Превращения в чистом железе

Ниже температуры 912 °С железо называют ферритом или альфа-железом. Атомы в феррите организованы в объемноцентрированную (ОЦК) кристаллическую структуру. Выше 912 °С железо называют аустенитом или гамма-железом.

Атомы в аустените организованы в гранецентрированную (ГЦК) кристаллическую структуру. Нагрев феррита до 912 °С приводит к образованию мельчайших зерен аустенита на границах ферритных зерен. Дальнейший нагрев приводит к росту этих новых аустенитных зерен с полной заменой старых ферритных зерен на новые аустенитные — происходят превращения в железе.

При охлаждении ниже температуры 912 °С  в железе происходят превращения такого же типа, только в обратном направлении – зерна феррита заменяют аустенитные зерна.   

Превращение феррита в аустенит

Если чистое железо нагреть до температуры 912 °С, то в нем происходят некие «чудесные» превращения: кристаллическая структура железа спонтанно превращается из объемноцетрированной кубической (ОЦК) в  гранецентрированную кубическую (ГЦК). Эти обе структуры железа показаны на рисунках 1 и 2. Как и говорят их названия, в (ОЦК)-структуре атомы находятся по углам куба и в его центре, а в (ГЦК)-структуре – по углам куба и в центре из каждой из шести граней куба. Как и низкотемпературная (ОЦК)-структура, (ОЦК)-структура имеет два названия: аустенит и гамма-железо (γ-железо). Буква γ – третья буква в греческом алфавите.

reshetka-ferrita

Рисунок 1 — Объемноцентрированная кубическая (ОЦК)
кристаллическая решетка феррита

reshetka-austenitaРисунок 2 — Гранецентрированная кубическая (ГЦК)
кристаллическая решетка аустенита

Бета-железо

Есть в превращении железа и свои загадки. Где бета-железо (β-железо), по второй букве греческого алфавита? Ответ такой: раньше такое железо «было», а сейчас – его уже нет. Дело в том, что когда ученые открыли структуру железа в конце 19-го века, из-за магнитного перехода железа при 770 °С, они решили, что существует еще одно превращение железа: из альфа-железа в бета-железо. Потом оказалось, что это была ошибка (и так бывает у ученых!), и β-железо просто «отменили».

Превращение ферритных зерен в аустенитные

Когда ферритное железо нагревают до температуры 912 °С, старый состав ферритных зерен изменяется  в новый состав зерен, уже аустенитных — в железе происходит превращение.

Представьте, что ферритная зеренная структура только что достигла температуры превращения. Сначала мы видим образование новых, очень мелких аустенитных зерен, которые накладываются на старые границы ферритных зерен. Потом эти зерна растут, пока все старые ферритные зерна не исчезнут.

При превращении феррита в аустенит происходит два важных явления:

1)      Также как и при превращении  льда в воду, превращение железе из феррита в аустенит требует тепловой энергии. Поэтому при нагреве температура железа будет оставаться при температуре около 912 °С, пока все ферритные зерна не превратятся в аустенитные.

2)      При превращении феррита в аустенит происходят объемные изменения. Плотность аустенита на 2 % выше, чем феррита, что означает, что атом аустенита занимает меньший объем, чем атом феррита.

Все превращения в железе, которые происходят при его нагреве, изображены схематически на рисунке 3.

diagramma-prevrashcheniy-v-zhelezeРисунок 3

 

Эксперименты с превращениями в железе

Два простых эксперимента наглядно демонстрируют фазовые превращения в железе.

Эксперимент №1. Нагреть железный пруток до температуры выше 770 °С и подвесить его охлаждаться на воздухе. Поднести к прутку магнит. Когда температура достигнет 770 °С, горячий пруток начнет притягиваться к магниту. Как показывает диаграмма на рисунке 4 феррит (альфа-железо) является магнитным только ниже 770 °С, аустенит (гамма-железо) никогда не бывает магнитным.

Эксперимент №2. Железную проволоку натянуть горизонтально между двумя электрическими изоляторами на расстоянии около 1 м. Подвесить небольшой груз в центре проволоки. Пропустить через проволоку электрический ток так, чтобы нагреть проволоку выше 912 °С – до оранжево-желтого цвета. Поднимать напряжение нужно медленно с помощью источника тока с переменной мощностью. Когда проволока нагреется, она удлинится и груз немного опустится. После этого нужно отключить от проволоки напряжение и наблюдать ее охлаждение в затемненной комнате. При достижении проволокой температуры 912 °С можно наблюдать два явления:
1)    Когда проволока будет охлаждаться, будет происходить уменьшение ее длины, и грузик начнет подниматься. Однако при 912 °С будет наблюдаться временное опускание груза: как раз в то время, когда аустенит перейдет в феррит с меньшей плотностью и от этого проволока немного удлинится.
2)    Тепло, которое выделяется при превращении аустенита в феррит, будет приводить к видимому мерцанию цвета нагретой проволоки.

Оба эти явления можно наблюдать в обратном порядке и при нагреве, но в этом случае они не так хорошо видны из-за трудности быстрого нагрева проволоки.

Превращения в железе

Чтобы понять, почему при превращении аустенита в феррит происходит выделение тепла, надо вспомнить превращение льда в воду. Действительно, воду необходимо охлаждать, чтобы превратить ее в лед. Это значит, что тепло отнимается от жидкости при температуре замерзания. Тот же самый эффект происходит при «замерзании» металла: тепло отнимается от металла. Поэтому, когда жидкий металл охлаждают до точки затвердевания, то при температуре затвердевания происходит выделение тепла. При переходе жидкого состояния в твердое тело происходят фазовое превращение между жидкой фазой и твердой фазой. Фазовые превращения, которые происходят при охлаждении, выделяют тепло.

Когда при охлаждении аустенита он превращается в феррит — это тоже фазовое превращение, но уже твердого состояния в твердое же состояние и в ходе его также выделяется тепло. При нагреве происходит обратное: когда феррит переходит в аустенит, тепло поглощается.