stringtranslate.com

Аллотропы железа

Фазовая диаграмма низкого давления чистого железа. BCC — это объемноцентрированная куба , а FCC — гранецентрированная куба .
Фазовая диаграмма эвтектики железо-углерод , показывающая различные формы веществ Fe x C y .
Аллотропы железа, демонстрирующие различия в структуре. Альфа-железо (α-Fe) представляет собой объемноцентрированный куб (BCC), а гамма-железо (γ-Fe) представляет собой гранецентрированный куб (FCC).

При атмосферном давлении в зависимости от температуры существуют три аллотропные формы железа : 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. Обычно предполагается , что внутреннее ядро ​​Земли состоит в основном 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

Альфа-железо (α-Fe)

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 приводит к лишь незначительному значению 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). .

Зависимость молярного объема от давления для α-Fe при комнатной температуре.

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 бейнит и перлит содержат 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

Рисунок 1: Бета-поле и критическая температура A 2 на богатой железом стороне фазовой диаграммы железо-углерод. [5]

β-Fe и критическая температура A 2 важны при индукционном нагреве стали, например, при термообработке поверхностной закалки. Сталь обычно аустенитируют 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 . Для изменения импеданса индукционного источника питания и компенсации этого изменения могут потребоваться схемы согласования нагрузки . [13]

Гамма-железо (γ-Fe)

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)

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

Эпсилон-железо / Гексаферрум (ε-Fe)

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] более высокотемпературная γ-фаза также превращается в ε-железо, но обычно требует гораздо более высоких давлений при повышении температуры. Тройная точка гексаферрума, феррита и аустенита составляет 10,5 ГПа при 750 К. [15] Обнаружен антиферромагнетизм в сплавах эпсилон-Fe с Mn, Os и Ru. [17]

Экспериментальная высокая температура и давление

Альтернативная стабильная форма, если она существует, может появиться при давлении не менее 50 ГПа и температуре не менее 1500 К; Считалось, что он имеет ромбическую или двойную ГПУ-структуру. [1] По состоянию на декабрь 2011 года недавние и продолжающиеся эксперименты проводятся с аллотропами углерода под высоким давлением и сверхплотностью .

Фазовые переходы

Точки плавления и кипения

Температура плавления железа экспериментально хорошо определена при давлениях менее 50 ГПа.

Для более высоких давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) помещают тройную точку γ-ε-жидкости при давлениях, которые различаются на десятки гигапаскалей и 1000 К в температуре плавления. Вообще говоря, компьютерное моделирование молекулярной динамики плавления железа 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 ; Однако в [19] 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

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 , обычно изображаемой 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Бёлер, Рейнхард (2000). «Эксперименты при высоком давлении 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.
  2. ^ Коэн, Рональд Э.; Стиксруд, Ларс. «Кристалл в центре Земли». Архивировано из оригинала 5 февраля 2007 года . Проверено 5 февраля 2007 г.
  3. ^ 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. PMID  17770110. S2CID  39711239.
  4. ^ «Что находится в центре Земли?». Новости BBC . 31 августа 2011 г.
  5. ^ ab Фазовые диаграммы сплавов . Справочник АСМ. Том. 3. АСМ Интернэшнл. 1992. С. 2.210, 4.9. ISBN 978-0-87170-381-1.
  6. ^ Булленс, Денисон Кингсли, Сталь и ее термообработка , Том. I, Четвертое издание, J. Wiley & Sons Inc., 1938, с. 86
  7. ^ Авнер, Сидней Х. (1974). Введение в физическую металлургию (2-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 225. ИСБН 978-0-07-002499-1.
  8. ^ Маранян, Питер (2009), Снижение хрупкости и усталостных разрушений стальных конструкций, Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей, ISBN 978-0-7844-1067-7.
  9. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  10. ^ Структура простой стали , получено 21 октября 2008 г..
  11. ^ 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.
  12. ^ Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 363. ИСБН 0-07-295358-6.
  13. ^ Семиатин, С. Ли; Штутц, Дэвид Э. (1986). Индукционная термообработка стали . АСМ Интернешнл. стр. 95–98. ISBN 978-0-87170-211-1.
  14. ^ Лайман, Тейлор, изд. (1973). Металлография, структуры и фазовые диаграммы . Справочник по металлам. Том. 8 (8-е изд.). Металлс-Парк, Огайо: ASM International. ОСЛК  490375371.
  15. ^ аб 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.
  16. ^ 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. PMID  15697906. S2CID  19228886.
  17. ^ Флетчер, Джеффри С.; 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.
  18. ^ 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.
  19. ^ Гринвуд и Эрншоу, с. 1116
  20. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 1074–75.
  21. ^ Куц, Майер, изд. (22 июля 2002 г.). Справочник по выбору материалов. п. 44. ИСБН 978-0-471-35924-1. Проверено 19 декабря 2013 г.