Burdin alotropoak

Burdina hutsaren presio baxuko fase-diagrama. GZK/BCC gorputzean zentratutako egitura kubikoa da eta AZK/FCC aurpegietan zentratutako egitura kubikoa.
Burdina-karbono fase-diagrama, zenbait FexCy konposaturentzat burdin alotropo batzuei dagozkien egoerak eta nahaste eutektikoa erakutsiz.
Burdin alotropoen egitura-ezberdintasunak. Alfa burdinak (α-Fe) gorputzean zentratutako egitura kubikoa du (GZK/BCC) eta gamma burdinak (γ-Fe) aurpegietan zentratutako egitura kubikoa (AZK/FCC).

Lurraren gainazaleko presio atmosferiko normaletan, tenperaturaren arabera, burdinaren hiru forma alotropiko edo (burdin) alotropo daude (batzuetan egitura-faseak ere deituak): alfa burdina (α-Fe, ferrita), gamma burdina (γ-Fe, austenita) eta delta burdina (δ-Fe). Presio oso handitan, laugarren (burdin) alotropo bat ere badago, epsilon burdina (ε-Fe, hexaferrum) izenez ezagutua. Gainera, ebidentzia esperimental polemiko batzuen arabera presio handitan badago bosgarren (burdin) alotropo bat ere, oso presio eta tenperatura altuetan egonkorra omen dena.[1]

Burdinaren forma alotropikoak presio atmosferiko arruntetan garrantzitsuak dira, karbonoaren disolbagarritasunak haietan ezberdinak izanda, altzairu mota ezberdinak eratzen dutelako. Presio handietako burdinaren alotropoak, aldiz, planeta-nukleoen zati solidoen ereduen ikerketan garrantzizkoak izateagatik. Lurraren barne nukleoa, funtsean, ε egitura duen burdina-nikelezko aleazio kristalino batez osatuta dagoela onartzen da.[2][3][4] Barne nukleo solidoa inguratzen duen nukleoren kanpoko geruza nikelarekin nahastatutako burdina likidoz eta beste elementu arinagoen arrastoz osatuta dagoela uste da.

Presio estandarreko alotropoak

Alfa burdina (α-Fe)

Artikulu nagusia: «Ferrita»

Tenperatura 912 °C baino txikiagoa bada, burdinak gorputzean zentratutako kristal egitura kubikoa (GZK/BCC) du, eta α-burdina edo ferrita izenez ezagutzen da. Termodinamikoki egonkorra eta nahiko metal biguna da. α-Fe-k gutxi gorabehera 15 GPa-rainoko presioak jasan ditzake, ε-Fe izeneko presio altuko formara eraldatu aurretik.

Magnetikoki, α-burdina paramagnetikoa da tenperatura altuetan. Hala ere, 771 °C-ko[5] bere Curie tenperaturaren azpitik (TC edo A2) ferromagnetikoa bihurtzen da. Iraganean, α-burdinaren forma paramagnetikoa beta burdina (β-Fe) izenez ezagutzen zen.[6][7] Nahiz eta egoera ferromagnetikora igarotzean jazotzen den distortsio tetragonal txikia benetako forma-trantsizioa izan, bere etengabeko izaeragatik garrantzi txikia du altzairuaren tratamendu termikoetan. Fase-diagramako (2. irudiko) A2 lerroa da beta burdinaren eta alfa burdinaren eremuen arteko muga.

A2 mugak garrantzi txikia du tenperatura kritikoei dagozkien A1 (nahaste eutektoideari lotuta dagoena), A3 eta Acm mugen aldean. Acm mugan austenita zementita + γ-Fe-rekin orekan dago eta 5. irudiko eskuineko ertzetik haratago dago. β + γ alotropoen eremua 2. irudian A2 mugaren gainean α + γ izendatuta dagoen eremua da. Beta izendapenekin letra grekoen progresioa eta burdinaren eta altzairuen egoera alotropikoena urrenez urren alboratzen dira: α-Fe , β-Fe, austenita (γ-Fe), tenperatura altutako δ-Fe eta presio handitako hexaferruma (ε-Fe).

Bolumen molarra versus presioa α-Fe-rentzako giro-tenperaturan.

