Войти
Фазовая диаграмма низкого давления чистого железа. BCC - это объемно-центрированный кубический, а FCC - гранецентрированный кубический.
железо-углеродный эвтектический фазовая диаграмма, показывающая различные формы Fe xCyвеществ. 
Аллотропы железа, показывающие различия в структуре решетки. Альфа-железо (α-Fe) представляет собой объемно-центрированный куб (ОЦК), а гамма-железо (γ-Fe) - гранецентрированный куб (ГЦК). При атмосферном давлении три Существуют аллотропные формы железа : альфа-железо (α-Fe), гамма-железо (γ-Fe) и дельта-железо (δ-Fe). При очень высоком давлении существует четвертая форма, называемая эпсилон-железом (ε-Fe). Некоторые противоречивые экспериментальные данные предполагают существование пятой формы высокого давления, которая устойчива при очень высоких давлениях и температурах.
Фазы железа при атмосферном давлении важны из-за различий в растворимости углерода, формируя различные типы стали. Фазы железа высокого давления важны как модели твердых частей планетарных ядер. Обычно предполагается, что внутреннее ядро Земли состоит по существу из кристаллического сплава железо-никель со структурой ε. Считается, что внешнее ядро, окружающее твердое внутреннее ядро, состоит из жидкого железа, смешанного с никелем и небольшими количествами более легких элементов.
Ниже 912 ° C (1,674 ° F) железо имеет объемно-центрированную кубическую структуру и известно как α-железо или феррит . Это термодинамически стабильный и довольно мягкий металл. α-Fe может подвергаться давлению до прибл. 15 ГПа перед превращением в форму высокого давления, называемую ε-железом, которая кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной структуре (ГПУ) .
В магнитном отношении α-железо парамагнитно при высоких температурах. Однако при охлаждении до 771 ° C (1044 K или 1420 ° F), температуры Кюри (TCили A 2) он становится ферромагнитным. Также происходит обратное: когда α-железо нагревается выше температуры Кюри, случайное тепловое возбуждение атомов превышает ориентированный магнитный момент спинов неспаренного электрона , и оно становится парамагнитным. В прошлом парамагнитная форма α-железа была известна как бета-железо (β-Fe). Однако эта терминология устарела и вводит в заблуждение, поскольку по мере того, как железо проходит ниже температуры Кюри, магнитные домены выравниваются, но структурных изменений не происходит. β-Fe кристаллографически идентичен α-Fe, за исключением магнитных доменов и параметра расширенной объемно-центрированной кубической решетки как функции температуры, и поэтому имеет лишь незначительное значение при термообработке стали . По этой причине бета-фазу обычно не считают отдельной фазой, а просто высокотемпературным концом поля альфа-фазы. A 2 образует границу между бета-железом и альфа-полями на фазовой диаграмме на рисунке 1.
Аналогично, A 2 имеет лишь второстепенное значение по сравнению с критическими температурами A 1(эвтектоида ), A 3 и A см. A см, где аустенит находится в равновесии с цементитом + γ-Fe, находится за правым краем на рис. 1. Поле фазы α + γ технически представляет собой поле β + γ над A 2. Обозначение бета обеспечивает непрерывность последовательности фаз в чугуне и стали, состоящей из греческих букв: α-Fe, β-Fe, аустенит (γ-Fe), высокотемпературный δ-Fe и высокое давление. гексаферрум (ε-Fe).
Молярный объем в зависимости от давления для α-Fe при комнатной температуре. Первичная фаза низкоуглеродистой или мягкой стали и большинства чугунов при комнатной температуре является ферромагнетиком α-Fe. Он имеет твердость примерно 80 по Бринеллю. Максимальная растворимость составляет около 0,02 мас.% При 727 ° C (1341 ° F) и 0,001% углерода при 0 ° C (32 ° F). Когда он растворяется в железе, атомы углерода занимают межузельные «дыры». Углерод, диаметр которого примерно в два раза больше диаметра, создает сильное поле локальной деформации.
Низкоуглеродистая сталь (углеродистая сталь с содержанием углерода до 0,2 мас.%) Состоит в основном из α-Fe и увеличивающегося количества цементита (Fe 3 C, железо карбид). Смесь имеет ламинарную структуру, называемую перлит. Поскольку каждый из бейнита и перлита содержит α-Fe в качестве компонента, любой сплав железо-углерод будет содержать некоторое количество α-Fe, если ему позволено достичь равновесия при комнатной температуре. Количество α-Fe зависит от процесса охлаждения.
