鉄の同素体

912  ℃（1,674  °F）以下では、鉄は体心立方格子（bcc）結晶構造を持ち、α鉄またはフェライトとして知られています。熱力学的に安定で、比較的柔らかい金属です。α鉄は、約15GPaまでの圧力に耐えることができ、その後、後述するε鉄と呼ばれる高圧相に変化します。

磁気的には、α鉄は高温では常磁性です。しかし、キュリー温度（T _CまたはA ₂）771  °C（1044K または 1420  °F）^{[ 5 ]}以下では強磁性になります。かつて、α鉄の常磁性形態はベータ鉄（β-Fe）として知られていました。^{[ 6 ] [ 7 ]}強磁性状態におけるわずかな正方晶歪みは真の相転移を構成しますが、この転移の連続性により、鋼の熱処理では重要性は低くなります。A _{2線は、図 1 の}相図でベータ鉄とアルファの領域の境界を形成します。

同様に、A ₂境界は、A ₁ (共析)、A ₃、および A _{cm臨界温度に比べると重要性は低い。}オーステナイトがセメンタイト+ γ-Feと平衡状態にあるA _{cm は}、図 1 の右端より上にある。α + γ 相領域は、厳密には A ₂より上の β + γ 領域である。ベータという表記は、鉄鋼の相のギリシャ文字による進行、すなわち α-Fe、β-Fe、オーステナイト(γ-Fe)、高温 δ-Fe、高圧六鉄(ε-Fe) の連続性を維持している。

低炭素鋼または軟鋼およびほとんどの鋳鉄の室温での主相は強磁性α-Feである。^{[ 8 ] [ 9 ]}ブリネル 硬度は約80である。^{[ 10 ] [ 11 ]}炭素の最大溶解度は727 ℃（1,341 °F）で約0.02重量％ 、 0 ℃（32 °F）で0.001％である。^{[ 12 ]}炭素が鉄に溶解すると、炭素原子は格子間「穴」を占有する。炭素は四面体穴の直径の約2倍であるため、強い局所的な歪み場を導入する。    

軟鋼（炭素含有量が約0.2重量％以下の炭素鋼）は、主にα-Feと、増加するセメンタイト（Fe₃C _、炭化鉄）から構成されています。この混合物は、パーライトと呼ばれる層状構造をとります。ベイナイトとパーライトはいずれもα-Feを成分として含んでいるため、鉄-炭素合金は室温で平衡状態に達すると、必ず一定量のα-Feを含みます。α-Feの量は冷却プロセスによって異なります。

2_つの臨界温度と誘導加熱

β-FeとA ₂臨界温度は、表面硬化熱処理などの鋼の誘導加熱において重要である。鋼は通常、焼入れ焼戻しの 前に900～1000℃でオーステナイト化される。誘導加熱の高周波交流磁場は、キュリー温度以下では抵抗加熱またはジュール加熱と強磁性ヒステリシス損失という2つのメカニズムで鋼を加熱する。A ₂境界を超えると、ヒステリシスメカニズムは消失し、温度上昇1度あたりの必要エネルギー量はA ₂以下よりも大幅に大きくなる。この変化を補償するために、誘導電源のインピーダンスを変化させる負荷整合回路が必要になる場合がある。 ^{[ 13 ]}

鉄を912  ℃（1,674  °F）以上に加熱すると、結晶構造が面心立方格子（fcc）構造に変化します。この状態の鉄はγ鉄（γ-Fe）またはオーステナイト と呼ばれます。γ鉄は、1,146 ℃で質量比で最大2.04%もの炭素を溶解することができます。このγ型の炭素飽和状態は、オーステナイト系ステンレス鋼に見られます。

特異なことに、1,394  °C (2,541  °F) を超えると、鉄は δ-Fe として知られる bcc 構造に戻ります。^{[ 14 ]} δ-鉄は 1,475 °C で質量比で最大 0.08% の炭素を溶解できます 。融点である 1,538  °C (2,800  °F) までは安定です。δ-Fe は 5.2 GPa を超えると存在できず 、代わりにオーステナイトがこれらの高圧で直接溶融相に遷移します。^{[ 15 ]}

約 10〜13 GPa を超える圧力 と約 700 K までの温度では 、α 鉄はε 鉄またはヘキサフェルムとしても知られる六方最密充填(hcp) 構造に変化します。 ^{[ 16 ]}高温の γ 相も ε 鉄に変化しますが、一般的に温度の上昇に伴い、はるかに高い圧力が必要になります。ヘキサフェルム、フェライト、オーステナイトの三重点 は750  Kで 10.5 GPa です。 ^{[ 15 ]} ε-Fe と Mn、Os、Ru の合金で反強磁性が観測されています。^{[ 17 ]}

別の安定形態が存在する場合、少なくとも50  GPaの圧力と少なくとも1,500 Kの温度で出現する可能性があり、斜方晶系または二重hcp構造 を持つと考えられている。 ^{[ 1 ]} 2011年12月現在高圧超高密度炭素同素体に関する最近の実験や現在進行中の実験が行われている。

鉄の融点は、50GPa未満の圧力下では実験的に明確に定義されている 。

より高い圧力では、公表されているデータ（2007年時点）によると、γ-ε-液体の三重点は、数十ギガパスカルの圧力と1000  Kの融点の差がある。一般的に、鉄の融解の分子動力学コンピュータシミュレーションと衝撃波実験は、ダイヤモンドアンビルセルで行われた静的実験よりも高い融点と、はるかに急な融解曲線の傾きを示唆している。^{[ 18 ]}

鉄の融点と沸点、および原子化エンタルピーは、スカンジウムからクロムまでの以前の第3d族元素よりも低く、 3d電子が原子核によって不活性コアにますます引き寄せられるにつれて金属結合への寄与が減少することを示している。^{[ 19 ]}しかし、マンガンの値よりは高い。これは、マンガンが半満殻の3d副殻を持ち、その結果、d電子が容易に非局在化しないためである。この同じ傾向はルテニウムにも見られるが、オスミウムには見られない。^{[ 20 ]}

鉄が結晶構造を変化する正確な温度は、鉄に溶解している他の元素の量と種類によって決まります。異なる固体相間の相境界は、通常、温度と鉄の含有率の関係でプロットされる二元相図に描かれます。クロムなどの一部の元素を添加すると、ガンマ相の温度範囲が狭まりますが、他の元素を添加すると、ガンマ相の温度範囲が広がります。ガンマ相の範囲を狭める元素では、アルファ-ガンマ相境界がガンマ-デルタ相境界とつながり、通常ガンマループと呼ばれるものが形成されます。ガンマループ添加剤を加えると、鉄は体心立方構造に保たれ、鋼が他の固体状態に相転移するのを防ぎます。^{[ 21 ]}