Аллотропы железа
При атмосферном давлении существуют три аллотропные формы железа , в зависимости от температуры: альфа-железо (α-Fe, феррит) , гамма-железо (γ-Fe, аустенит) и дельта-железо (δ-Fe) . При очень высоком давлении существует четвертая форма, эпсилон-железо (ε-Fe, гексаферрум) . Некоторые противоречивые экспериментальные данные предполагают существование пятой формы высокого давления, которая стабильна при очень высоких давлениях и температурах. [ 1 ]
Фазы железа при атмосферном давлении важны из-за различий в растворимости углерода , образующего разные типы стали . Фазы железа высокого давления важны как модели твердых частей планетных ядер. состоит в основном Обычно предполагается , что внутреннее ядро Земли из кристаллического железо-никелевого сплава с ε-структурой. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Считается, что внешнее ядро, окружающее твердое внутреннее ядро, состоит из жидкого железа, смешанного с никелем и следами более легких элементов.
Аллотропы стандартного давления
[ редактировать ]Альфа-железо (α-Fe)
[ редактировать ]При температуре ниже 912 ° C (1674 ° F) железо имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру и известно как α-железо или феррит . Это термодинамически стабильный и довольно мягкий металл. α-Fe может подвергаться давлению до ок. 15 ГПа, прежде чем превратиться в форму высокого давления, называемую ε-Fe, обсуждаемую ниже.
В магнитном отношении α-железо парамагнитно при высоких температурах. Однако ниже температуры Кюри ( TC , или A2 ) ) 771 °C (1044K или 1420 °F [ 5 ] он становится ферромагнитным . Раньше парамагнитная форма α-железа была известна как бета-железо (β-Fe). [ 6 ] [ 7 ] Несмотря на то, что небольшое тетрагональное искажение в ферромагнитном состоянии действительно представляет собой настоящий фазовый переход, непрерывный характер этого перехода имеет лишь незначительное значение при термообработке стали . Линия А 2 образует границу между полями бета-железа и альфа на фазовой диаграмме на рисунке 1.
Точно так же граница A 2 имеет лишь второстепенное значение по сравнению с критическими температурами A 1 ( эвтектоид ), A 3 и A cm . Поле A cm , 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 полем A 2 . Обозначение бета сохраняет непрерывность последовательности греческих букв фаз в железе и стали: α-Fe, β-Fe, аустенит (γ-Fe), высокотемпературное δ-Fe и гексаферрум высокого давления (ε-Fe). .
Первичной фазой низкоуглеродистой или мягкой стали и большинства чугунов при комнатной температуре является ферромагнитный α-Fe. [ 8 ] [ 9 ] Его твердость составляет около 80 по Бринеллю . [ 10 ] [ 11 ] Максимальная растворимость углерода составляет около 0,02% масс. при 727 °C (1341 °F) и 0,001% при 0 °C (32 °F). [ 12 ] Когда он растворяется в железе, атомы углерода занимают межузельные «дырки». Будучи примерно в два раза больше диаметра тетраэдрического отверстия , углерод создает сильное поле локальных деформаций.
Мягкая сталь (углеродистая сталь с содержанием C примерно до 0,2 мас.%) состоит в основном из α-Fe и увеличивающегося количества цементита (Fe 3 C, карбида железа). Смесь имеет пластинчатую структуру, называемую перлитом . Поскольку каждый из бейнитов и перлитов содержит α-Fe в качестве компонента, любой железо-углеродный сплав будет содержать некоторое количество α-Fe, если ему позволить достичь равновесия при комнатной температуре. Количество α-Fe зависит от процесса охлаждения.
2 критическая температура и индукционный нагрев
[ редактировать ]
β-Fe и критическая температура A 2 важны при индукционном нагреве стали, например, при термообработке поверхностной закалки. Сталь обычно аустенитируется при температуре 900–1000 °C перед закалкой и отпуском . Высокочастотное переменное магнитное поле индукционного нагрева нагревает сталь ниже температуры Кюри по двум механизмам: резистивный или джоулевый нагрев и потери на ферромагнитный гистерезис . Выше границы А 2 механизм гистерезиса исчезает и требуемое количество энергии на градус повышения температуры, таким образом, существенно больше, чем ниже А 2 . могут потребоваться схемы согласования нагрузки . Для изменения импеданса индукционного источника питания и компенсации этого изменения [ 13 ]
Гамма-железо (γ-Fe)
[ редактировать ]При нагревании железа выше 912 ° C (1674 ° F) его кристаллическая структура меняется на гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру. В такой форме его называют 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 аустенитной нержавеющей стали .