Рис. 1: Бета-поле и A 2 критическая температура на богатой железом стороне фазовой диаграммы железо-углерод. β- Fe и критическая температура A 2 важны при индукционном нагреве стали, например, при термообработке с упрочнением поверхности. Сталь обычно подвергают аустенитизации при 900–1000 ° C перед закалкой и отпуском. Высокочастотное переменное магнитное поле индукционного нагрева нагревает сталь за счет двух механизмов ниже температуры Кюри: резистивного или джоулева (ИК) нагрева и ферромагнитных гистерезисных потерь. Выше A 2 механизм гистерезиса исчезает, и требуемое количество энергии на градус повышения температуры существенно больше, чем ниже A 2. Схемы согласования нагрузки могут потребоваться для изменения импеданса в источнике индукционного питания для компенсации изменения.
Как утюг далее охлаждается до 1394 ° C (2541 ° F), его кристаллическая структура изменяется на гранецентрированную кубическую (FCC) кристаллическую структуру. В таком виде оно называется гамма-железом (γ-Fe) или аустенитом. γ-железо может растворять значительно больше углерода (до 2,04% по массе при 1146 ° C). Эта γ-форма насыщения углеродом проявляется в нержавеющей стали.
Когда расплавленное железо охлаждается, оно затвердевает при 1538 ° C (2800 ° F) в его δ-аллотроп, который имеет объемно-центрированную кубическую (BCC) кристаллическую структуру. δ-железо может растворять до 0,08% углерода по массе при 1475 ° C.
При давлениях выше примерно 10 ГПа и температурах в несколько сотен кельвинов α-железо изменяется в структуру гексагональной плотноупакованной (ГПУ), которая также известна как ε-железо или гексаферрум; γ-фаза при более высокой температуре также превращается в ε-железо, но при более высоком давлении. Обнаружен антиферромагнетизм в сплавах эпсилон-Fe с Mn, Os и Ru.
Альтернативная стабильная форма, если она существует, может появляются при давлениях не менее 50 ГПа и температурах не менее 1500 К; считалось, что он имеет ромбическую или двойную ГПУ структуру. по состоянию на декабрь 2011 года, недавние и текущие эксперименты проводятся с высоким давлением и аллотропами сверхплотного углерода.
Точка плавления железа экспериментально хорошо определено для давлений менее 50 ГПа.
Для более высоких давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) показывают, что γ-ε-жидкость тройная точка находится при давлениях, которые различаются на десятки гигапаскалей, и 1000 К по температуре плавления. Вообще говоря, молекулярная динамика компьютерное моделирование плавления железа и эксперименты с ударными волнами предполагают более высокие температуры плавления и гораздо более крутой наклон кривой плавления, чем статические эксперименты, проведенные в ячейках с алмазной наковальней.
и температуры кипения железа, наряду с его энтальпией атомизации, ниже, чем у более ранних элементов 3d группы от скандия до хрома, что свидетельствует о меньшем вкладе от 3d-электронов к металлической связи, поскольку они все больше и больше притягиваются ядром к инертному ядру; однако они выше, чем значения для предыдущего элемента марганец, потому что этот элемент имеет наполовину заполненную трехмерную подоболочку и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализовать. Та же самая тенденция проявляется для рутения, но не для осмия.
Точные температуры, при которых железо переходит из одной кристаллической структуры в другую, зависит от количества и типа других элементов. растворяется в утюге. Фазовая граница между различными твердыми фазами проводится на бинарной фазовой диаграмме , обычно отображаемой как зависимость температуры от процентного содержания железа. Добавление некоторых элементов, таких как хром, сужает диапазон температур для гамма-фазы, в то время как другие увеличивают диапазон температур для гамма-фазы. В элементах, которые уменьшают диапазон гамма-фазы, фазовая граница альфа-гамма соединяется с фазовой границей гамма-дельта, образуя то, что обычно называют гамма-петлей. Добавление добавок гамма-петли сохраняет чугун в объемно-центрированной кубической структуре и предотвращает фазовый переход стали в другое твердое состояние.
