Alotropije Željeza

Čisto željezo ima u dva područja volumno centriranu kubičnu kristalnu strukturu, a u temperaturnom meduintervalu plošno centriranu kubičnu kristalnu strukturu. Velik broj željeznih slitina zadržava to svojstvo, koje je osnova za najznačajnije toplinske obrade.

Kada otopimo čisto željezo, a zatim ga dovoljno sporo hladimo, on se počinje skrućivati na temperaturi od 1538 ºC i stvara volumno centriranu kubičnu kristalnu strukturu, koju nazivamo delta-željezo (δ-Fe), sve do temperature od 1392 ºC. Ispod temperature od 1392 ºC željezo počinje mijenjati kristalnu strukturu u plošno centriranu kubičnu kristalnu rešetku. Željezo s takvom kristalnom rešetkom se naziva gama-željezo ili austenit (γ-Fe). Austenit je postojan sve do 911 ºC, kada ponovo mijenja kristalnu strukturu. Na temperaturi od 911ºC nastaje ferit ili alfa-željezo (α -Fe). Do temperature od 768 ºC ili Curieve temperature ova modifikacija željeza je nemagnetična (i nekad pogrešno nazvana beta-željezo ili β-Fe). Ispod ove temperature α-Fe postaje magnetično. Navedena pojava vezana je uz promjenu unutrašnje energije, električne vodljivosti itd.

Temperature pretvorbe jednog alotropskog oblika željeza u drugi jako ovisi o brzini promjene temperature. Pri ravnotežnom (dovoljno sporom) stabilnom ohlađivanju i zagrijavanju pretvorbe su pri istim temperaturama. Pri neravnotežnom (brzom) metastabilnom ohlađivanju i zagrijavanju postoje odstupanja od ravnoteže i to: pri zagrijavanju su odstupanja su prema višim vrijednostima temperaturama, a pri ohlađivanju prema nižima. Odstupanje je razmjerno brzini promjene temperature i naziva se temperaturna histereza temperatura pretvorbi.

Delta-željezo (δ-Fe) predstavlja krutu otopinu ugljika u volumno centriranoj kubičnoj kristalnoj strukturi željeza, nemagnetičn je, te se javlja odmah nakon skrućivanja, na temperaturi od 1538 ºC sve do temperature od 1392 ºC. Njegova maksimalna topljivost ugljika iznosi 0,09% C pri temperaturi od 1456 ºC.

Gama-željezo ili austenit (γ-Fe) je naziv za intersticijsku čvrstu otopinu (ugljik se otapa u čvrstom željezu jer su njegovi atomi puno manji) ugljika u gama-željezu (γ-Fe) s plošno centriranom kubičnom kristalnom rešetkom. Maksimalna topivost ugljika u austenitu je 2,06 % kod 1147 ºC. Austenit nije stabilan na sobnoj temperaturi, ali se može pod određenim uvjetima dobiti i na sobnoj temperaturi (kaljenje). Uglavnom je stabilan u području od 911 ºC do 1392 ºC. Za naziv je zaslužan engleski metalurg William Chandler Roberts-Austen (1843. – 1902.). Tvrdoća austenita je 170-220 HB (tvrdoća po Brinellu) i vrlo je žilav.

Alfa-željezo ili ferit (α -Fe) je naziv za intersticijsku čvrstu otopinu (ugljik se otapa u čvrstom željezu jer su njegovi atomi puno manji) ugljika u alfa-željezu (α-Fe) s volumno centriranom kubičnom kristalnom strukturom. Maksimalna topivost ugljika u α-Fe je 0,025 % kod 723 ºC i samo 0,008 % na sobnoj temperaturi. To je najmekša faza u dijagramu stanja (fazni dijagram) željezo – ugljik. Ferit je kristalna struktura koja daje čeliku i lijevanom željezu magnetska svojstva; to je klasičan primjer feromagnetičnog materijala. Ferit ima vlačnu čvrstoću 280 N/mm² i tvrdoću oko 80 HB (tvrdoća po Brinellu). Istezljivost ferita je do 35%.