Магнитное превращение в металлах

Обновлено: 04.10.2024

В металлах в твердом состоянии возможно протекание превращений двух видов: первое связано с перестройкой кристаллической решетки одного типа в другой, называемое полиморфным; второе не связано с перестройкой кристаллической решетки, при нём происходит изменение магнитных свойств металла, поэтому оно называется магнитным.

Многие металлы при разных температурах могут образовывать разные типы кристаллических решеток, т.е. иметь различную модификацию. Известны полиморфные превращения для железа, кобальта, титана, марганца, олова и некоторых других металлов. Полиморфное превращение протекает в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой, характеризующейся минимальным уровнем свободной энергии. Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в равновесных условиях протекает при постоянной температуре (критической точке) и сопровождается выделением тепла при охлаждении и поглощением тепла при нагреве.

Как и в случае кристаллизации из жидкой фазы, для того, чтобы протекало полиморфное превращение необходимо некоторое переохлаждение, в том случае, если рассматривается охлаждение металла, или перегрев (в случае его нагрева). Необходимым условием протекания полиморфного превращения является разность свободных энергий между исходной и образующейся кристаллической решетки (модификации). В отличие от расплавленного жидкого состояния, в твердом металле возможно реализовать очень большие степени переохлаждения. Полиморфное превращение осуществляется, как и при кристаллизации, путем образования зародышей и их дальнейшего роста в результате перехода атомов из старой модификации в новую. Превращение может быть диффузионным и бездиффузионным (мартенситным).

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такое превращение называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проводился до температуры, незначительно превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), то получается очень мелкое зерно, что часто используется на практике для получения мелкозернистой структуры. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов: удельного объема, теплопроводности, электропроводности, магнитных, механических, химических и других свойств.

Все вещества по магнитным свойствам можно разделить на три группы: парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные. Парамагнитные вещества слабо притягиваются магнитами. Это связано с тем, что, попадая в магнитное поле они слабо намагничиваются, причем против северного полюса магнита оказывается южный полюс парамагнитного тела, в результате чего наблюдается его втягивание в магнитное поле. Если парамагнитный стержень поместить в магнитное поле, то он стремится повернуться таким образом, чтобы его ось оказалась параллельна магнитному полю.

Диамагнитные тела также слабо намагничиваются, но отталкиваются магнитом, так как при попадании в магнитное поле они намагничиваются таким образом, что против северного полюса магнита оказывается северный полюс диамагнетика. Именно поэтому диамагнитные тела выталкиваются из магнитного поля, а стержень из диамагнитного материала стремится в магнитном поле повернуться перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Ферромагнитные материалы очень сильно намагничиваются в магнитном поле. После удаления из магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом, что позволяет использовать их в качестве постоянных магнитов. При нагреве выше определенной температуры, называемой «точкой Кюри», ферромагнитные материалы превращаются в парамагнитные. Для железа точка Кюри расположена при температуре около 768 °С. Изменения кристаллической решетки или микроструктуры при этом не происходит, а магнитное превращение связано только с изменением электронного состояния атомов металла. Магнитное превращение является полностью обратимым и всегда протекает без заметного температурного гистерезиса.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.


Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.


© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

ПОЛИМОРФНЫЕ И МАГНИТНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Нами было рассмотрено строение идеальных кристаллов. Структура реальных кристаллов, составляющих полиструктуру, имеет много дефектов (несовершенств) строения, которые оказывают большое влияние на многие свойства материала и в первую очередь на прочность. Сегодня можно получить кусок металла, представляющий собой один кристалл, так называемый монокристалл. Монокристаллы весом в несколько сот граммов изготавливают для исследования и для получения полупроводников. Исследование монокристаллов показа-ло, что они обладают весьма высокой прочностью. Прочность же реальных кристаллов на 2–3 порядка меньше, чем у монокристалла. Это объясняется наличием дефектов в кристаллической решетке, происходящие в процессе кристаллизации либо пластической деформации.

Основными дефектами кристаллической решетки являются точечные, линейные и поверхностные.

Линейные дефекты называют дислокациями. Это цепочки дислокации, перестановки атомов, они наиболее часто получаются в процессе пластической деформации.

Поверхностные дефекты возникают на границах кристаллов (зерен) и имеют, как правило, дислокационное происхождение.

Анизотропия – это различие свойств монокристаллов в зависимости от направления воздействия нагрузок. Она обусловлена неодинаковым расположением и плотностью атомов в зависимости от плоскости и направления. Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве. Аморфные тела изотропны, т.е. все их свойства одинаковы во всех направлениях.

