純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變[3]
許多金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，如鋁、銅、銀等金屬，在固態(tài)時(shí)無論溫度高低，均為面心立方晶格。鎢、鉬、釩等金屬則為體心立方晶格。但有些金屬在固態(tài)下，在不同的溫度或壓力范圍內(nèi)存在兩種或兩種以上的晶格形式，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會(huì)發(fā)生變化。同一元素的金屬在固態(tài)下隨溫度改變，由一種麗格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(Allotropic Transbation)，或稱多品型轉(zhuǎn)變，由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變所得到的不同昂格的品體稱為同素異構(gòu)(晶)體。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，故稱為二次結(jié)晶或重結(jié)品。
純鐵在冷卻過程中出現(xiàn)3種同素異構(gòu)體，液態(tài)純鐵在1538℃時(shí)開始結(jié)晶出具有體心立方晶格的8-Fe;繼續(xù)緩冷到1394℃時(shí)8-Fe開始轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻嫘牧⒎骄Ц竦膙-Fe:再冷卻到912℃時(shí)又由y-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方品格的a-Fe;繼續(xù)冷卻直到室溫時(shí)，a-Fe的晶格類型***發(fā)生變化。
因?yàn)榧冭F具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，所以在生產(chǎn)上能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行相變熱處理，以達(dá)到改變鋼鐵內(nèi)部組織和提***的目的。
金屬(如純鐵等)的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是一個(gè)重結(jié)晶過程，遵循結(jié)晶的一般規(guī)律;有一定的轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變時(shí)需要過冷，有潛熱產(chǎn)生，轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核長(zhǎng)大來完成。但是，這種轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下發(fā)生的，原子擴(kuò)散較液態(tài)困難得多，因而比液態(tài)結(jié)晶需要有更大的過冷度;轉(zhuǎn)變時(shí)由于晶格的致密度改變引起晶體的體積變化，往往要產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。例如y-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Fe時(shí)，鐵的體積會(huì)膨脹約1%。在鋼淬率火時(shí)，這種轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件變形和開裂。一般來說，純鐵總是含有一些雜質(zhì)。工業(yè)純鐵常含有W墊=0.1%~0.2%，含碳量很低，雖然塑性好，但強(qiáng)度和硬度都很低，所以很少用它制造機(jī)械零件，工業(yè)生產(chǎn)中常用的是鐵碳合金。