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 atmosferycznym

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 δ

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 γ

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 β

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 α

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 ciśnieniu

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

Żelazo ε

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].

Przypisy

  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.).

Media użyte na tej stronie

Alotropia czystego żelaza PL.JPG
Autor: Doomgiver, Licencja: CC BY-SA 3.0
Zbiór informacji o odmianach alotropowych i podstawowych własnościach w formie graficznej.


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
Układ równowagi czystego żelaza PL.JPG
Autor: Daniele Pugliesi, Licencja: CC BY-SA 3.0
Wykres fazowy dla czystego żelaza
Układ równowagi w wysokim ciśnieniu PL.TIF
Autor: His Manliness, Licencja: CC BY-SA 3.0
Schemat żelaza w funkcji T i p pokazujący fazy epsilon żelaza przy wysokim ciśnieniu.