Demir allotropları - Allotropes of iron

Alçak basınç faz diyagramı saf demir. BCC gövde merkezli kübik ve FCC yüz merkezli kübik.
Demir-karbon ötektik Fe'nin çeşitli biçimlerini gösteren faz diyagramıxCy maddeler.
Kafes yapısındaki farklılıkları gösteren demir allotroplar. Alfa demir (α-Fe) vücut merkezli bir kübiktir (BCC) ve gama demiri (γ-Fe) yüz merkezli bir kübiktir (FCC).

Şurada: atmosferik basınç, üç allotropik biçimleri Demir var: alfa demir (α-Fe), gama demir (γ-Fe) ve delta demir (δ-Fe). Çok yüksek basınçta, dördüncü bir biçim vardır. epsilon demir (ε-Fe). Bazı tartışmalı deneysel kanıtlar, çok yüksek basınç ve sıcaklıklarda stabil olan beşinci bir yüksek basınç formunun varlığını göstermektedir.[1]

Atmosferik basınçtaki demirin fazları, çözünürlüğündeki farklılıklar nedeniyle önemlidir. karbon, farklı türleri oluşturan çelik. Demirin yüksek basınç fazları, gezegen çekirdeklerin katı kısımları için model olarak önemlidir. İç çekirdek of Dünya genellikle esasen bir kristalin demirden oluştuğu varsayılır.nikel alaşım ε yapısı ile.[2][3][4] Katı iç çekirdeği çevreleyen dış çekirdeğin, nikel ile karıştırılmış sıvı demir ve eser miktarda daha hafif elementlerden oluştuğuna inanılmaktadır.

Standart basınç allotropları

Alfa demir (α-Fe)

912 ° C'nin (1,674 ° F) altında, demir vücut merkezli bir kübik yapıya sahiptir ve α-demir veya ferrit. Bu termodinamik olarak kararlı ve oldukça yumuşak metal. α-Fe ca'ye kadar basınçlara tabi tutulabilir. 15 GPa, yüksek basınçlı bir forma dönüşmeden önce ε-demir, kristalleşen altıgen sıkı paketlenmiş (hcp) yapısı.

Manyetik olarak, α-demir paramanyetik yüksek sıcaklıklarda. Ancak 771 ° C'ye (1044K veya 1420 ° F) soğuduğu için,[5], Curie sıcaklığı (TC veya Bir2), o olur ferromanyetik. Bunun tersi de gerçekleşir: α-demir Curie sıcaklığının üzerine ısıtıldığında, atomların rastgele ısıl çalkalanması, yöneltilmiş manyetik momentini aşar. eşleşmemiş elektron döner ve paramanyetik hale gelir.[6] Geçmişte, α-demirin paramanyetik formu şu şekilde biliniyordu: Beta demir (β-Fe).[7][8] Ancak bu terminoloji eski ve yanıltıcıdır, çünkü demir Curie sıcaklığının altına geçerken, manyetik alanlar hizalanır, ancak yapısal bir değişiklik olmaz. β-Fe kristalografik olarak α-Fe ile aynı, hariç manyetik alanlar ve genişletilmiş gövde merkezli kübik Kafes parametresi sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ve bu nedenle çelikte sadece küçük bir öneme sahiptir. ısıl işlem. Bu nedenle, beta "aşaması" genellikle ayrı bir aşama olarak değil, yalnızca alfa aşaması alanının yüksek sıcaklıktaki sonu olarak kabul edilir. A2 beta demir ve alfa alanları arasındaki sınırı oluşturur faz diyagramı Şekil 1'de.

