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鐵的同素異形體

在常壓下，單質鐵有三種同素異形體：α鐵、γ鐵和δ鐵。高壓下存在第四種異形體稱ε鐵。一些實驗數據表明可能存在第五種高壓形式，但只有在極高溫與高壓下穩定。 [1]

純鐵的低壓相圖。 BCC是體心立方，而FCC是面心立方。
鐵碳共晶相圖，顯示了各種形式的Fe x C y物質。
鐵同素異形體，顯示出晶格結構的差異。 α鐵（α-Fe）是體心立方（BCC），γ鐵（γ-Fe）是面心立方（FCC）。

鐵在常壓下的穩定相十分重要，基於各相碳溶解度差異還可以形成不同性能的鋼。鐵的高壓相還在行星芯固體部分的建模中有重要應用。通常假定地球的內核基本由具有ε結構的結晶鐵-鎳合金組成。 [2][3][4]據信包圍固態內芯的外芯由混合有鎳的液態鐵和痕量的較輕元素組成。

標準壓力同素異形體

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阿爾法鐵（α-Fe）

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在912 °C（1,674 °F）以下，鐵具有以體心為中心的立方結構，被稱為α-鐵或鐵素體。它是熱力學穩定且相當柔軟的金屬。 α-Fe可能承受的最大壓力約為15 GPa，然後轉變為稱為ε-Fe的高壓形式，該晶體結晶為六方密堆積（hcp）結構。

磁性上，α-鐵在高溫下是順磁性的。但是，當它冷卻到771°C（1044K或1420°F）時，[5]α-鐵呈現鐵磁性。反之亦然：當α-鐵被加熱到居里溫度以上時，原子的隨機熱運動超過了未成對電子自旋的定向磁矩，並變成順磁性。[6]過去，α-鐵的順磁性形式被稱為Beta鐵（β-Fe）。[7][8] 但是，此術語已過時且具有誤導性，因為當鐵通過居里溫度以下時，磁疇會對齊，但不會發生結構變化。β-Fe在晶體學上與α-Fe相同，除了磁疇和隨溫度變化的以體為中心的擴展立方晶格參數外，因此在鋼熱處理中僅次要重要性。因此，通常不將β「相」視為唯一相，而僅將其視為α相場的高溫端。A2在圖1的相圖中形成了β-鐵和α場之間的邊界。

同樣，與A1（共析溫度）、A3和Acm（臨界溫度）相比，A2的重要性很小。奧氏體與滲碳體 γ-Fe處於平衡狀態的Acm超出了圖1的右邊緣。從技術上講，α-γ相場是A2上方的β-γ場。命名為β-Fe意在維持用於鋼鐵的相的希臘字母的連續性：α-Fe、β-Fe、奧氏體（γ-Fe） 、高溫的δ-Fe和高壓的六方鐵（ε-Fe）。

 
室溫下α-Fe的摩爾體積與壓力的關係。

室溫下低碳鋼或低碳鋼以及大多數鑄鐵的主要相是鐵磁性α-Fe。[9][10]它的布氏硬度約為80。[11][12]碳的最大溶解度在727°C（1,341°F）約為0.02 wt％，在0°C（32°F）約為0.001 wt％。當它溶解在鐵中時，碳原子佔據了間隙「孔」。碳的直徑約為四面體孔的兩倍，因此會引入很強的局部應變場。

低碳鋼（碳含量最高約0.2 wt％的碳鋼）主要由α-Fe和越來越多的滲碳體（Fe3C）組成。該合金具有稱為珠光體的層狀結構。由於貝氏體和珠光體均含有α-Fe作為成分，因此，如果允許其在室溫下達到平衡，則任何鐵-碳合金都將含有一定量的α-Fe。α-Fe的量取決於冷卻過程。

A2臨界溫度和感應加熱

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圖1：鐵碳相圖中富鐵側的β場和A2臨界溫度。 [5]

β-Fe和A 2臨界溫度對於鋼的感應加熱（例如表面硬化熱處理）很重要。鋼通常在900-1000的溫度下進行奧氏體化 °C淬火和回火之前。感應加熱的高頻交變磁場通過居里溫度以下的兩種機制加熱鋼：電阻或焦耳（I2R）加熱和鐵磁磁滯損耗。在A2之上，磁滯機制消失，並且每升高一度溫度所需的能量實質上大於在A2之下。可能需要負載匹配電路來改變感應電源中的阻抗，以補償這種變化。 [13]

隨着鐵進一步冷卻到1,394 °C（2,541 °F），其晶體結構變為面心立方（FCC）晶體結構。這種形式稱為伽馬鐵（γ-Fe）或奧氏體。γ-鐵可以溶解更多的碳（質量為1,146時高達2.04％） °C）。這種碳飽和的γ形式在不鏽鋼中表現出來。

隨着鐵水的冷卻，它在1,538°C（2,800°F）的溫度下凝固變為其δ同素異形體，該同素異形體具有體心立方（BCC）晶體結構。 [14] δ-鐵在1,475°C下可溶解質量達0.08％的碳。

高壓同素異形體

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ε-鐵/六方鐵

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在高於約10 GPa的壓力和幾百開爾文或更低的溫度下，α-鐵變成六方密堆積（hcp）結構，也稱為ε-鐵或六鐵。高溫的γ相也轉變為ε-鐵，但在較高的壓力下會發生變化。已經觀察到ε-Fe與Mn，Os和Ru的合金中的反鐵磁性。

實驗高溫高壓

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如果存在另一種穩定形式，則可能會在至少50 GPa的壓力和至少1,500 K的溫度下出現；人們認為它具有正交晶或雙重hcp結構。截至2011年12月，正在對高壓和超稠密碳同素異形體進行近期和正在進行的實驗。

相變

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熔點和沸點

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根據實驗，鐵的熔點在低於50的壓力下得到了很好的定義 GPa。

對於更大的壓力，已公布的數據（截至2007年）將γ-ε-液體三點置於相差數十吉帕和1000千帕的壓力下。 熔點K。一般而言，鐵動力學和衝擊波實驗的分子動力學計算機模擬表明，與在金剛石砧座單元中進行的靜態實驗相比，熔點更高，熔化曲線的斜率要陡得多。 [15]

鐵的熔點和沸點，其沿霧化的焓，比那些更早組低3D元素從鈧到鉻，示出了3d電子到金屬鍵的減少貢獻，因為它們吸引了越來越多入原子核惰性核； [16]然而，它們高於先前元素錳的值，因為該元素具有半填滿的3d軌域，因此其d電子不容易離域。釕卻出現同樣的趨勢，鋨卻沒有。 [17]

結構相變

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鐵從一種晶體結構轉變為另一種晶體的確切溫度取決於鐵中溶解了多少元素以及其他類型的元素。不同固相之間的相界繪製在二元相圖上，通常以溫度對鐵的百分比的形式繪製。添加某些元素（例如Chromium ）會縮小γ相的溫度範圍，而另一些元素會增加γ相的溫度範圍。在減小伽馬相位範圍的元件中，α-γ相位邊界與γ-δ相位邊界相連，形成通常稱為伽馬環的東西。添加伽瑪環添加劑可將鐵保持在體心立方結構中，並防止鋼發生相轉變為其他固態的現象。 [18]

參見

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參考資料

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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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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, （原始內容存檔於2017-02-16）. 
  10. ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）. 
  11. ^ Structure of plain steel, [2008-10-21], （原始內容存檔於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 (編). 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 (編). Handbook of Materials Selection. 2002-07-22: 44 [December 19, 2013]. ISBN 9780471359241. 
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