استحاله دگرشکلی: تفاوت میان نسخه‌ها

بعضی از مواد بیش از یک نوع ساختار بلوربلوری را نشان می دهنددارند که عمدتا به دما و گاهی اوقات به فشار یا تغییر شکل شدید بستگی دارد. چنین تحولی در ساختار کریستالی بدون تغییر در ترکیب شیمیایی می تواند رخ دهد زیرا یک آرایش خاص از اتم ها در محدوده های دمایی خاص نسبت به دیگری پایدارتر است [4]. گفته می شود موادی که این پدیده را به نمایش می گذارند ماهیتی چند شکلشکلی دارند. چندشکلی عناصر خالص فلزی ، آلوتروپیسم نامیده می شود و بیش از 20 مورد از بیش از 70 فلز شناخته شده ، آلوتروپیسم دما دارند [5]. فقط چند مورد از مواد شناخته شده برای نمایش این رفتار آلوتروپیک در جدول 1 همراه با ساختارهای بلوری آلوتروپ ها و دامنه های دمایی که در آنها پایدار است ذکر شده است [6]. روند مهم در بین این تحولات این است که ، در بیشتر موارد ، تغییرات از یک ساختار بسته بندی شده نزدیک (شش ضلعی یا fcc) در دماهای پایین به یک ساختار بازتر (bcc) در دماهای بالا انجام می شود. برای اهداف این پایان نامه ، تغییرات آلوتروپیک در Fe و Zr از اهمیت برخوردار است و در ادامه بحث خواهد شد. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است ، دو آلوتروپ Zr وجود دارد که به عنوان α-Zr و β-Zr نشان داده می شوند. دمای پایین آلوتروپ α-Zr است و دارای ساختار بلوری hcp در حالی که دمای بالا آلوتروپ β-Zr است و دارای ساختار کریستال bcc است. تحول در دمای 863 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد و از روند معمول تبدیل از یک ساختار بسته بندی شده نزدیک در دمای پایین به یک ساختار بازتر در دمای بالا پیروی می کند. با این وجود Fe از این قاعده مستثنی است و بنابراین در بخش 2.2.4 با جزئیات بیشتری شرح داده خواهد شد.

همانند هر تغییر فاز ، نیروی محرکه برای ایجاد تحول آلوتروپیک کاهش انرژی آزاد گیبس سیستم است. برای اینکه دو ساختار مختلف جامد در دماهای مختلف پایدارتر باشند ، انرژی آزاد گیبس از فاز پایدار باید در آن محدوده دما کمتر باشد. بنابراین ، وجود آلوتروپیسم مستلزم آن است که منحنی های انرژی آزاد برای این دو ساختار تلاقی داشته باشند [76]. این مفهوم را می توان از منحنی های انرژی آزاد شماتیک برای یک فاز جامد و مایع در شکل 4 درک کرد [3]. زیر دمای نقطه تقاطع دو منحنی انرژی آزاد ، یعنی نقطه ذوب در این حالت ، فاز جامد پایدار است زیرا در آن محدوده دمایی انرژی آزاد کمتری دارد. با این حال ، بالاتر از نقطه ذوب ، مایع فاز پایدارتر است و بنابراین تحول در دمای بالاتر از آن نقطه اتفاق می افتد. در حالی که این طرح تغییر انرژی آزاد از حالت جامد به مایع را نشان می دهد ، اما همین اصل در مورد استحاله آلوتروپیک اعمال می شود. برای اینکه یک تحول آلوتروپیک اتفاق بیفتد ، باید تغییری ایجاد شود که در آن فاز دارای انرژی آزاد پایین تر از یک درجه حرارت خاص باشد. این بدان معناست که منحنی های انرژی آزاد در دو فاز باید با هم تلاقی کنند.

آهن یک مورد منحصر به فرد است زیرا ، بر اساس روند معمول ، فاز α-Fe با درجه حرارت پایین باید نزدیک بسته شود ، به عنوان مثال ، hcp یا fcc ، و فاز η-Fe دمای بالاتر باید یک ساختار بازتر مانند bcc باشد. این روند اما در η، به δ-Fe دنبال می شود زیرا η-Fe fcc است و δ-Fe bcc است. انحراف از این تمایل در دماهای پایین با تغییر در خاصیت مغناطیسی آهن به جای بازآرایی اتمی همراه است. همانطور که در نمودار در شکل 6 نشان داده شده است ، تغییری در دمای 769 درجه سانتیگراد هنگام گرم شدن و خنک سازی رخ می دهد. زیر این دما α-Fe فرومغناطیسی است در حالی که بالاتر از این دما پارامغناطیس است. به دمایی که این انتقال در خصوصیات مغناطیسی اتفاق می افتد ، دمای کوری گفته می شود. در ابتدا تصور می شد که این آهن-آهن-مغناطیسی آلوتروپ دیگری از آهن باشد و آن را Fe-β می نامند. با این حال ، اکنون به عنوان یک انتقال مغناطیسی شناخته شده است تا یک ساختار. بنابراین ، می توان با در نظر گرفتن تأثیر ترکیبی انرژی آزاد الکترونیکی و مغناطیسی بر روی انرژی آزاد کلی سیستم ، دمای پایین آلوتروپ α-bcc را توضیح داد [87].

[76] Grimvall, G., and Ebbsjö, I. “Polymorphism in Metals I.” Physica Scripta 12.3 (1975): 168-

[87] Grimvall, G. "Polymorphism in Metals II." Physica Scripta 12.3 (1975): 173-176. Print.{{پایان چپ‌چین}}