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铁的同素异形体

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纯铁的低压相图。 BCC是体心立方，而FCC是面心立方。
铁碳共晶相图，显示了各种形式的Fe x C y物质。
铁同素异形体，显示出晶格结构的差异。 α铁（α-Fe）是体心立方（BCC），γ铁（γ-Fe）是面心立方（FCC）。

在常压下，单质铁有三种同素异形体：α铁、γ铁和δ铁。高压下存在第四种异形体称ε铁。一些实验数据表明可能存在第五种高压形式，但只有在极高温与高压下稳定。 [1]

铁在常压下的稳定相十分重要，基于各相碳溶解度差异还可以形成不同性能的钢。铁的高压相还在行星芯固体部分的建模中有重要应用。通常假定地球的内核基本由具有ε结构的结晶铁-镍合金组成。 [2][3][4]据信包围固态内芯的外芯由混合有镍的液态铁和痕量的较轻元素组成。

标准压力同素异形体

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阿尔法铁（α-Fe）

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在912 °C（1,674 °F）以下，铁具有以体心为中心的立方结构，被称为α-铁或铁素体。它是热力学稳定且相当柔软的金属。 α-Fe可能承受的最大压力约为15 GPa，然后转变为称为ε-Fe的高压形式，该晶体结晶为六方密堆积（hcp）结构。

磁性上，α-铁在高温下是顺磁性的。但是，当它冷却到771°C（1044K或1420°F）时，[5]α-铁呈现铁磁性。反之亦然：当α-铁被加热到居里温度以上时，原子的随机热运动超过了未成对电子自旋的定向磁矩，并变成顺磁性。[6]过去，α-铁的顺磁性形式被称为Beta铁（β-Fe）。[7][8] 但是，此术语已过时且具有误导性，因为当铁通过居里温度以下时，磁畴会对齐，但不会发生结构变化。β-Fe在晶体学上与α-Fe相同，除了磁畴和随温度变化的以体为中心的扩展立方晶格参数外，因此在钢热处理中仅次要重要性。因此，通常不将β“相”视为唯一相，而仅将其视为α相场的高温端。A2在图1的相图中形成了β-铁和α场之间的边界。

同样，与A1（共析温度）、A3和Acm（临界温度）相比，A2的重要性很小。奥氏体与渗碳体 γ-Fe处于平衡状态的Acm超出了图1的右边缘。从技术上讲，α-γ相场是A2上方的β-γ场。命名为β-Fe意在维持用于钢铁的相的希腊字母的连续性：α-Fe、β-Fe、奥氏体（γ-Fe） 、高温的δ-Fe和高压的六方铁（ε-Fe）。

室温下α-Fe的摩尔体积与压力的关系。

室温下低碳钢或低碳钢以及大多数铸铁的主要相是铁磁性α-Fe。[9][10]它的布氏硬度约为80。[11][12]碳的最大溶解度在727°C（1,341°F）约为0.02 wt％，在0°C（32°F）约为0.001 wt％。当它溶解在铁中时，碳原子占据了间隙“孔”。碳的直径约为四面体孔的两倍，因此会引入很强的局部应变场。

低碳钢（碳含量最高约0.2 wt％的碳钢）主要由α-Fe和越来越多的渗碳体（Fe3C）组成。该合金具有称为珠光体的层状结构。由于贝氏体和珠光体均含有α-Fe作为成分，因此，如果允许其在室温下达到平衡，则任何铁-碳合金都将含有一定量的α-Fe。α-Fe的量取决于冷却过程。

A2临界温度和感应加热

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图1：铁碳相图中富铁侧的β场和A2临界温度。 [5]

β-Fe和A 2临界温度对于钢的感应加热（例如表面硬化热处理）很重要。钢通常在900-1000的温度下进行奥氏体化 °C淬火和回火之前。感应加热的高频交变磁场通过居里温度以下的两种机制加热钢：电阻或焦耳（I2R）加热和铁磁磁滞损耗。在A2之上，磁滞机制消失，并且每升高一度温度所需的能量实质上大于在A2之下。可能需要负载匹配电路来改变感应电源中的阻抗，以补偿这种变化。 [13]

随着铁进一步冷却到1,394 °C（2,541 °F），其晶体结构变为面心立方（FCC）晶体结构。这种形式称为伽马铁（γ-Fe）或奥氏体。γ-铁可以溶解更多的碳（质量为1,146时高达2.04％） °C）。这种碳饱和的γ形式在不锈钢中表现出来。

随着铁水的冷却，它在1,538°C（2,800°F）的温度下凝固变为其δ同素异形体，该同素异形体具有体心立方（BCC）晶体结构。 [14] δ-铁在1,475°C下可溶解质量达0.08％的碳。

高压同素异形体

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ε-铁/六方铁

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在高于约10 GPa的压力和几百开尔文或更低的温度下，α-铁变成六方密堆积（hcp）结构，也称为ε-铁或六铁。高温的γ相也转变为ε-铁，但在较高的压力下会发生变化。已经观察到ε-Fe与Mn，Os和Ru的合金中的反铁磁性。

