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 Fe_xC_y 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 (T_C 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 A_cm mugen aldean. A_cm 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

↑ ^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..
↑ Cohen, Ronald E.; Stixrude, Lars. Crystal at the Center of the Earth. jatorrizkotik artxibatua (artxibatze data: 2007ko otsailaren 5a).
↑ 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..
↑ What is at the centre of the Earth?. 2011ko abuztuaren 31a.
↑ ^a ^b Alloy Phase Diagrams. 3 ASM International, 2.210, 4.9 or. ISBN 978-0-87170-381-1..
↑ Bullens, Denison Kingsley, Steel and its Heat Treatment, Vol. I, Fourth Ed., J. Wiley & Sons Inc., 1938, p. 86
↑ Avner, Sydney H.. (1974). Introduction to physical metallurgy. (2nd. argitaraldia) McGraw-Hill, 225 or. ISBN 978-0-07-002499-1..
↑ Maranian, Peter. (2009). Reducing Brittle and Fatigue Failures in Steel Structures. New York ISBN 978-0-7844-1067-7..^{[Betiko hautsitako esteka]}
↑ Greenwood, Norman N; Earnshow, Alan. Chemistry of the Elements. (2. argitaraldia) en:Butterworth-Heinemann ISBN 978-0-08-037941-8..
↑ Structure of plain steel. ..
↑ 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..
↑ Smith, William F.; Hashemi, Javad. (2006). Foundations of Materials Science and Engineering. (4th. argitaraldia) McGraw-Hill, 363 or. ISBN 0-07-295358-6..
↑ Semiatin, S. Lee; Stutz, David E.. (1986). Induction Heat Treatment of Steel. ASM International, 95–98 or. ISBN 978-0-87170-211-1..
↑ Lyman, Taylor, ed. Metallography, Structures and Phase Diagrams. 8 Metals Park, Ohio: ASM International OCLC .490375371.
↑ ^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..
↑ 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..
↑ 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

Tenplaketa

Kanpo estekak

Datuak: Q646981

[HTP-iron-1] 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.

[ASM3-5] 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. ..

[Alvarenga-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.

[:0-15] 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..

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]