Giro-tenperaturan karbono gutxiko altzairu eta burdinurtu gehienen egitura-fase nagusia α-Fe ferromagnetikoa da.[8][9] Bere gogortasuna gutxi gorabehera 80 Brinell-ekoa da.[10][11] Karbonoaren disolbagarritasun maximoa masaren % 0,02-ren ingurukoa da 727 ºC-tan eta % 0,001-ren ingurukoa 0 ºC-tan.[12] Karbonoa burdinan disolbatzen denean bere atomoak "zulo" interstizialetan kokatzen dira eta, haien diametroa zuloena ia bikoitza izanik, tokiko tentsio-eremu indartsua sortzen dute.

Karbono urriko altzairuak (karbonoaren masa altzaiuaren %0,2-ra arte duten karbono-altzairuak) batez ere α-Fe eta karbonoaren edukiaz handitzen doazen zementitaren (Fe3C, burdin karburoa) kantitatez osatuta daude. Hozteen arabera giro-tenperaturan burdina eta karbonozko aleazioetan ferritaz eta zementitaz osatutako perlita eta/edo bainita izeneko lamina-mikroegiturak agertzen dira eta biek α-Fe dutenez osagai gisa, burdina eta karbonozko edozein aleaziok α-Fe-ren kopururen bat edukiko du giro-tenperaturan orekara iristen uzten bazaio. α-Fe-ren kopurua hozte-prozesuaren araberakoa da.

A2 tenperatura kritikoa eta indukzio bidezlo berokuntza

5. Irudia: Beta eremua eta A2 tenperatura kritikoa burdinan aberatsa den burdina-karbonoaren fase-diagramaren aldea.[5]

β-Fe eta A2 tenperatura kritikoa garrantzitsuak dira altzairuen indukzio bidezko berokuntzan, hala nola gainazala gogortzeko. tratamendu termikoetan. Altzairua normalean 900-1000 °C-tan austenizatzen da tenplatu eta iraotu baino lehen. Indukzio bidezko berokuntzan erabilittako maiztasun handiko eremu magnetiko alternoak bi mekanismoren bidez berotzen du altzairua: burdinaren Curie tenperaturaren azpitik erresistentziaz Joule efektuaren ondorioz eta histeresi ferromagnetikoaz. A2 mugatik gora, histeresi-mekanismoa desagertzen da eta, beraz, tenperatura igoera-gradu bakoitzeko behar den energia kantitatea A2 azpitik baino nabarmen handiagoa da. Balitetke zirkuitu egokitzaileak erabili behar izatea indukziorako energi iturriaren inpedantzia aldatzeko, egoera-aldaketaren ondorioak konpentsatzeko.[13]

Gamma burdina (γ-Fe)

Artikulu nagusia: «Austenita»

Burdina 912 °C-tik gora berotzean, bere kristal-egitura aurpegietan zentratutako sistema kubikoko (AZK/FCC) egitura izatera igarotzen da. Forma honi gamma burdina (γ-Fe) edo austenita deitzen zaio. γ-burdinak α-burdinak baino dezente karbono gehiago disolba dezake (masaren % 2,04 adina 1.146 °C-tan). Karbonoz saturatutako γ forma hau giro-tenperaturan altzairu herdoilgaitz austenitikoetan agertzen da.

Delta burdina (δ-Fe)

Tenperatura 1.394 °C baino handiagoa denean burdina berriro igarotzen da GZK/BCC egitura izatera, δ-Fe izenez ezagutzen den alotropoa eratuz.[14] δ-burdinak karbonoaren % 0,08-rainoko masa disolba dezake 1.475 °C-tan. Egonkorra da 1.538 °C-ko bere urtze-punturaino. δ-Fe ezin da existitu 5,2 GPa-tik gora, presio handi hauetan austenita zuzenean igarotzen baita fase urtura.[15]

Presio handiko alotropoak

Epsilon burdina / Hexaferrum (ε-Fe)

Artikulu nagusia: «Hexaferrum»

Gutxi gorabehera 10-13 GPa-tik gorako presioetan eta 700 K inguruko tenperaturan, α-burdina hexagonal sarri beteta (HSB/HCP) egiturara aldatzen da, ε-burdina edo hexaferrum izenez deitua;[16] tenperatura altuagoko γ-burdina ere ε-burdina bihurtzen da, baina orokorrean tenperatura igo ahala presio askoz handiagoak behar ditu. Hexaferrum, ferrita eta austenitaren puntu hirukoitza 10,5 GP eta 750 K-tan dago.[15] Mn, Os eta Ru elementuak dituzten ε-burdinaren aleaziotan antiferromagnetismoa behatu da.[17]

Tenperatura eta presio altu esperimentala

Beste forma egonkor bat badago, gutxienez 50 GPa-ko presiotan eta 1.500 K-ko tenperaturatan ager leiteke; ortorrombikoa edo hcp egitura bikoitza duela usten zuten batzuek.[1] 2011ko abendutik aurrera, esperimentuak egiten ari dira presio altuko eta karbono superdentsoren alotropoekin.