Benzer şekilde, A2 A ile karşılaştırıldığında sadece küçük bir öneme sahiptir1 (ötektoid ), Bir3 ve Asantimetre kritik sıcaklıklar. Asantimetre, nerede östenit ile dengede sementit + γ-Fe, Şekil 1'de sağ kenarın ötesindedir. α + γ faz alanı, teknik olarak, A'nın üzerindeki β + γ alanıdır.2. Beta tanımı, demir ve çelikteki fazların Yunanca harfli ilerlemesinin sürekliliğini korur: α-Fe, β-Fe, östenit (γ-Fe), yüksek sıcaklık δ-Fe ve yüksek basınç hexaferrum (ε-Fe).

Oda sıcaklığında α-Fe için basınca karşı molar hacim.

Birincil evre düşük karbonlu veya yumuşak çelik ve en dökme demir oda sıcaklığında ferromanyetik α-Fe.[9][10] Yaklaşık 80 sertliğe sahiptir. Brinell.[11][12] Maksimum çözünürlük 727 ° C'de (1,341 ° F) ağırlıkça yaklaşık% 0,02 ve 0 ° C'de (32 ° F)% 0,001 karbondur.[13] Demir içinde çözündüğünde, karbon atomları ara boşluklar oluşturur. Çapının yaklaşık iki katı olması dört yüzlü delik karbon, güçlü bir yerel gerilim alanı sağlar.

Hafif çelik (ağırlıkça yaklaşık% 0.2 C'ye kadar karbon çeliği) çoğunlukla α-Fe içerir ve artan miktarlarda sementit (Fe3C, bir demir karbür). Karışım, adı verilen katmanlı bir yapıya sahiptir. perlit. Dan beri Bainit ve perlitin her biri bir bileşen olarak α-Fe içerir, herhangi bir demir-karbon alaşımı, ulaşmasına izin verilirse bir miktar a-Fe içerecektir. denge oda sıcaklığında. Α-Fe miktarı soğutma sürecine bağlıdır.

Bir2 kritik sıcaklık ve indüksiyonla ısıtma

Şekil 1: Beta alanı ve A2 Demir-karbon faz diyagramının demir açısından zengin tarafındaki kritik sıcaklık.[5]

β-Fe ve A2 kritik sıcaklık önemlidir indüksiyonla ısıtma yüzey sertleştirme ısıl işlemleri gibi çelikten. Çelik, tipik olarak 900–1000 ° C'de östenitlenir. söndürüldü ve tavlanmış. İndüksiyonla ısıtmanın yüksek frekanslı alternatif manyetik alanı, çeliği Curie sıcaklığının altındaki iki mekanizma ile ısıtır: direnç veya Joule (I2R) ısıtma ve ferromanyetik histerezis kayıplar. A'nın üstünde2, histerezis mekanizması kaybolur ve sıcaklık artışı derecesi başına gereken enerji miktarı A'nın altından önemli ölçüde daha büyüktür.2. Yük eşleştirme devrelerine ihtiyaç duyulabilir. iç direnç değişikliği telafi etmek için indüksiyon güç kaynağında.[14]

Gama demir (γ-Fe)

Ana makale: Östenit

Demir 1.394 ° C'ye (2.541 ° F) kadar soğudukça kristal yapı bir yüz merkezli kübik (FCC) kristal yapı. Bu formda buna gama demir (γ-Fe) veya Östenit. γ-demir, çok daha fazla karbonu çözebilir (1,146 ° C'de kütlece% 2,04'e kadar). Karbon doygunluğunun bu γ formu, paslanmaz çelik.

Delta demir (δ-Fe)

Erimiş demir gibi soğur 1,538 ° C'de (2,800 ° F), a allotropuna katılaşır. gövde merkezli kübik (BCC) kristal yapı.[15] δ-demir 1,475 ° C'de karbonu kütlece% 0,08'e kadar çözebilir.

