Alotropy żelaza - Allotropes of iron

Schemat fazowy niskiego ciśnienia czystego żelaza. BCC jest sześciennym wyśrodkowanym na ciele, a FCC jest sześciennym skoncentrowanym na twarzy .
Schemat fazy eutektycznej żelazo-węgiel , przedstawiający różne formy substancji F x C y .
Alotropy żelaza, pokazujące różnice w budowie sieci. Żelazo alfa (α-Fe) jest sześciennym skupionym na ciele (BCC), a żelazo gamma (γ-Fe) jest sześciennym skupionym na twarzy (FCC).

Pod ciśnieniem atmosferycznym istnieją trzy alotropowe formy żelaza : żelazo alfa (α-Fe), żelazo gamma (γ-Fe) i żelazo delta (δ-Fe). Przy bardzo wysokim ciśnieniu istnieje czwarta forma, zwana żelazem epsilon (ε-Fe) . Niektóre kontrowersyjne dowody eksperymentalne sugerują istnienie piątej formy wysokociśnieniowej, która jest stabilna w bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturach.

Fazy ​​żelaza pod ciśnieniem atmosferycznym są ważne ze względu na różnice w rozpuszczalności węgla , tworzącego różne rodzaje stali . Wysokociśnieniowe fazy żelaza są ważne jako modele stałych części jąder planetarnych. Wewnętrzny rdzeń z ziemi jest ogólnie zakłada się, że składa się zasadniczo z krystalicznego żelaznym niklowego stopu z ε struktury. Uważa się, że rdzeń zewnętrzny otaczający stały rdzeń wewnętrzny składa się z ciekłego żelaza zmieszanego z niklem i śladowymi ilościami lżejszych pierwiastków.

Standardowe alotropy ciśnieniowe

Żelazo alfa (α-Fe)

Poniżej 912 ° C (1674 ° F) żelazo ma sześcienną strukturę krystaliczną skupioną na ciele (bcc) i jest znane jako α-żelazo lub ferryt . Jest stabilny termodynamicznie i dość miękkim metalem. α-Fe może być poddawany ciśnieniu do ca. 15 GPa przed przekształceniem w formę wysokociśnieniową zwaną ε-Fe omówioną poniżej.

Magnetycznie α-żelazo jest paramagnetyczne w wysokich temperaturach. Jednak poniżej temperatury Curie (T C lub A 2 ) w 771 ° C (1044K lub 1420 ° F) ,, staje ferromagnetyczny . W przeszłości paramagnetyczna forma żelaza α była znana jako żelazo beta (β-Fe). Chociaż niewielkie zniekształcenie tetragonalne w stanie ferromagnetycznym stanowi prawdziwe przejście fazowe, ciągły charakter tego przejścia powoduje jedynie niewielkie znaczenie w obróbce cieplnej stali . A 2 tworzy granicę między polami beta żelaza i alfa na diagramie fazowym na rysunku 1.

Podobnie, A 2 jest tylko niewielkie znaczenie w porównaniu z A 1 ( eutektoidalnych ), A 3 , a A cm krytycznych temperatur. A cm , gdzie austenit jest w równowadze z cementytem + γ-Fe, znajduje się poza prawą krawędzią na rys. 1. Pole fazy α + γ jest technicznie polem β + γ nad A 2 . Oznaczenie beta utrzymuje ciągłość przebiegu grecko-literowych faz w żelazie i stali: α-Fe, β-Fe, austenit (γ-Fe), wysokotemperaturowy δ-Fe i heksaferrum wysokociśnieniowe (ε-Fe) .

Objętość molowa a ciśnienie dla α-Fe w temperaturze pokojowej.

Podstawową fazą stali niskowęglowej lub miękkiej i większości żeliw w temperaturze pokojowej jest ferromagnetyczny α-Fe. Posiada twardość około 80 Brinella . Maksymalna rozpuszczalność wynosi około 0,02% wag. w 727°C (1341°F) i 0,001% węgla w 0°C (32°F). Kiedy rozpuszcza się w żelazie, atomy węgla zajmują śródmiąższowe „dziury”. Będąc około dwukrotną średnicą otworu czworościennego , węgiel wprowadza silne lokalne pole odkształceń.

Stal miękka ( stal węglowa do około 0,2% wag. C) składa się głównie z α-Fe i rosnących ilości cementytu (Fe 3 C, węglik żelaza). Mieszanina przyjmuje strukturę warstwową zwaną perlitem . Ponieważ bainit i perlit zawierają α-Fe jako składnik, każdy stop żelazo-węgiel będzie zawierał pewną ilość α-Fe, jeśli pozwoli się mu osiągnąć równowagę w temperaturze pokojowej. Ilość α-Fe zależy od procesu chłodzenia.

A 2 krytyczne temperatury i ogrzewanie indukcyjne

Figura 1: Pole P i A 2 krytyczna temperatura po stronie bogatej w żelazo wykresu fazowego żelazo-węgiel.

