Многие металлы, при изменении температуры, способны существовать в разных кристаллических формах или модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллической тела, имея решетку одного типа, перестраиваются, образуя решетку другого типа. Обычно для обозначения более низкотемпературной стабильной модификации металлов используется буква "α", а для более высокотемпературной — буква "β", затем "γ" и т.д.
Известны полиморфные превращения α-Fe в γ-Fe, α-Co в β-Со, α-Ti в β-Ti, α-Snв β-Sn, α-Mn в β-Mn в γ-Mn в δ-Мn. Металлы Са, Li, Na, Cs, Sr, Те, Zr, V и большое число редкоземельных металлов также имеют модификации.
Полиморфное превращение происходит, когда металл при определенной температуре может существовать с другой кристаллической решеткой и более низким уровнем свободной энергии.
При температуре 910-1392 °C в γ-железе (γ-Fe) кристаллическая решетка К12 является устойчивой, с меньшей свободной энергией по сравнению с
α-железом (α-Fe). При температурах ниже 910 °C и выше 1392 °C устойчива кристаллическая решетка К8 альфа-железа (α-Fe), так как его свободная энергия ниже, чем у гамма-железа (γ-Fe).
Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую при условии равновесия происходит при постоянной температуре (критической точке) и сопровождается выделением или поглощением тепла, в зависимости от охлаждения или нагрева соответственно.
Как и при кристаллизации из жидкой фазы, для осуществления полиморфного превращения необходимо некоторое переохлаждение (или перегрев) относительно равновесной температуры, чтобы возникла разница в свободной энергии между исходной и новой модификацией в твердом металле. В отличие от металла в жидком состоянии, в твердом состоянии можно достичь значительных степей переохлаждения.
Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс, осуществляющийся путем образования зародышей и их последующего роста. Зародыши новой фазы образуются с соблюдением принципа структурного и размерного соответствия и наиболее часто возникают на границах зерна исходных кристаллитов или в зонах с повышенным уровнем свободной энергии.
Рост зерен новой фазы, например, α-Fe (при охлаждении) происходит через неупорядоченные, взаимно не связанные переходы отдельных атомов или групп атомов через межфазную границу β/ α. В результате граница зерен новой фазы (α-Fe) переходит в сторону зерен исходной фазы (β-Fe), «поглощая» их.
Такой рост новой фазы имеет место быть только при высоких температурах. Вновь образующиеся кристаллы ориентируются по отношению к кристаллам исходной модификации, что приводит к образованию новых кристаллических зерен с другим размером и формой. Это превращение также называют перекристаллизацией. Если металл нагрет до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения, то получается очень мелкое зерно. Это явление используется для измельчения крупных зерен, полученных при кристаллизации из жидкого состояния или предварительном нагреве до высоких температур.
Полиморфные превращения могут происходить не только в чистых металлах, но и в сплавах. Они сопровождаются скачкообразным изменением свойств металлов или сплавов, таких как удельный объем, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, магнитные свойства, механические и химические свойства и другие.
Источник: "Металловедение и термическая обработка металлов" М.Ю. Лахтин.