Yüksek basınçlı allotroplar

Epsilon demir / Hexaferrum (ε-Fe)

Ana makale: Hexaferrum

Yaklaşık 10 GPa'nın üzerindeki basınçlarda ve birkaç yüz kelvin veya daha düşük sıcaklıklarda, α-demir, altıgen sıkı paketlenmiş -demir veya heksaferrum olarak da bilinen (hcp) yapısı;[16] yüksek sıcaklıktaki γ fazı da ε demire dönüşür, ancak bunu daha yüksek bir basınçta yapar. Antiferromanyetizma epsilon-Fe alaşımlarında Mn, Os ve Ru ile gözlemlenmiştir.[17]

Deneysel yüksek sıcaklık ve basınç

Varsa, alternatif bir kararlı biçim, en az 50 GPa basınçlarda ve en az 1.500 K sıcaklıklarda görünebilir; sahip olduğu düşünülüyordu ortorombik veya çift hcp yapısı.[1] Aralık 2011 itibariyle, yüksek basınç ve yüksek basınç üzerinde son ve devam eden deneyler yapılmaktadır. Süper yoğun karbon allotropları.

Faz geçişleri

Erime ve kaynama noktaları

Demirin erime noktası, 50 GPa'dan daha düşük basınçlar için deneysel olarak iyi tanımlanmıştır.

Daha fazla baskı için, yayınlanan veriler (2007 itibariyle) γ-ε-sıvı üçlü nokta onlarca gigapaskal ve erime noktasında 1000 K ile farklılık gösteren basınçlarda. Genel konuşma, moleküler dinamik Demir eritme ve şok dalgası deneylerinin bilgisayar simülasyonları, daha yüksek erime noktaları ve erime eğrisinin çok daha dik bir eğimi göstermektedir. elmas örs hücreleri.[18]

Demirin erime ve kaynama noktaları ile birlikte atomizasyon entalpisi, daha önceki grup 3d öğelerinden daha düşüktür. skandiyum -e krom, çekirdek tarafından atıl çekirdeğe gittikçe daha fazla çekildikçe, 3d elektronların metalik bağa olan azalan katkısını gösterir;[19] ancak, önceki öğenin değerlerinden daha yüksektir manganez çünkü bu elementin yarısı dolu bir 3B alt kabuğu vardır ve dolayısıyla d-elektronları kolayca yer değiştiremez. Aynı eğilim rutenyum için de geçerlidir, ancak osmiyum için geçerli değildir.[20]

Yapısal faz geçişleri

"Gama döngüsü" buraya yönlendirir. İle karıştırılmamalıdır Gama motor nöron.

