Geležies alotropai: α (feritas), γ (austenitas), δ, ε ir jų savybės

Geležies alotropai: α (feritas), γ (austenitas), δ, ε — struktūra, temperatūrinės fazės ir magnetinės savybės. Sužinokite transformacijų sąlygas ir taikymą.

Geležis yra vienas labiausiai ištirtų ir dažniausiai naudojamų metalo pavyzdžių su keliomis alotropinėmis fazėmis. Pagrindinės žinomos alotropinės formos—α (feritas), β (paramagnetinė ferito forma), γ (austenitas), δ ir aukšto slėgio ε (heksaferis). Kiekviena fazė skiriasi kristaline struktūra, magnetinėmis savybėmis, anglies tirpumu ir stabilumo temperatūriniu arba slėgio intervalu. Leisti aiškiau: lydimos temperatūros reikšmės yra apytikslės ir taikomos grynai geležiai; legiruojant ir keičiant slėgį ribos keičiasi.

Trumpas fazių aprašymas ir pagrindinės ribos

• α-geležis (feritas) — BCC (body-centred cubic) kristalinė struktūra; stabilus iki ~912 °C (1185 K). Žemiau ~770 °C (1043 K) yra feromagnetinis (Curie temperatūra ~770 °C), aukštesnėje temperatūroje tas pats BCC tampa paramagnetiniu ir kartais žymimas kaip β-geležis.
• β-geležis — istoriškai vartojamas terminas apibūdinti paramagnetinę BCC geležies fazę tarp Curie temperatūros (~770 °C) ir α→γ transformacijos (~912 °C). (Dažniau ši būsena minima kaip „paramagnetinis α“.)
• γ-geležis (austenitas) — FCC (face-centred cubic) struktūra; stabilus apytiksliai 912–1394 °C (1185–1667 K). Svarbus plieno apdirbime, nes FCC struktūra tirpdo daugiau anglies nei BCC, todėl keičia mechanines savybes.
• δ-geležis — BCC struktūra, vėl pasirodanti aukštesnėse temperatūrose ~1394–1538 °C (1667–1811 K). δ-geležis egzistuoja iki lydymo temperatūros (~1538 °C).
• ε-geležis (heksaferis) — HCP (hexagonal close-packed) struktūra, susidaro esant dideliems slėgiams (apytiksliai virš ~13 gigaPaskalių, priklausomai nuo temperatūros) ir yra svarbi geofiziniuose bei aukšto slėgio eksperimentuose. Tai aukšto slėgio fazė, kurios stabilumas priklauso nuo sąlygų.

Detalesnės savybės

α (feritas)

• Struktūra: BCC (kubinė su centru).
• Temperatūros intervalas: iki ~912 °C (1185 K) grynai geležiui.
• Magnetizmas: žemiau ~770 °C (1043 K) feromagnetinis; aukščiau – paramagnetinis (kartais vadinamas β-geležimi).
• Anglies tirpumas: mažas (todėl plienuose feritinis karkasas yra mažiau anglies prisotintas nei austenitas), svarbu plonų dalių ir dervų savybėms.
• Mechanika: palyginti kieta ir magnetiškai aktyvi fazė; BCC struktūra turi mažiau slinkimo sistemas prie žemesnių temperatūrų, todėl gali būti mažiau duktili nei FCC tam tikrose sąlygose.

β-geležis

• Ne atskira struktūra – tai tas pats BCC kaip α, bet paramagnetinė būsena (šildant ferito fazę virš Curie taško ~770 °C).
• Istoriškai naudojamas terminas apibūdinti magnetinės būsenos pokyčius.

γ (austenitas) (Austenitas)

• Struktūra: FCC (labai kompaktiška).
• Temperatūros intervalas: ~912–1394 °C (1185–1667 K) grynai geležiui.
• Anglies tirpumas: gerokai didesnis nei BCC; tai suteikia pagrindinę prasmę terminams ir procesams, tokiems kaip sūdymas (quenching) ir grūdinimas plienui.
• Mechanika: FCC struktūra turi daugiau slinkimo plokštumų, todėl austenitas paprastai yra labiau duktilus ir kietus transformacijos metu į kitą fazę.

δ-geležis

• Struktūra: BCC (kaip α, bet aukštoje temperatūroje).
• Temperatūros intervalas: apytiksliai nuo ~1394 °C iki lydymo taško ~1538 °C (1811 K).
• Reikšmė: dalyvauja metalo lydymo ir kietėjimo procesuose.

ε-geležis (heksaferis)

• Struktūra: HCP (hexagonal close-packed).
• Susidarymo sąlygos: stabilizuojasi esant dideliems slėgiams (apytiksliai virš ~13 gigaPaskalių, nors tikslios ribos priklauso nuo temperatūros ir medžiagos sudėties).
• Reikšmė: svarbi geofizikoje (pvz., branduolio sąlygų modeliavimui) ir aukšto slėgio fizikinių savybių tyrimams.

Praktinė reikšmė (ypač plienui)

• Plieno terminiai apdorojimai (pvz., atšaldymas, grūdinimas) remiasi α↔γ transformacijomis: austenitas (γ) tirpdo daugiau anglies, o atšaldžius jis gali transformuotis į martensitą, perlita ir kt., kas lemią galutinę plieno struktūrą ir savybes.
• Magnetinės savybės priklauso nuo fazės: feritinės fazės yra magnetiškos, austenitas – paramagnetinis esant įprastinėms temperatūroms.
• Didelio temperatūros ar slėgio sąlygomis gali atsirasti kitokios geležies fazės, todėl pramonėje ir moksle svarbu žinoti aplinkos parametrus.

Kiti pastebėjimai ir neaiškumai

Yra pranešimų apie papildomas aukšto slėgio/temperatūros fazes arba tarpinės formos, įskaitant kartais minimas „penktąsias“ fazes. Kai kurios iš jų gali būti eksperimentinės arba dinaminės būsenos, kurios sunkiai atkuriamos ir dar nėra visiškai patvirtintos. Todėl geležies fazių diagrama gali keistis, kai atsiranda nauji eksperimentiniai ar teoriniai duomenys.

Apibendrinant: α (feritas), β (paramagnetinis feritas), γ (austenitas), δ ir ε turi skirtingas kristalines struktūras, temperatūros ir slėgio intervalus bei praktinę reikšmę metalurgijoje ir geofizikoje. Tikslūs ribiniai parametrai priklauso nuo geležies grynumo, legiruojančių elementų ir eksperimentinių sąlygų.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra geležies alotropai?

K: Kiek yra geležies alotropų?

K: Kaip kitaip vadinasi α-geležis?

K: Kaip kitaip vadinasi γ-geležis?

K: Kokia geležies forma yra žemesnėje nei 1538 °C temperatūroje?

K: Kas yra beta feritinė geležis?

K: Kas yra alfa geležis?

Paieška pagal raidę