Alotropické modifikácie železa

Alotropické modifikácie železa sú jeden z najznámejších príkladov alotropie v kovoch. Pri atmosférickom tlaku sa vyskytujú nasledovné alotropické modifikácie: železo α, železo β, železo γ a železo δ. Modifikácia nazývaná železo ε je preukázaná iba na experimentálnej úrovni a je stabilná pri veľmi vysokých tlakoch a teplotách.[1]

Fázový diagram čistého železa za nízkych tlakov
Kubická priestorovo centrovaná mriežka
Kubická plošne centrovaná mriežka

Charakteristika

Železo začne kryštalizovať pri chladnutí taveniny na úrovni teploty 1 538° C, ako železo δ (často sa označuje aj ako vysokoteplotná modifikácia železa α), ktoré má kubickú priestorovo centrovanú štruktúru (BCC).[2][3]

Ďalším ochladzovaním sa štruktúra mení na kubickú plošne centrovanú (FCC) od teploty 1 394° C, ktorá má názov železo γ a je paramagnetická.[4][3][5] Parameter atómovej mriežky železa γ je približne 3,65 × 10-10m.[6]

Pri 912° C sa kryštálová štruktúra opäť vracia na kubickú priestorovo centrovanú ako železo β, ktoré je tiež paramagnetické. Ochladenie pod tzv. Curieho teplotou neprináša už žiadnu zmenu v štruktúre, zostáva kubická priestorovo centrovaná štruktúra, ktorá je ale už feromagnetická a označuje sa ako železo α.[3][5] Hodnota atómovej mriežky železa α (β) závisí na teplote a vzrastá až do 2,9 x 10-10m.[6] Nemagnetické železo má všetky elektrónové spiny atómov v magnetickej doméne orientované rovnako.[7] Avšak vplyv okolitých magnetických domén s inak orientovanými spinmi sa vzájomne rušia. V zmagnetizovanom železe sú elektrónové spiny v doméne zarovnané, takže magnetický efekt okolitých domén sa znásobuje. Aj keď každá doména obsahuje miliardu atómov, má rozmery približne v stotinách milimetra.

Pri tlaku približne nad 10 GPa a teplote niekoľko stoviek kelvinov sa železo α transformuje do tesne usporiadanej mriežky šesťuholníkovej sústavy (HCP). Táto štruktúra sa označuje ako železo ε. Železo γ sa tiež môže transformovať do železa ε, ale nie je nutné pri tom pôsobiť tak vysokými tlakmi. Tieto fázy sa predpokladajú v pevných častiach planetárnych jadier. Predpokladá sa, že Zemské jadro sa skladá zo zliatiny železo-nikel s fázami ε.

Niektoré fázy zliatiny železo-uhlík

Železo tvorí s rôznymi kovmi a inými prvkami veľmi dôležitú zlúčeninu. Najdôležitejšiu zliatinu tvorí železo s uhlíkom buď ako oceľ alebo ako technické železo resp. liatinu. Podľa ďalšej prídavných, tzv. legujúcich prvkov, je možné vytvoriť mnoho druhov ocelí a liatin s rôznymi vlastnosťami. Pochopenie vlastností alotropickej modifikácie železa je kľúčom k výrobe kvalitnej ocele.

Tuhý roztok uhlíka a železa α resp. β resp. γ resp. δ sa nazývajú ferit α resp. ferit β resp. Austenit resp. ferit δ.[4]

Železo α je stabilná modifikácia železa pri izbovej teplote. Je to mäkký, duktilný materiál, v ktorom je možné rozpustiť veľmi malé množstvo uhlíka; maximálne 0,021 % hm. pri teplote 910° C. Väčšiu rozpustnosť uhlíka umožňuje až železo γ a to až do hodnoty 2,11 % hm. pri 1 146° C.[6][8]

Referencie
  1. BOEHLER, Reinhard. High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials. Review of Geophysics, 2000, čís. 38, s. 221–245 (231). Dostupné online [cit. 2011-10-23]. ISSN 8755-1209. (anglicky)
  2. Metals Handbook, Vol. 8 Metallography, Structures and Phase Diagrams. 8. vyd. Metals Park, Ohio : ASM International, 1973. (anglicky)
  3. Foldyna et al., str. 71
  4. Systém Fe-C [online]. 2009-02-20, [cit. 2011-07-07]. Dostupné online.
  5. Hluchý et al., str. 57
  6. Foldyna et al., str. 72
  7. CULLITY, B. D.; GRAHAM, C. D. Introduction to Magnetic Materials. 2. vyd. [s.l.] : IEEE Inc., 2009. ISBN 978-0-471-47741-9.
  8. Hluchý et al., str. 58

Zdroj
Chemický portál
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.