Полиморфное и магнитное превращения в металлах

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.