Перед прочтением этого материала рекомендуем изучить:
-
Атомарное строение металлов
Полиморфизм. Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур называется полиморфизмом. Различные структурные модификации одного и того же металла называют еще аллотропическими модификациями, а такие превращения под воздействиями температуры или давления называют аллотропическими превращениями.
Полиморфизм распространен среди многих металлов и имеет важное значение для техники, так как оказывает влияние на поведение металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время термической обработки и при эксплуатации деталей в машинах.
Полиморфные модификации, происходящие при самых низких температурах, обозначают символом α, при более высоких - символом β при еще более высоких - символом γ и т. д.
Полиморфизмом обладают железо, кобальт, титан олово, марганец, ванадий, стронций, кальций, цирконий и др.
Физическая суть полиморфного превращения заключается в том, что кристаллическое вещество при разных температурах переходит в состояние с меньшим запасом свободной энергии. Например, полиморфное равновесие титана наблюдается при 880 °С, а олова - при 13,2 °С.
Переход металла из одной аллотропической модификации в другую сопровождается выделением теплоты при охлаждении металла и поглощением теплоты при его нагреве, а внешняя температура остается постоянной.
Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества. Переход железа из α- в γ-модификацию при температуре примерно 910 °С сопровождается изменением объема на 1,6 %. Плотность γ-железа на 1,05 % больше плотности α-железа, а удельный объем γ-железа соответственно меньше.
Анизотропия. В кристаллическом теле атомы образуют правильно повторяющиеся конфигурации (решетки), но в разных направлениях плотность атомов в этих конфигурациях различна и условно можно представить, что кристалл пересекается плоскостями под разными углами с различным количеством атомов в каждой из этих плоскостей. Атомы этих плоскостей связаны друг с другом и между всеми атомными плоскостями также действуют силы притяжения. В гранецентрированной и объемно центрированной решетках имеются три главные плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов, которые обозначаются (100), (110), (111). Эти плоскости имеют минимальную поверхностную энергию (на рисунке).
Условные плоскости в кубической решетке с наиболее плотной упоковкой атомов
1 - плоскости (100); 2 - плоскости (110); 3 - плоскости (111);
Плоскости с наименьшей поверхностной энергией и плотной упаковкой атомов наиболее легко перемещаются относительно друг друга при деформации кристалла. Следовательно, требуется наименьшая затрата энергии для деформации кристалла в направлении указанных плоскостей, т. е. механические свойства в этих направлениях будут минимальными.
Также отличаются магнитная проницаемость, модули упругости, теплопроводность и ряд других свойств, измеряемых в разных направлениях кристалла (по разным кристаллографическим плоскостям).
Такая неодинаковость свойств кристалла в разных кристаллографических направлениях называется анизотропией. Следовательно, отдельный кристалл - тело анизотропное, т. е. имеет различные свойства в различных направлениях. Но на практике дело обычно имеют с поликристаллическими телами, состоящими из большого количества различно ориентированных друг к другу мелких (10
-1-10
-4 см) кристаллов, образующих кристаллиты или зерна. Поэтому анизотропия в поликристаллическом теле не имеет ярко выраженного характера и свойства как бы усредняются во всех направлениях благодаря различной ориентации мелких кристаллов. В этом случае поликристаллическое тело становится изотропным подобно аморфным телам и приобретает одинаковые свойства во всех направлениях.