Дельта-железо (δ-Fe)
[ редактировать ]Примечательно, что при температуре выше 1394 °C (2541 °F) железо снова переходит в ОЦК-структуру, известную как δ-Fe. [ 14 ] δ-железо может растворять до 0,08% углерода по массе при температуре 1475 ° C. Он стабилен до температуры плавления 1538 ° C (2800 ° F). δ-Fe не может существовать при давлении выше 5,2 ГПа, вместо этого аустенит переходит непосредственно в расплавленную фазу при таких высоких давлениях. [ 15 ]
Аллотропы высокого давления
[ редактировать ]Эпсилон-железо / Гексаферрум (ε-Fe)
[ редактировать ]При давлениях выше примерно 10–13 ГПа и температурах примерно до 700 К α-железо превращается в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, которая также известна как ε-железо или гексаферрум; [ 16 ] γ-фаза с более высокой температурой также превращается в ε-железо, но обычно при повышении температуры требуется гораздо более высокое давление. Тройная точка гексаферра, феррита и аустенита составляет 10,5 ГПа при 750 К. [ 15 ] антиферромагнетизм в сплавах эпсилон-Fe с Mn, Os и Ru. Обнаружен [ 17 ]
Экспериментальная высокая температура и давление
[ редактировать ]Альтернативная стабильная форма, если она существует, может появиться при давлении не менее 50 ГПа и температуре не менее 1500 К; Считалось, что он имеет орторомбическую или двойную ГПУ-структуру. [ 1 ] По состоянию на декабрь 2011 г. [update], недавние и продолжающиеся эксперименты проводятся с аллотропами углерода высокого давления и сверхплотности .
Фазовые переходы
[ редактировать ]Точки плавления и кипения
[ редактировать ]Температура плавления железа экспериментально хорошо определена при давлениях менее 50 ГПа.
γ-ε-жидкости Для более высоких давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) помещают тройную точку при давлениях, которые различаются на десятки гигапаскалей и 1000 К в температуре плавления. Вообще говоря, компьютерное моделирование плавления железа с помощью молекулярной динамики и эксперименты с ударной волной предполагают более высокие температуры плавления и гораздо более крутой наклон кривой плавления, чем статические эксперименты, проводимые в ячейках с алмазными наковальнями . [ 18 ]
Точки плавления и кипения железа, а также его энтальпия атомизации ниже, чем у 3d-элементов более ранней группы, от скандия до хрома , что указывает на меньший вклад 3d-электронов в металлическую связь, поскольку они все больше и больше притягиваются к инертное ядро у ядра ; [ 19 ] однако они выше, чем значения для предыдущего элемента марганца, поскольку этот элемент имеет наполовину заполненную 3d подоболочку и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализовать . Та же самая тенденция наблюдается для рутения , но не для осмия . [ 20 ]
Структурные фазовые переходы
[ редактировать ]Точные температуры, при которых железо перейдет из одной кристаллической структуры в другую, зависит от того, сколько и какого типа других элементов растворено в железе. Фазовая граница между различными твердыми фазами проводится на бинарной фазовой диаграмме , которая обычно изображается как зависимость температуры от процентного содержания железа. Добавление некоторых элементов, таких как хром , сужает температурный диапазон гамма-фазы, тогда как другие увеличивают температурный диапазон гамма-фазы. В элементах, уменьшающих диапазон гамма-фаз, граница фаз альфа-гамма соединяется с границей фаз гамма-дельта, образуя то, что обычно называют гамма-петлей . Добавление добавок гамма-петли сохраняет чугун в объемноцентрированной кубической структуре и предотвращает фазовый переход стали в другие твердые состояния. [ 21 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Бёлер, Рейнхард (2000). «Эксперименты при высоких давлениях и фазовая диаграмма материалов нижней мантии и ядра» . Обзоры геофизики . 38 (2). Американский геофизический союз: 221–245. Бибкод : 2000RvGeo..38..221B . дои : 10.1029/1998RG000053 . S2CID 33458168 .
