В чистых металлах и твердых растворах на их основе, как уже отмечалось полиморфное превращение может протекать путем или неупорядоченной перестройки решетки, или реализации мартенситного механизма превращения. Основные условия, необходимые для проявления того или иного механизма превращения высокотемпературной модификации в низкотемпературную, проанализированы Г. В. Курдюмовым.
Если температура стабильного равновесия двух модификаций чистого металла достаточно высока (например, 91 °С у железа, 882,5 °С у титана, 865 °С у циркония и 660 °С у урана), то могут реализоваться оба механизма перестройки решетки. При сравнительно малых переохлаждениях, когда подвижность атомов достаточно высока, идет «нормальное» полиморфное превращение с самодиффузионной, неупорядоченной перестройкой решетки.
Мартенситное превращение при малых переохлаждениях идти не может и поэтому не составляет конкуренции «нормальному» превращению. Объясняется это тем, что при неупорядоченной перестройке решетки упругая деформация кристаллов исходной фазы обусловлена только изменением удельного объема, а при мартенситном превращении — также и когерентностью решеток исходной фазы и мартенситного кристалла.
Большая величина ∆Fупр при мартенситном превращении требует большого термодинамического стимула (∆Fоб) для развязывания превращения и, следовательно, большего переохлаждения высокотемпературной модификации, чем это необходимо для развития «нормального» превращения.
С ростом степени переохлаждения скорость неупорядоченной перестройки решетки возрастает, достигает максимума и затем падает в соответствии с С-кривой (смотрите рисунок Диаграмма изотермического превращения). При сравнительно больших переохлаждениях, когда разность свободных энергий двух модификаций становится достаточной, чтобы шло мартенситное превращение, оно происходит намного раньше, чем успеет начаться очень вялое при низкой температуре «нормальное» превращение.
Например, у чистого железа (при содержании 0,0015% С) температура Мн равна 750 °С, что соответствует степени переохлаждения около 160 °С. При переохлаждении γ-железа до температур, находящихся в интервале 911 — 750 °С, протекает «нормальное» γ → α-превращение, а ниже 750 °С — мартенситное γ → α-превращение.
У металлов с высокой температурой равновесия модификаций не всегда легко получить такие большие степени переохлаждения, которые необходимы для начала мартенситного превращения. Так, например, для реализации мартенситного механизма полиморфного превращения в железе образцы следует сильно перегревать в γ-области и очень быстро охлаждать, чтобы подавить развитие «нормального» превращения при меньших степенях переохлаждения.
Если у чистого металла температура равновесия двух модификаций сравнительно низкая (например, 400 °С у кобальта и — 196 °С у лития), то из-за малой подвижности атомов реализуется только мартенситное превращение, а неупорядоченная перестройка решетки вообще не наблюдается.
В твердых растворах на базе полиморфных металлов реализация того или иного механизма превращения зависит от того, как легирующий элемент изменяет температуру равновесия двух модификаций. Например, при легировании железа никелем и марганцем можно так сильно понизить температуру равновесия двух фаз, что нормальное γ → α-превращение становится невозможным и наблюдается только мартенситная перестройка решетки.
Противоположный случай — легирование кобальта элементами, которые так повышают температуру равновесия двух модификаций, что, кроме мартенситного превращения, идущего при достаточно большом переохлаждении, становится возможным и «нормальное» превращение (при малых степенях переохлаждения).
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков