Odmiany alotropowe żelaza

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Odmiany alotropowe żelaza – znane są cztery alotropowe odmiany żelaza trwałe pod ciśnieniem atmosferycznym:

  • żelazo alfa (α)
  • żelazo beta (β)
  • żelazo gamma (γ)
  • żelazo delta (δ)

oraz jedna forma wysokociśnieniowa, żelazo epsilon (ε)[1][2].

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 i niklu[3].

Odmiany alotropowe przy ciśnieniu atmosferycznym[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg 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]. Perioda 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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg 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 do temperatury Ae3 (911 °C)[4]. W temperaturze 1148 °C można maksymalnie rozpuścić 2,11%C[5]. Perioda identyczności a dla żelaza δ wynosi 0,365 nm[6].

Żelazo β[edytuj | edytuj kod]

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 period 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[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg 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]. Perioda identyczności wynosi 0,286 nm[6].

Odmiany alotropowe przy wysokim ciśnieniu[edytuj | edytuj kod]

Zakres istnienia odmian alotropowych żelaza w funkcji T i p pokazujący żelazo ε przy wysokim ciśnieniu.

Żelazo ε[edytuj | edytuj kod]

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

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 D.K. Bullens: Steel & Its Heat Treatment 4TH Edition Volume 1. Nowy Jork, USA: J. Wiley & Sons Inc, 1938, s. 86.
  2. High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials. „Reviews of Geophysics”. 38 (2), s. 221-245, 2000. USA: American Geophysical Union. doi:10.1029/1998RG000053. 
  3. High-Pressure Elasticity of Iron and Anisotropy of Earth's Inner Core. „Science”. 267 (5206). s. 1972-1975. doi:10.1126/science.267.5206.1972. 
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Norma PN-EN 10052:1999. Słownik terminów obróbki cieplnej stopów żelaza. 1999-09-24
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 Pacyna Jerzy: Metaloznawstwo. Wybrane zagadnienia. Kraków: UWND AGH, 2005, s. 154-155. ISBN 83-89399-93-6.
  6. 6,0 6,1 6,2 6,3 Przybyłowicz Karol: Metaloznawstwo.. Warszawa: WNT, 2007. ISBN 978-83-204-3304-3.
  7. High-Pressure Polymorph of Iron. „Science”. 145 (3631). s. 483-486. doi:10.2307/1714581. 
  8. G. Krauss: Principles of Heat Treatment of Steel. Russell Township, USA: ASM International, 1980. ISBN 0-87170-100-6.
  9. High‐Pressure α⇄ϵ Martensitic Transformation in Iron. „Journal of Applied Physics”. 42 (11), 1971-10-15. College Park, Maryland, USA: The American Institute of Physics. doi:10.1063/1.1659768. 

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]