Demirin bir kristal yapıdan diğerine geçeceği kesin sıcaklıklar, demir içinde diğer elementlerin ne kadar ve ne tür çözündüğüne bağlıdır. Farklı katı fazlar arasındaki faz sınırı bir ikili faz diyagramı, genellikle demir yüzdesine karşı sıcaklık olarak çizilir. Gibi bazı öğeler eklemek Krom, gama fazı için sıcaklık aralığını daraltır, diğerleri ise gama fazının sıcaklık aralığını artırır. Gama faz aralığını azaltan elemanlarda, alfa-gama fazı sınırı, gama-delta faz sınırına bağlanarak, genellikle Gama döngüsü. Gama döngü katkı maddelerinin eklenmesi, demiri vücut merkezli kübik bir yapıda tutar ve çeliğin zarar görmesini önler faz geçişi diğer katı hallere.[21]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Boehler Reinhard (2000). "Yüksek basınç deneyleri ve alt manto ve çekirdek malzemelerin faz diyagramı". Jeofizik İncelemeleri. Amerikan Jeofizik Birliği. 38 (2): 221–245. Bibcode:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029 / 1998RG000053. S2CID  33458168.
  2. ^ Cohen, Ronald; Stixrude, Lars. "Dünyanın Merkezindeki Kristal". Arşivlenen orijinal 5 Şubat 2007'de. Alındı 2007-02-05.
  3. ^ Stixrude, Lars; Cohen, R.E. (Mart 1995). "Demirin Yüksek Basınçlı Esnekliği ve Dünyanın İç Çekirdeğinin Anizotropisi". Bilim. 267 (5206): 1972–5. Bibcode:1995Sci ... 267.1972S. doi:10.1126 / science.267.5206.1972. PMID  17770110. S2CID  39711239.
  4. ^ "Dünyanın merkezinde ne var?". BBC haberleri. 31 Ağustos 2011.
  5. ^ a b Alaşım Faz Şemaları. ASM El Kitabı. 3. ASM Uluslararası. 1992. s. 2.210, 4.9. ISBN  978-0-87170-381-1.
  6. ^ Cullity, B.D .; Graham, C.D. (2009). Manyetik Malzemelere Giriş (2. baskı). IEEE. s. 91. ISBN  978-0-471-47741-9.
  7. ^ D. K. Bullens ve diğerleri., Çelik ve Isıl İşlem, Cilt. Ben, Dördüncü Ed.J. Wiley & Sons Inc., 1938, s. 86.
  8. ^ Avner, S.H. (1974). Fiziksel metalurjiye giriş (2. baskı). McGraw-Hill. s. 225. ISBN  978-0-07-002499-1.
  9. ^ Maranian, Peter (2009), Çelik Yapılarda Gevrek ve Yorulma Hatalarının Azaltılması, New York: Amerikan İnşaat Mühendisleri Derneği, ISBN  978-0-7844-1067-7.
  10. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Elementlerin Kimyası (2. baskı). Butterworth-Heinemann. ISBN  978-0-08-037941-8.
  11. ^ Düz çeliğin yapısı, alındı 2008-10-21.
  12. ^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (Ocak 2015). "Karbür Morfolojisi ve Mikroyapısının C-Mn Çeliklerinin Yüzeysel Dekarbürizasyon Kinetiğine Etkisi". Metal Mater Trans A. 46 (1): 123–133. Bibcode:2015MMTA ... 46..123A. doi:10.1007 / s11661-014-2600-y. S2CID  136871961.
  13. ^ Smith & Hashemi 2006, s. 363.
  14. ^ Semiatin, S.L .; Stutz, D.E. (1986). Çeliğin İndüksiyonla Isıl İşlemi. ASM Uluslararası. s. 95–98. ISBN  978-0-87170-211-1.
  15. ^ Lyman, Taylor, ed. (1973). Metalografi, Yapılar ve Faz Diyagramları. Metal El Kitabı. 8 (8. baskı). Metals Park, Ohio: ASM International. OCLC  490375371.
  16. ^ Mathon O; Baudelet F; Itié JP; Polian A; d'Astuto M; Chervin JC; Pascarelli S. (14 Aralık 2004). "Demirde manyetik ve yapısal alfa-epsilon faz geçişinin dinamikleri". Fiziksel İnceleme Mektupları. 93 (25): 255503. arXiv:cond-mat / 0405439. Bibcode:2004PhRvL..93y5503M. doi:10.1103 / PhysRevLett.93.255503. PMID  15697906. S2CID  19228886.
  17. ^ G. C. Fletcher; R. P. Addis (Kasım 1974). "Demir fazının manyetik durumu" (PDF). Journal of Physics F: Metal Physics. 4 (11). s. 1954. Bibcode:1974JPhF .... 4.1951F. doi:10.1088/0305-4608/4/11/020. Alındı 30 Aralık 2011.
  18. ^ Boehler, Reinhard; Ross, M. (2007). "Kayaların ve Minerallerin Özellikleri_Yüksek Basınçlı Eritme". Mineral Fiziği. Jeofizik Üzerine İnceleme. 2. Elsevier. s. 527–41. doi:10.1016 / B978-044452748-6.00047-X. ISBN  9780444527486.
  19. ^ Greenwood ve Earnshaw, s. 1116
  20. ^ Greenwood ve Earnshaw, s. 1074–75
  21. ^ Myer Kurz, ed. (2002-07-22). Malzeme Seçimi El Kitabı. s. 44. ISBN  9780471359241. Alındı 19 Aralık 2013.