Чисте залізо фазові перетворення

Нижче температури 912 ° С залізо називають ферритом або альфа-залізом. Атоми в фериті організовані в об'ємно-центрованої (ОЦК) кристалічну структуру. Вище 912 ° С залізо називають аустенітом або гамма-залізом.

Атоми в аустените організовані в гранецентрированную (ГЦК) кристалічну структуру. Нагрівання фериту до 912 ° С призводить до утворення дрібних зерен аустеніту на кордонах феритних зерен. Подальший нагрів призводить до зростання цих нових аустенітних зерен з повною заміною старих феритних зерен на нові аустенітні - відбуваються перетворення в залозі.

При охолодженні нижче температури 912 ° С в залозі відбуваються перетворення такого ж типу, тільки в зворотному напрямку - зерна фериту замінюють аустенітні зерна.

Перетворення фериту в аустеніт

Якщо чисте залізо нагріти до температури 912 ° С, то в ньому відбуваються якісь «чудесні» перетворення. кристалічна структура заліза спонтанно перетворюється з об'емноцетрірованной кубічної (ОЦК) в гранецентрированную кубічну (ГЦК). Ці обидві структури заліза показані на малюнках 1 і 2. Як і говорять їх назви, в (ОЦК) -структурі атоми знаходяться по кутах куба і в його центрі, а в (ГЦК) -структурі - по кутах куба і в центрі з кожної з шести граней куба. Як і низькотемпературна (ОЦК) -Структура, (ОЦК) -Структура має дві назви: аустеніт і гамма-залізо (γ-залізо). Буква γ - третя буква в грецькому алфавіті.

Малюнок 1 - об'ємно-центрованої кубічна (ОЦК)
кристалічна решітка фериту

Малюнок 2 - гранецентрованих кубічних (ГЦК)
кристалічна решітка аустеніту

Бета-залізо

Є в перетворенні заліза і свої загадки. Де бета-залізо (β-залізо), по другій букві грецького алфавіту? Відповідь така: раніше таке залізо «було», а зараз - його вже немає. Справа в тому, що коли вчені відкрили структуру заліза в кінці 19-го століття, через магнітного переходу заліза при 770 ° С, вони вирішили, що існує ще одне перетворення заліза. з альфа-заліза в бета-залізо. Потім виявилося, що це була помилка (і так буває у вчених!), І β-залізо просто «скасували».

Перетворення феритних зерен в аустенітні

Коли Феритний залізо нагрівають до температури 912 ° С, старий склад феритних зерен змінюється в новий склад зерен, вже аустенітних - в залозі відбувається перетворення.

Уявіть, що феритної зерен структура щойно досягла температури перетворення. Спочатку ми бачимо утворення нових, дуже дрібних аустенітних зерен, які накладаються на старі кордони феритних зерен. Потім ці зерна ростуть, поки всі старі ферритні зерна не зникнуть.

При перетворенні фериту в аустеніт відбувається два важливих явища:

1) Так само як і при перетворенні льоду в воду, перетворення залозі з фериту в аустеніт вимагає теплової енергії. Тому при нагріванні температура заліза залишатиметься при температурі близько 912 ° С, поки все ферритні зерна не перетворяться в аустенітні.

2) При перетворенні фериту в аустеніт відбуваються об'ємні зміни. Щільність аустеніту на 2% вище, ніж фериту, що означає, що атом аустеніту займає менший обсяг, ніж атом фериту.

Всі перетворення в залозі, які відбуваються при його нагріванні, зображені схематично на малюнку 3.

Експерименти з перетвореннями в залозі

Два простих експерименту наочно демонструють фазові перетворення в залозі.

Експеримент №1. Нагріти залізний пруток до температури вище 770 ° С і підвісити його охолоджуватися на повітрі. Піднести до прутки магніт. Коли температура досягне 770 ° С, гарячий пруток почне притягатися до магніту. Як показує діаграма на малюнку 4 феррит (альфа-залізо) є магнітним тільки нижче 770 ° С, аустеніт (гамма-залізо) ніколи не буває магнітним.

Експеримент №2. Залізну дріт натягнути горизонтально між двома електричними ізоляторами на відстані близько 1 м. Підвісити невеликий вантаж в центрі дроту. Пропустити через дріт електричний струм так, щоб нагріти дріт вище 912 ° С - до оранжево-жовтого кольору. Піднімати напругу потрібно повільно за допомогою джерела струму зі змінною потужністю. Коли дріт нагріється, вона подовжиться і вантаж трохи опуститься. Після цього потрібно відключити від дроту напруга і спостерігати її охолодження в затемненій кімнаті. При досягненні дротом температури 912 ° С можна спостерігати два явища:
1) Коли дріт буде охолоджуватися, буде відбуватися зменшення її довжини, і грузик почне підніматися. Однак при 912 ° С буде спостерігатися тимчасове опускання вантажу: якраз в той час, коли аустеніт перейде в ферит з меншою щільністю і від цього дріт трохи подовжиться.
2) Тепло, яке виділяється при перетворенні аустеніту в ферит, буде приводити до видимого мерехтіння кольору нагрітої дроту.

Обидва ці явища можна спостерігати в зворотному порядку і при нагріванні, але в цьому випадку вони не так добре видно через труднощі швидкого нагріву дроту.

Перетворення в залозі

Щоб зрозуміти, чому при перетворенні аустеніту в ферит відбувається виділення тепла, треба згадати перетворення льоду в воду. Дійсно, воду необхідно охолоджувати, щоб перетворити її в лід. Це означає, що тепло віднімається від рідини при температурі замерзання. Той же самий ефект відбувається при «замерзанні» металу: тепло віднімається від металу. Тому, коли рідкий метал охолоджують до точки затвердіння, то при температурі затвердіння відбувається виділення тепла. При переході рідкого стану в тверде тіло відбуваються фазовий перетворення між рідкою фазою і твердою фазою. Фазові перетворення, які відбуваються при охолодженні, виділяють тепло.

Коли при охолодженні аустеніту він перетворюється в ферит - це теж фазове перетворення. але вже твердого стану в тверде же стан і в ході його також виділяється тепло. При нагріванні відбувається зворотне: коли феррит переходить в аустеніт, тепло поглинається.