Аллатропия железа

Аллотропия железа

Железо при охлаждении от жидкого состояния до температуры 15-20° претерпевает внутренние превращения, выражающиеся четырьмя критическими точками. При 1540° оно кристаллизуется в  виде модификации сигма Fе с кристаллической решеткой в объемно-центрированный куб; при 1400° сигма Fе переходит в гамма Fе модификацию железа, образуя гранецентрированную кристаллическую решетку; при 910° гамма Fе переходит в альфа Fе модификацию железа, кристаллизуясь в гранецентрированную кубическую решетку. При 768° немагнитное железо переходит в магнитное а Fе. 
 
Модификации железа обладают различными свойствами: гамма Fе относительно хорошо растворяет углерод, образуя твердый раствор внедрения, который называется аустенитом. Максимальная растворимость углерода в альфа Fе при 1130° составляет 2% . В альфа Fе при 723° максимально растворяется 0,02% углерода. Твердый раствор углерода в альфа Fе называют ферритом. 
 
Переход из жидкого состояния в твердое сопровождается определенной расстановкой атомов в пространстве — образованием кристаллической решетки, т. е. затвердевание, есть процесс образования из жидкости кристаллов. Структура металла, образующаяся в процессе кристаллизации, зависит от характера этого процесса. Кристаллизация начинается у поверхности слитка, соприкасающегося с формой. Кристаллы образуются вокруг центров кристаллизации (зародыши кристаллов). К этим центрам начинают присоединяться все новые атомы, которые, располагаясь в пространственной решетке, образуют правильные кристаллы. Кристаллы быстрее растут в направлении своих главных кристаллических осей. При свободном развитии кристаллы приобретают древовидную или так называемую дендритную форму. По мере роста кристаллы соприкасаются гранями между собой. При этом рост кристаллов сдерживается соседними, и они теряют свою правильную форму и развиваются теми гранями, которые окружены не закристаллизовавшимся еще металлом.В результате образуются кристаллы с неправильными внешними очертаниями.  
 
Процесс кристаллизации заканчивается на границах отдельных кристаллов, и в этом пространстве образуются микроскопические пустоты от усадки. Между кристаллами часто образуется очень тонкая прослойка примесей, имеющих более низкую температуру плавления, а на границе зерен располагаются посторонние включения и образуются микропустоты. В результате получается поликристаллическое тело с резко выраженными границами между отдельными кристаллитами. Расстояния между атомами в кристаллической решетке могут быть различными по разным направлениям, а в соответствии с этим свойства кристалла по разным направлениям будут неодинаковы, что называется анизотропией кристалла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полиморфизм и  анизотропия

 

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.