金属的同素异晶转变

4.6　金属的同素异晶转变

大多数金属结晶后，其晶格不再发生变化，但也有少数金属（如铁、铬、锡、钴、钛等）在固态时会发生晶格类型的转变，这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。同素异晶转变也是成核长大过程。

钢铁材料之所以应用得非常广泛，其中最主要的原因是由于组成钢铁材料的主要元素铁在不同的固态温度下其晶体结构会发生改变。纯铁的冷却曲线如图4-15所示。从曲线上可以看到：

图4-15　纯铁的冷却曲线

同素异晶转变是钢铁的一个重要特性，是能够进行热处理来改变性能的基础。同素异晶转变是通过原子的重新排列来完成的，是重结晶过程，有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。

锡也是一种具有同素异晶转变的金属。锡元素有白锡、灰锡、脆锡三种同素异形体。在不同环境下，锡可以有不同的结晶状态。在室温和高于室温的条件下，最稳定的形态是白锡，白锡为四方晶系，是一种可锻金属。当温度在13.2℃以下时，锡的结晶点阵就会重新排列，原子之间的空隙就会加大，形成一种新的结晶形态——金刚石形立方晶系，即灰锡。灰锡就失去了金属特性而成为一种半导体。当晶体转变时在不同结晶点阵之间的接触处发生的内应力使金属锡碎裂成粉末。周围介质的温度愈低，晶体形态转变的速度就愈快，并且在零下33℃时速度达到最快。因此，当温度降低到零下以后，白锡就失去光泽，变成暗灰色，最后碎裂成粉末，人们称这种现象为“锡疫”。附带要说明的是，未染上“锡疫”的锡板，一旦与有“锡疫”的锡板接触，也会产生灰色的斑点而逐渐“腐烂”掉，如图4-16所示即为发生锡疫的试样。在161℃以上，白锡又转变成具有斜方晶系晶体结构的斜方锡。斜方锡很脆，一敲就碎，延展性很差，叫做“脆锡”。

图4-16　拉伸试样的锡疫现象