Raua allotroopid: ferriit, austeniit, δ- ja ε-raud selgitatud

Süvitsi selgitus raua allotroopidest: ferriit (α), austeniit (γ), δ- ja kõrgsurve ε-raud — omadused, temperatuuripiirid ja roll metallurgias.

Raud on hea näide allotroopsete metallide käitumisest: sama keemiline element võib erinevates temperatuurides ja rõhkudes eksisteerida eri kristallstruktuurides (allotroopidena). Puhas raud näitab peamisi faase α (ferriit), γ (austeniit), δ ja kõrgrõhulise ε-raud. Eksisteerivad ka ajutised või ekstreemsetes tingimustes tekkivad vormid; viiendat, kindlalt kinnitatud püsivalt erinevat allotroopi, ei ole lõplikult tõestatud.

Temperatuurilised vahemikud ja kristallstruktuurid

Allpool on põhilised raua allotroopide vahemikud ja omadused (puhta raua korral, atmosfäärirõhul):

• α-raud (ferriit) – eksisteerib alla umbes 912 °C. Kristallstruktuur on kehasentrumiline kuupvõre (body-centered cubic, BCC). α-raud on ferromagnetne kuni Curie-temperatuurini umbes 770 °C; selle kohal muutub sama BCC-struktuur paramagneetiliseks ja seda mõnikord nimetatakse ajutiselt β-raud (β‑ferriit), kuni toimub üleminek γ-faasi.
• γ-raud (austeniit) – stabiilne ligikaudu 912–1394 °C. Kristallstruktuur on pinnakeskne kuupvõre (face-centered cubic, FCC). γ‑raud on paramagneetne ning selle kuju- ja ruumiliste omaduste tõttu on see oluliselt oluline metallurgias (näiteks süsiniku ja legeerainete lahustuvus on suurem kui α‑faasis).
• δ-raud – eksisteerib kõrgel temperatuuril umbes 1394–1538 °C (1538 °C on puhta raua sulamistemperatuur). Struktuur on taas BCC‑laadne (sarnane α‑raudadega), kuid see faas on ainult kõrgetel temperatuuridel enne sulamist.
• ε-raud (epsilon‑raud) – tekib kõrge rõhu korral ja on heksagonaalne lähedaselt pakkiv (hexagonal close-packed, HCP). Seda faasi täheldatakse katsetes tavaliselt üle mõne gigapaskali taseme; kirjanduses on levinud hinnang üleminekuks umbes üle ~13 gigapaskali (GPa), sõltuvalt temperatuurist ja proovitingimustest. ε‑faasi uurimine on oluline Maa siseehituse ja kõrgrõhukütuse mõistmiseks.

Mida tähendab „beeta‑ferriitraud” ja magnetism

Termin beeta‑ferriit (β‑Fe) on ajalooline nimetus α‑faasi kohta, mis on soojendamisel muutunud paramagnetiliseks (st magnetilised momendid on häiritud) kuid säilitanud BCC‑struktuuri, enne kui toimub üleminek γ‑faasi. Seega magnetilised omadused ja kristallstruktuur ei muutu alati samal temperatuuril – see on mündil kaks külge, mida metallurgid arvestavad.

Miks see metallurgias oluline on

• Allotroopilised üleminekud määravad, millal ja kuidas rauast või terasest tekivad eri faasid kuumutamisel ja jahutamisel — see mõjutab kõvadust, sitkust ja töötlemisvõimalusi.
• Süsinik ja muud legeerained muudavad üleminekutemperatuure: näiteks terases stabiliseerib süsinik γ‑faasi ja muudab jahutamisel tekkivaid faase (martensiit, bainiit jne).
• Teadmised α/γ/δ/ε‑üleminekute kohta on aluseks terasetöötlemise protsessidele nagu karkasskuumutamine, karastamine ja rekristalliseerimine.

Ekstreemsed tingimused ja muud vormid

Laborikatsetes ja Maa sisemuse tingimustes on leitud lisafaaside ja üleminekute tunnuseid, sh eri rõhk‑temperatuuri rajad, kus võivad tekkida lühiajalised või metastabiilsed struktuurid. Mõned katseandmed viitavad võimalikele teistele struktuuridele ekstreemsetes tingimustes, kuid nende püsivust ja tähendust ei ole alati lõplikult kinnitatud. Seetõttu kõnelevad teadlased vahel „potentsiaalsest viiendast vormist”, kuid selliste leidude kinnitamine nõuab korduvaid ja kontrollitud katseid.

Praktiline kokkuvõte

Raud näitab tüüpilist käitumist, kus sama elementil on mitu allotroopilist faasi, mille vahel toimuvad korduvad üleminekud sõltuvalt temperatuurist ja rõhust. Need faasid (α/ferriit, γ/austeniit, δ ja ε) erinevad kristallstruktuuri ja magnetiliste omaduste poolest ning määravad oluliselt rauast materjalide mehaanika‑ ja töötlemisomadused. Metallitööstuses kasutatakse neid teadmisi, et juhtida terase omadusi läbi kuumtöötluse ja legeerimise.

Küsimused ja vastused

K: Mis on raua allotroopid?

K: Mitu raua allotroopi on olemas?

K: Mis on α-raua teine nimetus?

K: Mis on γ-raua teine nimetus?

K: Milline on raua vorm, mis eksisteerib allpool 1538 °C?

K: Mis on beeta-ferriitraud?

K: Mis on alfa-raud?

Otsing