Реальный металл состоит из многих кристаллов, в 1 см3 такого металла содержится десятки тысяч кристаллов. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллического сплава одинаковы во всех направлениях, хотя свойства отдельно взятого кристалла зависят от направления.

Это явление называется квазиизотропией или ложной, кажущейся изотропностью.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Это свойство металлов изменять тип и размеры кристаллических решеток при нагревании и охлаждении. Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой (в координатах температура – время) превращение отмечается горизонтальным участком. При охлаждении происходит выделение тепла (выделение скрытой теплоты превращения) теоретически при такой же температуре, что и при нагреве. Температура, при которой происходит переход из одного типа кристаллической решетки в другой, носит название температуры полиморфного (аллотропического) превращения. Так, например, железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

Полиморфные превращения наблюдаются у многих металлов, таких, как железо, марганец, олово и др. Каждое полиморфное превращение, начиная с низкой температуры, обозначается греческими буквами. Полиморфные превращения железа обозначаются следующим образом: Feα→ Feβ → Feγ → Feδ. На кривой охлаждения железа показаны все его полиморфные превращения.

Ниже 911 °С железо существует в форме α, при 911 °С объемноцентрированная решетка Feα переходит в гранецентрированную решетку Feγ, которая при 1392 °С вновь превращается в объемноцентрированную. При температуре 768 °С получается остановка на кривой охлаждения, связанная не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств.

Выше 768 °С α – железо немагнитно и его называют β-железом. При нагревании происходит те же переходы, только в обратной последовательности.

Полиморфные превращения сопровождаются изменением в твердом состоянии структуры металла, а следовательно, и его свойств. Такое явление широко используется при термической обработке железоуглеродистых сплавов.

Магнитные превращения характерны для таких металлов, как железо, кобальт, никель. Эти металлы способны хорошо намагничиваться, приобретать ферромагнитные свойства. Однако при нагреве ферромагнитные свойства этих металлов теряются. П. Кюри показал, что полная потеря ферромагнитных свойств происходит при определенной температуре, названной точкой Кюри.

Интенсивность намагничивания с повышением температуры постепенно снижается, и точка Кюри соответствует окончательной потере ферромагнетизма. Магнитные превращения существенно отличаются от аллотропического. Основные отличия состоят в том, что механические и физические свойства не изменяются (изменяются

только электрические, магнитные и тепловые) и, самое главное, магнитное превращение не сопровождается перекристаллизацией, т.е. изменением решетки. Согласно современным представлениям, при магнитных превращениях происходит изменение не в кристаллической структуре металла, а во взаимодействии внешних и внутренних электронных оболочек атомов.

Полиморфное и магнитное превращения в металлах

Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии

Превращения в металлах и сплавах в твердом состоянии по своей физической сущности во многом напоминают кристаллизацию жидких металлов. Эти превращения называют фазовой перекристаллизацией, а при их исследованиях используют те же подходы в отношении механизмов и кинетики формирования новой фазы, включая образование зародышей и последующий их рост.

В чистых металлах основными превращениями в твердом состоянии являются аллотропические (полиморфные), а также магнитные превращения. В сплавах превращения в твердом состоянии дополняются целым рядом превращений, таких как эвтектоидное, перитектоидное, растворение и выделение избыточных фаз и др. Их изучение потребует знания диаграмм фазового равновесия и будет кратко рассмотрено позже.

Аллотропическим (полиморфным) превращением называют изменение пространственной решетки кристаллического тела. В качестве примеров аллотропических превращений можно привести превращение низкотемпературной аллотропической формы a - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой в высокотемпературную форму g - Fe с гранецентрированной кубической решеткой, при температуре 911 °С и последующее превращение при температуре 1392 °С g - Fe в d - Fe с объемно-центрированной кубической решеткой, аналогичной a - Fe. Аналогичные превращения можно наблюдать в титане, цирконии и т.д. В титане и цирконии низкотемпературной аллотропической формой являются a - Ti, a - Zr с гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре выше 882° С для титана и 862° С для циркония образуются b - Ti и b - Zr, обладающие объемно-центрированной решеткой.

Аллотропическое превращение заключается в том, что атомное строение кристаллического тела изменяется при нагреве и охлаждении при переходе через критическую точку. Сам процесс перестройки кристаллической решетки происходит изотермически при постоянной температуре, кривая охлаждения сплава претерпевающая аллотропические превращения, аналогична кривой, наблюдаемой при затвердевании жидкого металла (рисунок 2. 11). Температура перехода называется критической точкой превращения. При температуре (Т0) наблюдается фазовое равновесие двух аллотропических разновидностей.

