Аллотропические превращения металлов

Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другой в соответствии с минимумом свободной энергии, отвечающим тому или иному расположению атомов (см. рис. 7). Такой переход при нагреве или охлаждении металла называют аллотропическим или полиморфным превращением. Процессы аллотропических изменений подчиняются законам кристаллизации: для их протекания требуется перенагрев или переохлаждение, а рост зерен новой фазы (кристаллов с другой кристаллической решеткой) подчиняется законам образования и роста зародышей.

Вторичная кристаллизация (перекристаллизация) в твердом состоянии после кристаллизации из жидкого состояния изменяет кристаллическое строение – возникают и растут новые зерна, появляются новые границы зерен.

Характерной особенностью перекристаллизации в твердом состоянии при охлаждении является то, что она может происходить при различных, даже очень больших, степенях переохлаждения. Поэтому вторичная кристаллизация может быть диффузионной, связанной с перемещением атомов (при малых степенях переохлаждения), и бездиффузионной (при больших степенях переохлаждения).

Изменение аллотропических форм в твердом состоянии присуще различным металлам: железу (α-Fe, γ-Fe, δ-Fe), марганцу (α-Mn, β-Mn, γ-Mn, δ-Mn), титану (α-Ti, β-Ti), кобальту (α-Со, β-Со). К полиморфным металлам относятся также цирконий, олово, уран и др. Форму, отвечающую более низкой температуре, обозначают обычно α, а соответствующие более высоким температурам – β, γ, δ.

Полиморфные превращения, как при нагреве, так и при охлаждении, имеют большое значение, они влияют на кристаллическую структуру, зернистость, свойства металлов и сплавов.

Процессы вторичной (в твердом состоянии) перекристаллизации имеют особое значение для сварных швов. Во-первых, при охлаждении после сварки, если металл закристаллизовавшейся сварочной ванны подвергается вторичной кристаллизации, нарушается неблагоприятное строение в виде вытянутых столбчатых кристаллов, и возникает новая, более мелкозернистая структура, часто из мелких равноосных зерен. Во-вторых, перегретые при сварке плавлением или давлением зоны основного металла можно вновь сделать мелкозернистыми в результате дополнительного нагрева с малым перенагревом выше температуры полиморфного превращения с последующим охлаждением с той или иной скоростью. В-третьих, при сварке металлов в твердом состоянии после обеспечения надлежащего контакта и создания активных центров при перекристаллизации в твердом состоянии, сопровождающейся образованием и ростом новых зерен, происходит их прорастание через бывшую границу раздела и повышение качества и свойств сварного соединения. Немаловажную роль играют и процессы диффузии, которые существенно ускоряются, особенно при некоторых видах полиморфных превращений.

Такой эффект улучшения свойств сварного соединения при полиморфном превращении иногда используют, подвергая сварное соединение плавлением термической обработке, а соединение при сварке давлением – многократным циклическим нагревам и охлаждениям с переходом через температуру превращения.