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大気圧下では、温度に応じて3つの同素体の鉄が存在する。アルファ鉄（α-Fe、フェライト）、ガンマ鉄（γ-Fe、オーステナイト） 、デルタ鉄（δ-Fe）。非常に高い圧力下では、4番目の同素体の鉄であるイプシロン鉄（ε-Fe、六鉄）が存在します。いくつかの議論の余地のある実験的証拠は、非常に高い圧力と温度で安定する5番目の高圧形態の存在を示唆しています。[1]
大気圧での鉄の相は、炭素の溶解度の違いにより異なる種類の鋼が形成されるため重要である。高圧での鉄の相は、惑星の核の固体部分のモデルとして重要である。地球の内核は、ε構造を持つ結晶性の鉄ニッケル合金で本質的に構成されていると一般的に考えられている。 [2] [3] [4]固体の内核を取り囲む外核は、ニッケルと微量のより軽い元素が混ざった液体の鉄で構成されていると考えられている。
標準圧力同素体
アルファ鉄（α-Fe）
912 °C (1,674 °F) 未満では、鉄は体心立方(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。熱力学的に安定しており、かなり柔らかい金属です。α-Fe は、以下で説明する ε-Fe と呼ばれる高圧形態に変化するまでに、最大約 15 GPa の圧力を受けることができます。
磁気的には、α鉄は高温では常磁性である。しかし、キュリー温度（T CまたはA 2）の771 °C（1044Kまたは1420 °F）を下回ると、[5]強磁性になる。かつて、α鉄の常磁性形態はベータ鉄（β-Fe）として知られていた。[6] [7]強磁性状態でのわずかな正方晶系の歪みは真の相転移を構成するが、この転移の連続的な性質は鋼の熱処理においてあまり重要ではない。A 2線は、図1の状態図でベータ鉄とアルファ磁場の境界を形成している。
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 の右端を超えている。 α + γ 相領域は、技術的には、 A 2より上の β + γ 領域である。 ベータ指定は、鉄鋼における相のギリシャ文字進行、すなわち α-Fe、β-Fe、オーステナイト(γ-Fe)、高温 δ-Fe、および高圧六鉄(ε-Fe) の連続性を維持している。
低炭素鋼や軟鋼、およびほとんどの鋳鉄の室温での主相は強磁性α-Feです。[8] [9] 硬度は約80ブリネルです。[10] [11]炭素の最大溶解度は、727℃（1,341℉）で約0.02wt%、0℃（32℉）で0.001%です。[12]炭素が鉄に溶解すると、炭素原子は格子間の「穴」を占めます。炭素は四面体穴の直径の約2倍であるため、強い局所的なひずみ場を生み出します。
軟鋼（炭素含有量が最大約 0.2 wt% の炭素鋼）は、主に α-Fe と、徐々に増加する量のセメンタイト（Fe 3 C、炭化鉄）で構成されています。この混合物は、パーライトと呼ばれる層状構造をしています。ベイナイトとパーライトはそれぞれ α-Fe を成分として含んでいるため、室温で平衡に達すると、どの鉄炭素合金にも一定量の α-Fe が含まれます。α-Fe の量は、冷却プロセスによって異なります。
あ2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す。鋼は通常、焼入れ焼戻しの前に 900～1000 °C でオーステナイト化されます。誘導加熱の高周波交流磁場は、キュリー温度以下で抵抗またはジュール熱と強磁性ヒステリシス損失という 2 つのメカニズムによって鋼を加熱します。A 2境界を超えるとヒステリシス メカニズムが消え、温度上昇 1 度あたりの必要なエネルギー量は A 2未満よりも大幅に大きくなります。この変化を補正するために、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ります。 [13]
ガンマ鉄（γ-Fe）
鉄を 912 °C (1,674 °F) 以上に加熱すると、結晶構造が面心立方(fcc) 結晶構造に変化します。この形態では、鉄はガンマ鉄 (γ-Fe) またはオーステナイトと呼ばれます。γ-鉄は、かなり多くの炭素を溶解できます (1,146 °C で質量の 2.04% にも達します)。この γ 形態の炭素飽和は、オーステナイト系ステンレス鋼に見られます。
デルタ鉄（δ-Fe）
奇妙なことに、1,394 °C (2,541 °F) を超えると、鉄は δ-Fe として知られる体心立方構造に戻ります。[14] δ-鉄は 1,475 °C で質量の 0.08% もの炭素を溶解することができます。1,538 °C (2,800 °F) の融点まで安定しています。δ-Fe は 5.2 GPa を超えると存在できず、代わりにこれらの高圧下ではオーステナイトが直接溶融相に遷移します。[15]
高圧同素体
イプシロン鉄/六鉄(ε-Fe)
約 10-13 GPa 以上の圧力と約 700 K までの温度で、α 鉄は六方最密充填(hcp) 構造に変化します。これは ε 鉄またはヘキサフェラムとも呼ばれます。[16]より高温の γ 相も ε 鉄に変化しますが、一般に温度が上昇するにつれてはるかに高い圧力が必要になります。ヘキサフェラム、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 の合金では 反強磁性が観測されています。[17]
実験的高温高圧
代替の安定形態が存在する場合、少なくとも50GPaの圧力と少なくとも1,500K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ます。[1] 2011年12月現在[アップデート]、高圧および超高密度炭素同素体に関する最近の実験と進行中の実験が行われています。
相転移
融点と沸点
鉄の融点は、50 GPa 未満の圧力では実験的に明確に定義されています。
より高い圧力の場合、公表されたデータ（2007年現在）によると、γ-ε液体三重点は圧力で数十ギガパスカル、融点では1000Kの差がある。一般的に言えば、鉄の融解と衝撃波実験の分子動力学コンピュータシミュレーションは、ダイヤモンドアンビルセルで行われた静的実験よりも融点が高く、融解曲線の傾斜がはるかに急であることを示唆している。[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引き寄せられるにつれて金属結合への3d電子の寄与が減少することを示している。[19]しかし、マンガンの場合は3d電子殻が半分埋まっており、その結果d電子が非局在化しにくいため、それらの値は以前の元素マンガンの値よりも高い。この傾向はルテニウムでは見られるが、オスミウムでは見られない。[20]
構造相転移
鉄が一つの結晶構造から別の結晶構造に転移する正確な温度は、鉄に溶解している他の元素の量と種類によって異なります。異なる固体相間の相境界は、通常、温度対鉄の割合として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、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を形成します。ガンマループ添加剤を添加すると、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]
参照
参考文献
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