристалла:

О - атом Fe; - атом элемента замещения; _●- атом элемента внедрения (С; В; H; O; N)

Трехмерные дефекты представляют, ско­рее, макроскопические дефекты металличес­кого кристалла. К ним, в частности, относятся неметаллические включения.