Полиморфные превращения

Некоторые элементы могут изменять свое кристаллическое строение, т.е. тип кристаллической решетки, в зависимости от внешних условий — температуры и давления.

Существование одного элемента в нескольких кристаллических формах (кристаллических модификациях) называется полиморфизмом или аллотропией.

Каждая полиморфная модификация имеет свою область температур, при которых она устойчива. Превращение одной кристаллической формы в другую происходит при постоянной температуре с выделением значительного количества тепла при охлаждении, что связано с затратой определенной энергии на перестройку кристаллической решетки и поглощением тепла при нагреве.




Перестройка кристаллической решетки в твердом состоянии называется вторичной кристаллизацией.

Как и при первичной кристаллизации для полиморфных превращений необходимы переохлаждение или перегрев относительно равновесной температуры. По своему механизму это кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей (как правило, на границах зерен) и последующего их роста. В результате образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Скачкообразно изменяются все свойства: удельный объем, теплоемкость, теплопроводность, механические и химические свойства.

Рисунок 2 – Виды элементарных кристаллических ячеек

Полиморфные модификации обозначают буквами греческого алфавита , , , и т.д. Модификацию, устойчивую при более низких температурах, обозначают , при более высоких — , затем и т.д. Температурным полиморфизмом обладают около тридцати металлов, например: марганец (-Мn, -Мn, -Мn, -Мn), титан (-Тi, -Тi), кобальт (-Сo, -Сo), олово (-Sn, -Sn) и др. Часть металлов не имеют полиморфных превращений, например: Ni (ГЦК), Аu (ГЦК), Ag (ГЦК), Pt (ГЦК), Cu (ГЦК), Zn (ГПУ).

Железо является основным компонентом сталей, чугунов и обладает полиморфизмом. На рисунке 3 приведена кривая охлаждения железа с температурами полиморфных превращений.

Рисунок 3 — Кривая охлаждения железа

Железо имеет две температуры полиморфного превращения 911 0С и 1392 0С. Ниже 911 0С железо имеет кубическую объемноцентрированную ячейку (ОЦК) и модификацию -Fe (Fe). При 911 0С решетка перестраивается в кубическую гранецентрированную (ГЦК) и модификацию -Fe (Fe). При 1392 0С решетка вновь перестраивается в ОЦК и модификацию -Fe (Fe). При 768 0С (точка Кюри) на кривой охлаждения имеется площадка, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств железа. Ниже 768 0С железо магнитно, выше — немагнитно.

Точка Кюри — это температура, соответствующая переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Примером полиморфного превращения, обусловленного изменением температуры и давления, является изменение кристаллического строения углерода. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, а при нагреве до 2000 0С и давлении порядка 1010 Па образуется модификация алмаза.

В середине восьмидесятых годов прошлого века открыта третья форма углерода в виде замкнутых сферических или сфероидальных молекул, состоящих из пяти- и шестиугольников — фуллерены. В зависимости от количества объединенных атомов углерода существуют фуллерены С28…С960. Наиболее стабильными являются молекулы С60 и С70. Полиморфные модификации углерода приведены на рисунке 4.




Лекции и краткая теория по экономике, материаловедению, электротехнике и ТКМ