Рисунок 2.11. Термическая кривая для случая аллотропического при охлаждении Рисунок 2.12. Изменение свободной энергии системы при аллотропическом превращении

Аналогично процессу кристаллизации аллотропическое превращение идет с поглощением тепла при нагреве и выделением его при охлаждении. Аллотропическое превращение (также по аналогии с процессом кристаллизации) происходит путем образования зародышей и их последующего роста, в связи с чем оно протекает всегда с наличием переохлаждения (при охлаждении) и перенагрева при нагреве.

Аллотропическое превращение происходит так же как и процесс кристаллизации, в связи со стремлением системы к уменьшению свободной энергии, и поскольку линии, характеризующие изменения свободной энергии в зависимости от температуры, пересекаются при температуре Т0 (рисунок 2.12). При температурах выше Т0 стабильной является b - фаза, при более низкой температуре стабильной оказывается a - фаза, имеющая меньший запас свободной энергии.

В процессах кристаллизации основным препятствием образования твердых кристаллов являются затраты энергии на образование границы раздела фаз. Это вызывает необходимость переохлаждения для начала процесса кристаллизации.

При аллотропическом превращении кроме энергии, затрачиваемой на образование границы раздела фаз, необходимы дополнительные затраты энергии на преодоление упругого сопротивления твердой фазы, связанные с тем, что полиморфные превращения всегда приводят к изменением объема. Поскольку затраты энергии для образования зародышей при аллотропическом превращении больше, чем при кристаллизации из жидкого состояния, то переохлаждение при превращениях в твердом состоянии должны быть гораздо больше, чем при кристаллизации.

Аллотропические превращения могут протекать по двум механизмам:

1. диффузионным (нормальным) путем,

2. бездиффузионным (мартенситным) путем.

В отдельных металлах эти превращения могут протекать как по одному, так и по другому механизму, что будет зависеть от скорости охлаждения.

Диффузионный механизм аллотропического превращения заключается в том, что атомы, располагающиеся в решетке высокотемпературной модификации путем диффузионного перемещения, занимают новые места, характерные для новой аллотропической формы: низкотемпературной модификации.

Следовательно, развитие диффузионного механизма аллотропического превращения наиболее благоприятно при высоких температурах, обеспечивающих большую скорость диффузионного перемещения атомов. Кроме того, если температура превращения настолько высока, что обеспечивает высокую пластичность, то затраты энергии на преодоление упругого сопротивления тела образованию и росту новой фазы, отличающейся от новой фазы удельным объемом становятся меньше, в связи с чем аллотропическое превращение протекает при минимальном переохлаждении. Зародыши новой фазы появляются на границах зерен старой фазы и на других дефектах кристаллов. В дальнейшем происходит рост этих зародышей за счет перехода атомов из старой фазы в новую. Наряду с этим наблюдается продолжение зарождения новых зародышей образующейся фазы.

При переходе металла из одного кристаллографического состояния в другое происходит не только изменение кристаллической структуры, но и имеет место полный процесс фазовой перекристаллизации, при которой на месте старых зерен образуются совершенно новые зерна с новым расположением границ. Причем на месте старого одного зерна могут возникнуть несколько новых или на месте нескольких старых - одно новое зерно.

Этот процесс зависит, главным образом, от скорости охлаждения и степени переохлаждения, которые в основном определяют количество образующихся в единицу времени центров кристаллизации и скорость роста новой фазы. Чем выше скорость охлаждения и выше степени переохлаждения, тем больше количество центов кристаллизации, тем более дисперсными являются зерна новой фазы.

Поскольку аллотропические превращения происходят в твердой среде, наиболее интенсивно процесс фазовой перекристаллизации будет происходить в том случае, если длина диффузных путей будет минимальной. А это означает, что при образовании зародышей должен соблюдаться принцип структурного и размерного соответствия. Он сформулирован С.Т. Конобеевским и заключается в том, что: "форма и ориентировка зародышей новой фазы при кристаллизации должны соответствовать минимуму поверхностной энергии при данном объеме, а минимум поверхностной энергии обеспечивается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз".


 Рисунок 2.13. Близкие по строению плоскости в решетке ОЦК и в ГЦК решетке

Поэтому зарождение новой фазы начинается на плоскостях, которые являются наиболее сходными у обеих кристаллических решеток. Например, при переходе g - Fe в a - Fe наибольшее сходство имеют плоскости в g - Fe и в a - Fe (рисунок 2.13).

Преобразованием плоскостей g в a и направлений [110] g в [111] a во всем объеме металла протекает рассматриваемое аллотропическое превращение. При этом происходит лишь небольшой поворот кристаллографических направлений, при котором обеспечиваются углы 70°30¢ и 54°45¢ соответствующие расположению атомов в объемно-центрированном кубе.