β-Fe i A 2 temperatura krytyczna jest ważne ogrzewania indukcyjnego stali, takich jak obróbka cieplna powierzchniowo utwardzania. Stal jest zwykle austenityzowana w temperaturze 900–1000 °C przed hartowaniem i odpuszczaniem . Zmienne pole magnetyczne wysokiej częstotliwości nagrzewania indukcyjnego nagrzewa stal przez dwa mechanizmy poniżej temperatury Curie: nagrzewanie oporowe lub Joule'a (I 2 R) i straty histerezy ferromagnetycznej . Nad A 2 , mechanizm histerezy znika i wymagana ilość energii przypadającej na stopień wzrostu temperatury jest znacznie większa niż poniżej A 2 . Obwody dopasowujące obciążenie mogą być potrzebne do zmiany impedancji w źródle zasilania indukcyjnego w celu skompensowania zmiany.

Żelazo gamma (γ-Fe)

Po podgrzaniu żelaza powyżej 912 °C (1674 °F), jego struktura krystaliczna zmienia się w strukturę krystaliczną sześcienną (fcc) skupioną na powierzchni. W tej postaci nazywany jest żelazem gamma (γ-Fe) lub austenitem . Żelazo γ może rozpuszczać znacznie więcej węgla (do 2,04% masowo w 1146 °C). Ta forma nasycenia węgla γ występuje w stali nierdzewnej .

Żelazo delta (δ-Fe)

Szczególnie, powyżej 1394 ° C (2541 ° F) żelazo zmienia się z powrotem w strukturę BCC, znaną jako δ-Fe. Żelazo δ może rozpuszczać do 0,08% masy węgla w temperaturze 1475 °C. Jest stabilny do temperatury topnienia 1538 ° C (2800 ° F).

alotropy wysokociśnieniowe

Żelazo Epsilon / Hexaferrum (ε-Fe)

Przy ciśnieniu powyżej około 10 GPa i temperaturach kilkuset kelwinów lub niższych żelazo α zmienia się w strukturę heksagonalną ciasno upakowaną (hcp), znaną również jako żelazo ε lub heksaferrum; faza γ o wyższej temperaturze również zamienia się w żelazo ε, ale dzieje się to przy wyższym ciśnieniu. Zaobserwowano antyferromagnetyzm w stopach epsilon-Fe z Mn, Os i Ru.

Eksperymentalna wysoka temperatura i ciśnienie

Alternatywna postać stabilna, jeśli istnieje, może pojawić się przy ciśnieniu co najmniej 50 GPa i temperaturze co najmniej 1500 K; uważano, że ma strukturę rombową lub podwójną hcp. od grudnia 2011 r. prowadzone są ostatnie i trwające eksperymenty na wysokociśnieniowych i supergęstych alotropach węgla .

Przejścia fazowe

Temperatura topnienia i wrzenia

Temperatura topnienia żelaza jest eksperymentalnie dobrze określona dla ciśnień mniejszych niż 50 GPa.

W przypadku wyższych ciśnień, opublikowane dane (stan na 2007 r.) stawiają punkt potrójny γ-ε-ciecz przy ciśnieniach różniących się o dziesiątki gigapaskali i 1000 K w temperaturze topnienia. Ogólnie rzecz biorąc, symulacje komputerowe dynamiki molekularnej dotyczące topienia żelaza i eksperymentów z falą uderzeniową sugerują wyższe temperatury topnienia i znacznie bardziej strome nachylenie krzywej topnienia niż statyczne eksperymenty przeprowadzane w diamentowych komórkach kowadełka .

Temperatury topnienia i wrzenia żelaza, wraz z jego entalpią atomizacji , są niższe niż w przypadku pierwiastków 3d wcześniejszych grup od skandu do chromu , co wskazuje na mniejszy udział elektronów 3d w wiązaniu metalicznym, ponieważ są one coraz bardziej przyciągane do obojętny rdzeń przez jądro; są one jednak wyższe niż wartości dla poprzedniego pierwiastka, manganu, ponieważ ten pierwiastek ma do połowy wypełnioną podpowłokę 3D i w konsekwencji jego d-elektrony nie są łatwo zdelokalizowane. Ten sam trend występuje w przypadku rutenu, ale nie osmu.

Strukturalne przejścia fazowe

Dokładna temperatura, w której żelazo przejdzie z jednej struktury krystalicznej do drugiej, zależy od tego, ile i jakiego rodzaju inne pierwiastki są rozpuszczone w żelazie. Granica faz między różnymi fazami stałymi jest narysowana na binarnym wykresie fazowym , zwykle przedstawianym jako temperatura w funkcji procentu żelaza. Dodanie niektórych pierwiastków, takich jak chrom , zawęża zakres temperatur dla fazy gamma, podczas gdy inne zwiększają zakres temperatur fazy gamma. W elementach, które zmniejszają zakres faz gamma, granica faz alfa-gamma łączy się z granicą faz gamma-delta, tworząc to, co zwykle nazywa się pętlą gamma . Dodanie dodatków pętli Gamma utrzymuje żelazo w sześciennej strukturze skoncentrowanej na ciele i zapobiega przejściu fazy w inne stany stałe.

Zobacz też

Bibliografia