Dzelzs alotropi: α (ferīts), γ (austenīts), δ un ε — pārskats

Dzelzs alotropi: pārskats par α (ferīts), γ (austenīts), δ un ε — to struktūru, temperatūru robežas un nozīmi materiālu īpašībām.

Dzelzs ir visbiežāk izmantotais piemērs metālam ar alotropiem. Galvenie alotropi ir α‑dzelzs (ferīts), γ‑dzelzs (austenīts) un δ‑dzelzs; augstākā temperatūrā un spiedienā var veidoties arī ε‑dzelzs (heksaferums). Ir ziņas par iespējamām vēl citām formām, taču to pastāvēšana pilnībā nav pierādīta.

Galvenie alotropi un to īpašības

• δ‑dzelzs (delta) — kristālrežģis: BCC (kubiska centrēti biezais režģis). Stabils tuvu kušanas temperatūrai; tīra dzelzs gadījumā pastāv apmēram no 1394 °C līdz kušanas temperatūrai 1538 °C (apm. 1667–1811 K). Delta‑fāze parasti veidojas pie augstām temperatūrām un raksturīga liela graudu izmēra struktūra.
• γ‑dzelzs (austenīts) — kristālrežģis: FCC (saskares blīvā izkārtošanās). Stabils apmēram no 912 °C līdz 1394 °C (1185–1667 K). Austenīts spēj izšķīdināt ievērojami vairāk oglekļa nekā ferīts (maksimālā oglekļa šķīdība γ fāzē ir dažu procentu līmenī, atkarībā no temperatūras), tāpēc austenīts ir ļoti nozīmīgs tērauda termiskajos pārveidos un sakausējumu apstrādē.
• α‑dzelzs (ferīts) — kristālrežģis: BCC. Stabils zemākās temperatūrās, parasti zem 912 °C (1185 K). α‑dzelzs pie zemākām temperatūrām ir feromagnētisks; tā saucamais Kūrija punkts (temperatūra, kurā feromagnētiskais dzelzs kļūst paramagnētisks) ir apmēram 770 °C (1043 K). Starp Kūrija punktu un 912 °C α‑fāze ir paramagnētiska — šai paramagnētiskajai formai reizēm vēsturiskajā literatūrā tiek lietots nosaukums β‑ferīts (β‑dzelzs).
• ε‑dzelzs (epsilons, heksaferums) — kristālrežģis: HCP (heksaģonāla tuvināta izkārtošanās). Parādās pie augsta spiediena; eksperimentāli ε‑fāze veidojas aptuveni virs ~10–13 gigaPaskāliem (atkarībā no temperatūras) un ir nozīmīga gan augsta spiediena materiālu fizikā, gan Zemes kodola pētījumos. ε‑fāze var būt stabila pie dažādiem temperatūras režīmiem, taču tās parādīšanās atmosfēras spiedienā ir ierobežota.

Pārejas, magnētika un praktiskā nozīme

Temperatūras pārejas starp alotropiem tīrai dzelzs pie normāla spiediena ir aptuveni šādas: α ↔ γ pie ~912 °C, γ ↔ δ pie ~1394 °C, un δ ↔ kušana pie ~1538 °C. Magnētiskā pāreja (fero → para) α‑dzelzs gadījumā notiek apmēram 770 °C; šī paramagnētiskā alpha‑forma reizēm tiek dēvēta arī par β‑dzelzi.

Metālrūpniecībā un materiālzinātnē alotropiskās pārejas dzelzī ir kritiskas — tieši no γ‑fāzes spēja izšķīdināt oglekli un pāreju mehānikas atkarīgas daudzas tērauda īpašības. Piemēram, strauja atdzesēšana (kalšana) no austenīta var novest pie martensīta veidošanās (apstādināta strukturālā pārkārtošanās, parasti BCT — ķermeņu centrēti tetragonāla režģa), kas būtiski palielina cietību un trauslumu.

Papildus piezīmes

• Delta un alfa dzelzs ir abiem BCC tipa režģi, taču atšķiras pēc temperatūras stabilitātes un materiāla plūstamības īpašībām pie augstām temperatūrām.
• ε‑dzelzs un citi augsta spiediena polymorfi ir nozīmīgi gan pamata pētniecībā, gan geofizikā — tie ietekmē izpratni par Zemes kodola sastāvu un īpašībām.
• Ir ziņas par iespējamām citām alotropiskām formām vai starpfāzēm ekstremālos apstākļos, tomēr daudzas no tām prasa vēl papildu eksperimentālu apstiprinājumu.

Šis pārskats attiecas uz tīru dzelzi pie aptuveni normāla spiediena; temperatūras robežas un stabilitātes reģioni var mainīties, iekļaujot sakausējumu elementus (piem., oglekli, hromu, niklu) vai pielietojot lielus spiedienus. Lai saprastu konkrētu tērauda vai sakausējuma uzvedību, jāskata attiecīgā Fe‑C (vai cita) fāzu shēma.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir dzelzs alotropi?

J: Cik ir dzelzs alotropu?

J: Kā citādi sauc α-dzelzi?

J: Kāds ir cits γ-dzelzs nosaukums?

J: Kāda ir dzelzs forma, kas ir zem 1538 °C?

J: Kas ir beta ferīta dzelzs?

J: Kas ir alfa dzelzs?

Meklēt pēc burta