Форма выделений новой фазы в основном определяется упругой энергией, возникающей при выделении. Если при аллотропическом превращении наблюдается большая степень размерного и структурного соответствия кристаллов старой и новой фаз, упругая энергия системы минимальна, а кристаллы новой фазы имеют форму дисков (пластин). Кроме того, на форму выделяющихся кристаллов оказывает влияние степень анизотропии упругих свойств обеих фаз. Если модули упругости возникающей фазы для всех направлений меньше, чем модули переходной фазы, в этом случае форма выделений - диски или пластины. Если модуль новой фазы только для одного из направлений меньше, чем модуль исходной фазы, то может появиться игольчатая форма выделений.

Появление новой фазы с новым удельным объемом может способствовать развитию сопутствующих процессов, таких как наклеп (фазовый) и рекристаллизации. Кроме того, на развитие аллотропии может оказывать влияние наличие примесей, которые могут играть роль дополнительных зародышевых центров. Все эти дополнительные параметры могут оказать влияние на окончательную структуру и свойства металла, претерпевшего аллотропическое превращение. В результате собирательной рекристаллизации, сопутствующей аллотропическому превращению, происходит укрупнение зерна, причем тем больше, чем выше температура нагрева. В случае же нагрева до температур, лежащих выше критической точки, когда происходит образование зерен новой фазы, но не успевает начаться укрупнение зерна, обычно получается очень маленькое зерно.

Бездиффузионный или мартенситный механизм аллотропического превращения осуществляется при низких температурах, при которых диффузия или самодиффузия почти не осуществляется. Это превращение происходит или в металлах с низкой температурой аллотропического перехода или при сильном переохлаждении высокотемпературной аллотропической формы в металлах с высокой температурой превращения. Так у кобальта, у которого Т0 = 420 °С, аллотропическое превращение идет только бездиффузионным путем. В железе, титане, цирконии и других металлах с высокой температурой Т0 при большом переохлаждении превращение идет бездиффузионным путем, а при малом переохлаждении - диффузионным путем. При мартенситном аллотропическом превращении новая фаза образуется путем кооперативного и закономерного перемещения атомов таким образом, что они сохраняют своих соседей и смещаются по отношению один к другому на расстояния, не превышающие междуатомные. Основное предположение мартенситного превращения заключается в том, что в процессе перехода старой фазы в новую сохраняется сопряженность (когерентность) их пространственных решеток. При наличии когерентности двух фаз поверхностная энергия границы очень мала, что способствует интенсивному росту образовавшихся кристаллов.

Упругая энергия сравнительно велика, она все время возрастает в процессе роста кристалла. Это происходит до тех пор, пока не будет превзойден предел упругости в переходной зоне. При этом в ней происходит пластический сдвиг, нарушающий когерентность кристаллических решеток старой и новой фаз. Возникновение некогерентной границы приостанавливает рост данного кристалла мартенситной фазы. Дальнейшее увеличение количества образующейся фазы происходит путем образования новых зародышей и мгновенного их роста. Скорость роста кристаллов при мартенситном превращении очень велика и достигает скорости звука. Скорость образования центров кристаллизации подчиняется общим закономерностям фазовых превращений. При развитии мартенситного механизма аллотропического превращения участки новой фазы располагаются вдоль определенных кристаллографических плоскостей старой фазы и выглядят под микроскопом в виде иголок или пластин. Это является результатом структурного и размерного соответствия, устанавливающегося между решетками старой и новой фаз.

Важной особенностью мартенситного превращения является то, что в изотермических условиях превращения только часть старой фазы переходит в новую. Дальнейшее превращение может протекать только при понижении температуры. Мартенситное превращение происходит в интервале температур. Различают точки Мн и Мк - начало и конец мартенситного превращения. Во многих случаях превращение не доходит до конца даже при очень низких температурах. Установлено, что мартенситное превращение, как и нормальное - диффузионное обратимо. Образование высокотемпературной формы из низкотемпературной при достаточной степени перенагрева может происходить бездиффузионным путем.

Магнитное превращение, наблюдаемое в ферромагнитных материалах, не является обычным фазовым превращением. Оно не связано с перемещением диффузией атомов, а вызывается только изменением взаимодействия магнитно нескомпенсированных d или f - электронов, обусловливающих возникновение ферромагнетизма. Характер изменения магнитных свойств зависит от физической природы металла. Температура потери магнитных свойств, называемая точкой Кюри, не зависит от скорости нагрева или охлаждения. Эта температура постоянна для каждого металла. Для железа она равна 768° С, никеля - 365- 370° С, кобальта - 1050° С.

Читайте также: