Алотропи на желязото — определение, видове и температурни фази

Желязото е най-често използваният пример за метал с алотропи. При железото се различават няколко кристални форми (алотропи), които се сменят в зависимост от температурата и/или налягането. Основните и най-важни при нормално атмосферно налягане са α‑желязо (ферит), γ‑желязо (аустенит) и δ‑желязо. При високи налягания съществува и ε‑желязо (хексаферум, с хексагона структура). Има съобщения за други краткотрайни или екзотични форми при много високи налягания и динамични условия, но тяхната устойчивост и значение не винаги са доказани.

Основни алотропи и температурни граници

• δ‑желязо — пространствено центрирана кубична (BCC) структура. Тази фаза е стабилна близо до точката на топене: от т. на топене на чистото желязо (~1538 °C) надолу до около 1394 °C.
• γ‑желязо (аустенит) — лице-центрирана кубична (FCC) структура. Стабилна между приблизително 1394 °C и 912 °C. Аустенитът е важен, тъй като при него желязото може да разтвори значително повече въглерод, което е основа за много процеси при обработката на стомани. Аустенитът е именно тази FCC-фаза.
• α‑желязо (ферит) — пространствено центрирана кубична (BCC) структура, стабилна при стайна температура и до около 912 °C. Под критичната температура на Кюри (~770 °C) α‑желязото е феромагнитно; над 770 °C (но под 912 °C) е парамагнитно — това исторически се нарича Бета-феритно желязо.

Кристална структура и магнитни свойства

Кратко обобщение на връзката между структура и магнитни свойства:

• α (ферит): BCC, феромагнитно при T < ~770 °C (точка на Кюри ~770 °C = ~1043 K). Над тази температура BCC желязото преминава в парамагнитна форма, наричана исторически β‑форма.
• γ (аустенит): FCC и при нормални условия е парамагнитно; структурата позволява по-голяма разтворимост на междупространствените елементи (напр. въглерод).
• δ: BCC, параметрично и близо до топене.

Високопресионни фази и други наблюдавани форми

При повишено налягане желязото преминава в друга кристална форма:

• ε‑желязо (хексаферум) — хексагона плътно-упакована (HCP) структура, наблюдавана при високи налягания. Преходът към ε‑фазата настъпва при порядъка на десетки гигапаскали (обикновено посочван праг ~13 GPa, зависещ от температурата и условията на експеримента). Тази фаза има важно значение в контекста на изследванията за вътрешността на Земята и на металите при екстремални условия.
• Под влияние на бързо охлаждане, механична обработка или присъствие на примеси (особено въглерод) в стоманите се образуват и други структури като мартензит (тялесен центриран тетрагонален — BCT, при въглеродни сплави), но това не е чиста алотропия на елементарното желязо, а резултат от взаимодействието с примеси и дифузионни ограничения.

Практическо значение

• Промените на кристалната структура при различни температури са основата на топлинната обработка на стомани (отглеждане, закаляване, отстаряване) и определят механичните свойства (твърдост, якост, пластичност).
• Аустенитът (γ) може да разтвори повече въглерод, което позволява при последващо бързо охлаждане да се образуват твърди и износоустойчиви структури (като мартензит) — ключов механизъм в металообработването.
• Високопресионните фази (ε) са от интерес за науката за материалите и геофизиката (модели за състоянието на ядрото на планети и поведение на металите при ударни и компресионни условия).

Бележки за наблюдавани, но не напълно утвърдени форми

Има доклади за допълнителни преходни или екзотични форми на желязото при екстремни условия (много високо налягане, скоростно деформиране, ултрабързо охлаждане). Част от тези фази са нестабилни при равновесие и възникват само динамично; затова тяхната класификация като самостоятелни алотропи понякога остава спорна.

Кратко резюме: основните устойчиви при нормално налягане форми са δ (BCC при висока T), γ (FCC при междинни T) и α (BCC при ниски T, феромагнитно до ~770 °C). При високо налягане се появява ε (HCP). Тези трансформации имат пряко технологично значение за свойствата на стоманите и приложението на желязото като конструкционен материал.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват алотропите на желязото?

В: Колко алотропа на желязото има?

В: Какво е другото име на α-желязото?

В: Какво е другото наименование на γ-желязото?

В: Каква е формата на желязото, която съществува при температура под 1538°C?

В: Какво представлява бета-феритното желязо?

В: Какво е алфа желязо?

Търсене по буква