Аллотропия железа

Что такое аллотропия

В зависимости от давления и температуры многие металлы могут существовать в более чем одной кристаллической форме. Это явления называется аллотропией.

Железо подвергается серии аллотропических превращений в ходе нагрева и охлаждения, как это показано на рисунке 1. Заметим, что аллотропические превращения – это превращения твердых фаз и поэтому происходят при постоянной температуре в ходе как нагрева, так и охлаждения.

Рисунок 1 – Аллотропические превращения в чистом железе [1]

Аллотропические превращения в железе

  • При равновесных условиях охлаждения затвердевание чистого железа из жидкости происходит при температуре 1540 ºС  и образует то, что называется дельта-железом (δFe), которое имеет объемноцентрированную кубическую структуру (оцк-структуру) (рисунок 2).
  • Дельта-железо является затем стабильным при дальнейшем охлаждении, пока не достигает температуры 1395 ºС, когда оно подвергается превращению в гранецентрированную кубическую структуру (гцк-структуру) (рисунок 3), которая называется гамма-железом (γFe).
  • При дальнейшем охлаждении до 900 ºС гамма-железо подвергается другому фазовому превращению с переходом от гцк-структуры) обратно к ОЦК-структуре. Эта структура называется альфа-железом или ферритом (αFe), чтобы отличать ее от высокотемпературного дельта-железа.
  • Это последнее превращение  γFe → αFe является чрезвычайно важным, так как создает основу для упрочнения стали. Отметим, что превращение γFe → αFe происходит при температуре 900 ºС при охлаждении и где-то ниже температуры 910 ºС при нагреве. Это разность температур известна как гистерезис аллотропического фазового превращения.
  • Температуры (обозначаемые буквой А), которые связаны с нагревом, содержат нижний индекс «с», а температуры, которые связаны с охлаждением – нижний индекс «а». Буква «с» происходит от французкого слова «chauffage», что означает «нагрев», а буква «а» — от французкого слова «refroiddissement», что означает «охлаждение».

Рисунок 2 – Объемно-центрованная кубическая структура [1]


Рисунок 3 – Гране-центрированная кубическая структура [1]

Аллотропия в металлах и неметаллах

Многие другие металлы, как и некоторые неметаллы, также проявляют аллотропические превращения. Например, титан, цирконий и гафний проявляют при нагреве переход от гексагональной плотно упакованной структуры (гпу-структуры) к оцк-структуре. Отметим, что в каждом случае плотноупакованная структура является стабильной при комнатной температуре, тогда как менее плотные структуры являются стабильными при повышенных температурах. Хотя это бывает и не всегда, это правило является опытным фактом для многих металлов.

Источник:

1. Elements of Metallurgy and Engineering Alloys / Ed. F.C. Campbell – ASM International, 2008