实验高温高压

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如果存在另一种稳定形式，则可能会在至少50 GPa的压力和至少1,500 K的温度下出现；人们认为它具有正交晶或双重hcp结构。截至2011年12月，正在对高压和超稠密碳同素异形体进行近期和正在进行的实验。

相变

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熔点和沸点

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根据实验，铁的熔点在低于50的压力下得到了很好的定义 GPa。

对于更大的压力，已公布的数据（截至2007年）将γ-ε-液体三点置于相差数十吉帕和1000千帕的压力下。 熔点K。一般而言，铁动力学和冲击波实验的分子动力学计算机模拟表明，与在金刚石砧座单元中进行的静态实验相比，熔点更高，熔化曲线的斜率要陡得多。 [15]

铁的熔点和沸点，其沿雾化的焓，比那些更早组低3D元素从钪到铬，示出了3d电子到金属键的减少贡献，因为它们吸引了越来越多入原子核惰性核； [16]然而，它们高于先前元素锰的值，因为该元素具有半填满的3d轨域，因此其d电子不容易离域。钌却出现同样的趋势，锇却没有。 [17]

结构相变

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铁从一种晶体结构转变为另一种晶体的确切温度取决于铁中溶解了多少元素以及其他类型的元素。不同固相之间的相界绘制在二元相图上，通常以温度对铁的百分比的形式绘制。添加某些元素（例如Chromium ）会缩小γ相的温度范围，而另一些元素会增加γ相的温度范围。在减小伽马相位范围的元件中，α-γ相位边界与γ-δ相位边界相连，形成通常称为伽马环的东西。添加伽玛环添加剂可将铁保持在体心立方结构中，并防止钢发生相转变为其他固态的现象。 [18]

参见

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参考资料

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  1. ^ Boehler, Reinhard. High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials. Reviews of Geophysics (American Geophysical Union). 2000, 38 (2): 221–245. Bibcode:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029/1998RG000053. 
  2. ^ Cohen, Ronald; Stixrude, Lars. Crystal at the Center of the Earth. [2007-02-05]. （原始内容存档于5 February 2007）. 
  3. ^ Stixrude, Lars; Cohen, R.E. High-Pressure Elasticity of Iron and Anisotropy of Earth's Inner Core. Science. March 1995, 267 (5206): 1972–5. Bibcode:1995Sci...267.1972S. PMID 17770110. S2CID 39711239. doi:10.1126/science.267.5206.1972. 
  4. ^ What is at the centre of the Earth?. BBC News. 31 August 2011 [2021-03-09]. （原始内容存档于2020-05-23）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Alloy Phase Diagrams. ASM Handbook 3. ASM International. 1992: 2.210, 4.9. ISBN 978-0-87170-381-1. 
  6. ^ Cullity, B.D.; Graham, C.D. Introduction to Magnetic Materials 2nd. IEEE. 2009: 91. ISBN 978-0-471-47741-9. 
  7. ^ D. K. Bullens et al., Steel and Its Heat Treatment, Vol. I, Fourth Ed., J. Wiley & Sons Inc., 1938, p. 86.
  8. ^ Avner, S.H. Introduction to physical metallurgy 2nd. McGraw-Hill. 1974: 225 [2021-03-09]. ISBN 978-0-07-002499-1. （原始内容存档于2021-04-27）. 
  9. ^ Maranian, Peter, Reducing Brittle and Fatigue Failures in Steel Structures, New York: American Society of Civil Engineers, 2009 [2021-03-09], ISBN 978-0-7844-1067-7, （原始内容存档于2017-02-16）. 
  10. ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英语）. 
  11. ^ Structure of plain steel, [2008-10-21], （原始内容存档于2015-04-02） .
  12. ^ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H. Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels. Metall Mater Trans A. January 2015, 46 (1): 123–133. Bibcode:2015MMTA...46..123A. S2CID 136871961. doi:10.1007/s11661-014-2600-y. 
  13. ^ Semiatin, S.L.; Stutz, D.E. Induction Heat Treatment of Steel. ASM International. 1986: 95–98. ISBN 978-0-87170-211-1. 
  14. ^ Lyman, Taylor (编). Metallography, Structures and Phase Diagrams. Metals Handbook 8 8th. Metals Park, Ohio: ASM International. 1973. OCLC 490375371. 
  15. ^ Boehler, Reinhard; Ross, M. Properties of Rocks and Minerals_High-Pressure Melting. Treatise on Geophysics 2. Elsevier. 2007: 527–41. ISBN 9780444527486. doi:10.1016/B978-044452748-6.00047-X. 
  16. ^ Greenwood and Earnshaw, p. 1116
  17. ^ Greenwood and Earnshaw, pp. 1074–75
  18. ^ Myer Kurz (编). Handbook of Materials Selection. 2002-07-22: 44 [December 19, 2013]. ISBN 9780471359241. 
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