- ^ Коэн, Рональд Э.; Стиксруд, Ларс. «Кристалл в центре Земли» . Архивировано из оригинала 5 февраля 2007 года . Проверено 5 февраля 2007 г.
- ^ Стиксруд, Ларс; Коэн, Рональд Э. (март 1995 г.). «Упругость железа при высоком давлении и анизотропия внутреннего ядра Земли». Наука . 267 (5206): 1972–5. Бибкод : 1995Sci...267.1972S . дои : 10.1126/science.267.5206.1972 . ПМИД 17770110 . S2CID 39711239 .
- ^ «Что находится в центре Земли?» . Новости Би-би-си . 31 августа 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Фазовые диаграммы сплавов . Справочник АСМ. Том. 3. АСМ Интернэшнл. 1992. С. 2.210, 4.9. ISBN 978-0-87170-381-1 .
- ^ Булленс, Денисон Кингсли, Сталь и ее термообработка , Том. I, Четвертое издание, J. Wiley & Sons Inc., 1938, с. 86
- ^ Авнер, Сидней Х. (1974). Введение в физическую металлургию (2-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 225. ИСБН 978-0-07-002499-1 .
- ^ Маранян, Питер (2009), Снижение хрупкости и усталостных разрушений стальных конструкций , Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей, ISBN 978-0-7844-1067-7 .
- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Структура простой стали , получено 21 октября 2008 г.
- ^ Альваренга, Энрике Дуарте; Ван де Путте, Том; Ван Стинберг, Неле; Сецма, Джилт; Террин, Герман (январь 2015 г.). «Влияние морфологии и микроструктуры карбидов на кинетику поверхностного обезуглероживания сталей C-Mn». Металл Матер Транс А. 46 (1): 123–133. Бибкод : 2015MMTA...46..123A . дои : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 .
- ^ Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 363. ИСБН 0-07-295358-6 .
- ^ Семиатин, С. Ли; Штутц, Дэвид Э. (1986). Индукционная термообработка стали . АСМ Интернешнл. стр. 95–98. ISBN 978-0-87170-211-1 .
- ^ Лайман, Тейлор, изд. (1973). Металлография, структуры и фазовые диаграммы . Справочник по металлам. Том. 8 (8-е изд.). Металлс-Парк, Огайо: ASM International. OCLC 490375371 .
- ^ Jump up to: а б Анзеллини, Симона; Эррандонеа, Дэниел (29 сентября 2021 г.). «Свойства переходных металлов и их соединений в экстремальных условиях» . Кристаллы . 11 (10): 1185. doi : 10.3390/cryst11101185 . ISSN 2073-4352 .
- ^ Матон, Оливье; Боделе, Франсуа; Итье, Дж. Пол; Полиан, Ален; д'Астуто, Маттео; Шервен, Жан-Клод; Паскарелли, Сакура (14 декабря 2004 г.). «Динамика магнитного и структурного фазового перехода альфа-эпсилон в железе». Письма о физических отзывах . 93 (25): 255503. arXiv : cond-mat/0405439 . Бибкод : 2004PhRvL..93y5503M . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.255503 . ПМИД 15697906 . S2CID 19228886 .
- ^ Флетчер, Джеффри К.; Аддис, Роберт П. (ноябрь 1974 г.). «Магнитное состояние фазы железа» (PDF) . Физический журнал F: Физика металлов . 4 (11): 1954. Бибкод : 1974JPhF....4.1951F . дои : 10.1088/0305-4608/4/11/020 . Проверено 30 декабря 2011 г.
- ^ Бёлер, Рейнхард; Росс, М. (2007). «Свойства горных пород и минералов_Плавка под высоким давлением». Минеральная физика . Трактат по геофизике. Том. 2. Эльзевир. стр. 527–41. дои : 10.1016/B978-044452748-6.00047-X . ISBN 978-0-444-52748-6 .
- ^ Гринвуд и Эрншоу, с. 1116
- ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 1074–75.
- ^ Куц, Майер, изд. (22 июля 2002 г.). Справочник по выбору материалов . п. 44. ИСБН 978-0-471-35924-1 . Проверено 19 декабря 2013 г.