Erreferentziak

  1. ↑ a b Boehler, Reinhard. (2000). «High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials» Reviews of Geophysics (American Geophysical Union) 38 (2): 221–245.  doi:10.1029/1998RG000053. Bibcode: 2000RvGeo..38..221B..
  2. ↑ Cohen, Ronald E.; Stixrude, Lars. Crystal at the Center of the Earth. jatorrizkotik artxibatua (artxibatze data: 2007ko otsailaren 5a).
  3. ↑ Stixrude, Lars; Cohen, Ronald E.. (1995ko martxoa). «High-Pressure Elasticity of Iron and Anisotropy of Earth's Inner Core» Science 267 (5206): 1972–5.  doi:10.1126/science.267.5206.1972. PMID 17770110. Bibcode: 1995Sci...267.1972S..
  4. ↑ What is at the centre of the Earth?. 2011ko abuztuaren 31a.
  5. ↑ a b Alloy Phase Diagrams. 3 ASM International, 2.210, 4.9 or. ISBN 978-0-87170-381-1..
  6. ↑ Bullens, Denison Kingsley, Steel and its Heat Treatment, Vol. I, Fourth Ed., J. Wiley & Sons Inc., 1938, p. 86
  7. ↑ Avner, Sydney H.. (1974). Introduction to physical metallurgy. (2nd. argitaraldia) McGraw-Hill, 225 or. ISBN 978-0-07-002499-1..
  8. ↑ Maranian, Peter. (2009). Reducing Brittle and Fatigue Failures in Steel Structures. New York ISBN 978-0-7844-1067-7..[Betiko hautsitako esteka]
  9. ↑ Greenwood, Norman N; Earnshow, Alan. Chemistry of the Elements. (2. argitaraldia) en:Butterworth-Heinemann ISBN 978-0-08-037941-8..
  10. ↑ Structure of plain steel. ..
  11. ↑ Alvarenga, Henrique Duarte; Van de Putte, Tom; Van Steenberge, Nele; Setsma, Jilt; Terryn, Herman. (2015ko urtarrila). «Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels» Metall Mater Trans A 46 (1): 123–133.  doi:10.1007/s11661-014-2600-y. Bibcode: 2015MMTA...46..123A..
  12. ↑ Smith, William F.; Hashemi, Javad. (2006). Foundations of Materials Science and Engineering. (4th. argitaraldia) McGraw-Hill, 363 or. ISBN 0-07-295358-6..
  13. ↑ Semiatin, S. Lee; Stutz, David E.. (1986). Induction Heat Treatment of Steel. ASM International, 95–98 or. ISBN 978-0-87170-211-1..
  14. ↑ Lyman, Taylor, ed. Metallography, Structures and Phase Diagrams. 8 Metals Park, Ohio: ASM International OCLC .490375371.
  15. ↑ a b Anzellini, Simone; Errandonea, Daniel. (2021-09-29). «Properties of Transition Metals and Their Compounds at Extreme Conditions» Crystals 11 (10): 1185.  doi:10.3390/cryst11101185. ISSN 2073-4352..
  16. ↑ Mathon, Olivier; Baudelet, François; Itié, J. Paul; Polian, Alain; d'Astuto, Matteo; Chervin, Jean-Claude; Pascarelli, Sakura. (2004ko abenduaren 14a). «Dynamics of the magnetic and structural alpha-epsilon phase transition in iron» Physical Review Letters 93 (25): 255503.  doi:10.1103/PhysRevLett.93.255503. PMID 15697906. Bibcode: 2004PhRvL..93y5503M..
  17. ↑ Fletcher, Geoffrey C.; Addis, Robert P.. «The magnetic state of the phase of iron» Journal of Physics F: Metal Physics 4 (11): 1954.  doi:10.1088/0305-4608/4/11/020. Bibcode: 1974JPhF....4.1951F..

Ikus, gainera

Kanpo estekak