استحاله دگرشکلی
استحالهٔ دگرشکلی یا استحاله آلوتروپیک به تبدیل یکی از گونه‌های مختلف ساختار بلوری دگرشکل به گونه دیگر توسط یک استحاله درجه اول گفته می‌شود. استحاله دگرشکلی یک استحاله چندریختی در عناصر شیمیایی است.[1]
استحاله دگرشکلی انواعی دارد که به بررسی آنها میپردازیم:
بیشتر مواد موجود در جهان در سه حالت مختلف از جمله جامد ، مایع و گاز وجود دارد. فاز پایدار یک ماده در حالت جامد به خصوصیات مختلف ترمودینامیکی از جمله حجم ، فشار و دما بستگی دارد. اگر هر یک از این مقادیر ترمودینامیکی تغییر کند ، انرژی آزاد گیبس سیستم نیز تغییر خواهد کرد. گفته می شود اگر این تغییر در انرژی آزاد باعث تغییر در ساختار ماده شود ، تحول فاز اتفاق می افتد. چنین تحول فازی تنها در صورتی اتفاق می افتد که ساختار فاز جدید منجر به انرژی آزاد کمتر شود. فازی که دارای حداقل انرژی آزاد تحت مجموعه خاصی از شرایط ترمودینامیکی باشد ، فاز تعادل خواهد بود.
تبدیل فاز در مواد را می توان به دو حالت عمده که تبدیل همگن و ناهمگن است ، توصیف کرد [2]. تحولات همگن در کل حجم ماده به طور همزمان اتفاق می افتد در حالی که تبدیلات ناهمگن در مناطق مختلف با گذشت زمان اتفاق می افتد. طبقه بندی بیشتر تبدیل فاز را می توان تحت این دو حالت اصلی انجام داد. تحولات ناهمگن شامل یک هسته و روند رشد است. این فرآیند هم برای تبدیل مایع به جامد و هم برای برخی تبدیلات جامد به جامد اتفاق می افتد. دگرگونی های ناهمگن جامد به جامد را نیز می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد که شامل رشد فعال شده گرمایی و رشد گرمایی است. تبدیلاتی که از طریق حرارت فعال می شوند را تبدیل های نفوذی می نامند. این تحولات انتشار اکثر تغییرات فازی را که در حالت جامد اتفاق می افتد تشکیل می دهد و تقریباً می توان آنها را به پنج گروه مختلف تقسیم کرد: (الف) واکنش های بارشی ، (ب) تحولات یوتکتوئید ، (ج) واکنش نظم / بی نظمی ، (د) عظیم تحولات و (ه) تحولات چند شکلی [3]. درک پایداری فاز و تحولات فاز در علم مواد ضروری است زیرا همه خواص هر ماده به ترکیبات فاز آن بستگی دارد. با این حال ، این بخش بر روی نیروهای محرک و نمونه هایی از تحولات چند شکلی تمرکز خواهد کرد
بعضی از مواد بیش از یک نوع ساختار بلوری دارند 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 شکلی 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]. 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. به عنوتن مثال Zn در 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 ادامه 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 [8]. این مفهوم را می توان از منحنی های انرژی آزاد شماتیک برای یک فاز جامد و مایع در شکل 1 درک کرد [3]. در 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.
به عنوان نمونه،فلز آهن را به طور جداگانه می آوریم:
سیستم های بسیاری وجود دارد که تغییرات آلوتروپیک را نشان می دهند. اکثر آنها روند مشابهی دارند که در دمای پایین آلوتروپ بسته بندی شده نزدیک (hcp یا fcc) و در دمای بالا آلوتروپ ساختار بازتر (bcc) دارند. شاید مهمترین آلوتروپ در صنعت، آهن باشد. آهن خالص هنگام در نظر گرفتن فشار اتمسفر دارای سه آلوتروپ متفاوت است. این شامل مراحل η ، α و δ است. فاز α در زیر 911 درجه سانتیگراد وجود دارد و دارای ساختار بلوری bcc است. پس از گرم شدن بیش از 911 درجه سانتیگراد ، به فرم fcc به نام η-Fe تغییر می کند. این تغییر شکل آلوتروپیک نقش بسزایی در عملیات حرارتی و پردازش اکثر فولادها دارد بنابراین مهمترین تحول در این سیستم است. همانطور که η-Fe در دمای بالاتر از 1392 درجه سانتیگراد گرم می شود ، دوباره یکبار دیگر به شبکه مشبک تغییر می کند. این آلوتروپ با دمای بالا به عنوان فاز δ شناخته می شود. سرانجام آهن در دمای 1536 درجه سانتیگراد ذوب می شود. این دگرگونی ها و دمای تحولات در چرخه گرمایش و خنک کننده شماتیک نشان داده شده در شکل 2 نشان داده شده است [4].
یکی از دلایل اهمیت صنعتی آن این است که فاز η-Fe در دمای بالا دارای حلالیت قابل توجهی بیشتری نسبت به فاز دمای پایین برای کربن است. این واقعیت در ساخت فولاد مورد استفاده قرار می گیرد و به منظور اشباع α-Fe و سپس انجام عملیات حرارتی اضافی برای متناسب سازی ریزساختار و خواص نهایی فولادها مورد استفاده قرار می گیرد. در تئوری ، تغییرات آلوتروپیک در هر صورت باید در همان درجه حرارت هنگام گرم شدن و خنک سازی رخ دهد. با این حال ، این امر لزوماً به دلیل ضرورت خنک کاری کم ، نیست. بنابراین تغییرات در دمای پایین تر در هنگام خنک سازی نسبت به هنگام گرم شدن مناسب تر است ، همانطور که در شکل 2 برای تبدیل Fe -η به Fe-α پیشنهاد شده است. تفاوت بین دمای تبدیل آلوتروپیک هنگام گرم شدن و خنک سازی به عنوان پسماند دما شناخته می شود. با افزایش سرعت خنک سازی ، پسماند دما نیز افزایش می یابد.
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 2 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 [7].[1] "Introduction to Alloy Phase Diagrams" in "ASM Metals handbook", Vol. 3, Alloy Phase Diagrams, Hugh baker (Ed.), ASM International, 1992, p 1.1
[2] Murugan, R. “Phase Transformations in Solids.” (2010): 1-6. Print.
[3] Porter, D.A., Easterling, K.E., and Sherif, M.Y. Phase Transformations in Metals and Alloys. Boca Raton, FL: CRC (2009). Print.
[4] Tisza, M. Physical Metallurgy for Engineers. Materials Park, OH: ASM International (2001). Print.
[5] Savitskii, E.M. “Polymorphous Metals.” Metal Science and Heat Treatment 7.7 (1966): 427-431. Print.
[6] Grimvall, G., and Ebbsjö, I. “Polymorphism in Metals I.” Physica Scripta 12.3 (1975): 168- 172. Print.
[7] Grimvall, G. "Polymorphism in Metals II." Physica Scripta 12.3 (1975): 173-176. Print.
[8] Villars, P., Okamoto, H., and Cenzual, K. “Pure Metal Melting Points and Allotropic Transformations.” ASM Alloy Phase Diagrams Center. ASM International (2007). Print.