Аллотропия металлов

Категория:
Металлы


Аллотропия металлов

Многие твердые тела способны существовать при различных условиях температуры и давления в нескольких кристаллических разновидностях (модификациях). О таких телах говорят, что они полиморфны или обладают полиморфизмом. Углерод, например, может существовать в двух полиморфных формах или модификациях: в виде алмаза с весьма сложной кристаллической решеткой (решетка типа алмаза) и графита (гексагональная решетка). Применительно к простым кристаллическим образованиям, типичным для металлов, принято говорить не о полиморфизме, а об аллотропии и об аллотропических модификациях.

Аллотропия свойственна не менее чем двенадцати металлам, Ряд из которых имеют важнейшее техническое значение (Sn, Ti, Zr. Сг, Mn, Fe, Co, Ni, V, Np, Pu).

Аллотропические модификации, число которых в некоторых случаях доходит до пяти, принято обозначать греческими буквами а, р, у, 8, « с добавлением символа элемента, например a-Sn, y-Fe, e-Pu и т. д.

Железо при разных температурах способно кристаллизоваться в кубической объемноцентрированной и в кубической гране-центрированной решетках. Оно находится в виде аллотропической модификации альфа (объемноцентрированный куб) в пределах от абсолютного нуля до 910°, модификации гамма (гране-центрированный куб) в пределах от 910 до 140Г и от 1401 до точки плавления 1539° — вновь в виде модификации альфа.

При нагревании и охлаждении чистого железа на кривых температура—время (рис. 1) при переходе одной аллотропической модификации в другую наблюдаются температурные точки скачкообразного превращения в виде горизонтальных участков.

На кривой нагревания заметны две такие остановки: первая наблюдается при 910°, где а-железо переходит в у-железо, и вторая при 1401°, где Т-железо вновь превращается в a-железо. Остановки при 768° и при 1539° не являются точками аллотропических превращений, так как первая остановка сопровождается не перестройкой решетки, а лишь потерей железом магнитных свойств. Вторая остановка при 1539° характеризует не перестройку решетки, а ее разрушение, т. е. переход металла в жидкое состояние.

Из изложенного следует, что на кривой нагревания имеется четыре критические точки:
1) при 768° точка магнитного превращения, при которой железо в процессе нагревания утрачивает магнитность (международное обозначение Асг);
2) при 910° точка аллотропического превращения а-железа немагнитного в т-железо (обозначение Ас3);
3) при 1401° точка аллотропического превращения у-железа вновь в a-железо немагнитное (Ас4);
4) при 1539° точка плавления.

При охлаждении превращения идут в обратном порядке. Критическими точками окажутся: точка затвердевания при 1539°; точка Аг4 при 1401°, точка Аг3 при 898° вместо 910° вследствие температурного отставания или гистерезиса и точка Агг при 768°.

Рис. 1. Термические кривые охлаждения (а) и нагрева (б) железа

Кобальт при температурах до 419° имеет гексагональную решетку (а-Со), а от 419 и до точки плавления 1492° — гране-центрированную кубическую (р-Со). Олово при комнатных и более высоких температурах существует в виде модификации fi-Sn (белое олово) с тетрагональной решеткой, а при температурах ниже 13,2° — в виде модификации a-Sn (серое олово) со сложной пространственной решеткой типа решетки алмаза.

Полиморфизм (аллотропия) присущ всем химическим элементам, с изменением температуры изменяющим свою валентность, т. е. способным отдавать в среду электронного газа переменное число электронов.

Такое изменение электронного газа сопровождается перестройкой пространственной решетки, причем новая модификация, как обладающая меньшим запасом свободной энергии, оказывается в данной температурной области более устойчивой по сравнению с прежней.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум