Odmiany alotropowe żelaza

Odmiany alotropowe żelaza – znane są cztery alotropowe odmiany żelaza trwałe pod ciśnieniem atmosferycznym[1][2]:

  • żelazo alfa (α)
  • żelazo beta (β)
  • żelazo gamma (γ)
  • żelazo delta (δ)
  • żelazo epsilon (ε) – forma wysokociśnieniowa

Odmiany alotropowe żelaza występujące przy ciśnieniu atmosferycznym są istotne w przypadku metalurgii i inżynierii materiałowej ze względu na różnice w rozpuszczalności węgla. Odmiana alotropowa występująca w przypadku wysokiego ciśnienia nadaje się do opisu wewnętrznego jądra Ziemi, które jak się uważa, składa się zasadniczo z krystalicznego żelaza o strukturze ε oraz niklu[3].

Odmiany alotropowe przy ciśnieniu atmosferycznymEdytuj

 
Schemat przedstawiający podstawowe informacje o odmianach alotropowych żelaza:
1. Zakres występowania dawniej obowiązujących odmian alotropowych żelaza
2. Zakres występowania obecnie obowiązujących odmian alotropowych żelaza
3. Własności magnetyczne poszczególnych odmian
4. Układy krystalograficzne poszczególnych odmian
 
Wykres fazowy dla czystego żelaza w funkcji temperatury (T) od ciśnienia (P)

Żelazo δEdytuj

Osobny artykuł: Ferryt.

Forma trwała w temperaturze od 1392 °C do temperatury topnienia. Ma sieć regularną przestrzenie centrowaną, identycznie jak żelazo α. Jest paramagnetyczne[4]. Nazywane jest również ferrytem wysokotemperaturowym. Krzepnięcie żelaza następuje przy stałej temperaturze 1538 °C. W tej temperaturze cała ciecz zamienia się w kryształy żelaza. W temperaturze 1495 °C można w żelazie δ rozpuścić 0,09% C. Temperatura równowagi Ae4 (1392 °C) określa dolną granicę istnienia ferrytu wysokotemperaturowego[5]. Period identyczności a dla żelaza δ wynosi 0,293 nm[6]. Zaczyna się odchodzić od wyróżniania tej fazy osobną literą grecką. W większości najnowszej literatury można spotkać się tylko z żelazem α i γ.

Żelazo γEdytuj

Osobny artykuł: Austenit.

Forma trwała w zakresie temperatur od 911 °C do 1392 °C. Ma sieć regularną ściennie centrowaną. Jest paramagnetyczne[4]. W temperaturze 1392 °C następuje przemiana alotropowa. Objawia się ona przebudową struktury regularnej przestrzennie centrowanej w strukturę regularną ściennie centrowaną[5]. Żelazo γ istnieje od temperatury Ae3 (911 °C)[4]. W temperaturze 1148 °C można maksymalnie rozpuścić 2,11% C[5]. Period identyczności a dla żelaza γ wynosi 0,365 nm[6].

Żelazo βEdytuj

Żelazo β jest to stare określenie na żelazo α wykazujące właściwości paramagnetyczne. Zakres temperaturowy istnienia żelaza β zawiera się w przedziale od temperatury Curie żelaza A2 (768 °C) do 911 °C. Żelazo β jest pod względem krystalograficznym identyczne jak żelazo α. Wyróżniają je tylko dwa aspekty: w żelazie α występują domeny magnetyczne oraz obie odmiany mają niewiele różniące się wymiary periodów identyczności w tej samej sieci krystalicznej w funkcji temperatury. Z tego powodu żelaza β nie uważa się za odrębną fazę[1][4][6].

Żelazo αEdytuj

Osobny artykuł: Ferryt.

Forma trwała w temperaturze poniżej 911 °C. Ma sieć regularną przestrzenie centrowaną. Jest ferromagnetyczne w temperaturze poniżej 768 °C[4]. W temperaturze otoczenia żelazo α jest stabilne i można w nim maksymalnie rozpuścić 0,008% C. W temperaturze 727 °C można w żelazie α rozpuścić 0,0218% C[5]. Period identyczności wynosi 0,286 nm[6].

Odmiany alotropowe przy wysokim ciśnieniuEdytuj

 
Zakres istnienia odmian alotropowych żelaza w funkcji temperatury i ciśnienia pokazujący żelazo ε przy wysokim ciśnieniu

Żelazo εEdytuj

Forma żelaza o sieci krystalicznej heksagonalnej, która jest stabilna tylko przy wysokich ciśnieniach. Przy spadku ciśnienia żelazo ε z powrotem przemienia się w żelazo α. Żelazo ε charakteryzuje się większą gęstością od żelaza α[7].

Na wykresie fazowym punkt potrójny pomiędzy żelazem α, γ i ε został teoretycznie wyznaczony w temperaturze 497 °C i ciśnieniu 11 GPa. Badania wykazały, że punkt ten znajduje się w nieco niższej temperaturze, która wyniosła 477 °C[8].

W 1971 roku przedstawiono tezę, że przemiana żelaza α w ε jest specyficznym przykładem przemiany martenzytycznej[9].

PrzypisyEdytuj

  1. a b D.K. Bullens, Steel & Its Heat Treatment, wyd. 4, t. 1, New York: J. Wiley & Sons, 1938, s. 86 (ang.).
  2. R. Boehler, High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials, „Reviews of Geophysics”, 38 (2), American Geophysical Union, 2000, s. 221-245, DOI10.1029/1998RG000053 (ang.).
  3. Lars Stixrude, R.E. Cohen, High-Pressure Elasticity of Iron and Anisotropy of Earth's Inner Core, „Science”, 267 (5206), s. 1972-1975, DOI10.1126/science.267.5206.1972 (ang.).
  4. a b c d e Norma PN-EN 10052:1999. Słownik terminów obróbki cieplnej stopów żelaza, 24 września 1999.
  5. a b c d Jerzy Pacyna, Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia, Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej, 2005, s. 154-155, ISBN 83-89388-93-6.
  6. a b c d Karol Przybyłowicz, Metaloznawstwo, Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2007, ISBN 978-83-204-3304-3.
  7. Taro Takahas, William A. Basset, High-Pressure Polymorph of Iron, „Science”, 145 (3631), s. 483-486, DOI10.2307/1714581, JSTOR1714581 (ang.).
  8. G. Krauss, Principles of Heat Treatment of Steel, Russell Township: ASM International, 1980, ISBN 0-87170-100-6 (ang.).
  9. P.M. Giles, M.H. Longenbach, A.R. Marder, High‐Pressure α⇄ϵ Martensitic Transformation in Iron, „Journal of Applied Physics”, 42 (11), College Park: The American Institute of Physics, 1971, DOI10.1063/1.1659768 (ang.).