Alotropické Modifikácie Železa

Pri atmosférickom tlaku sa vyskytujú nasledovné alotropické modifikácie: železo α, železo β, železo γ a železo δ. Modifikácia nazývaná železo ε je preukázaná iba na experimentálnej úrovni a je stabilná pri veľmi vysokých tlakoch a teplotách.

Kubická priestorovo centrovaná mriežka

Kubická plošne centrovaná mriežka

Železo začne kryštalizovať pri chladnutí taveniny na úrovni teploty 1 538° C, ako železo δ (často sa označuje aj ako vysokoteplotná modifikácia železa α), ktoré má kubickú priestorovo centrovanú štruktúru (BCC).

Ďalším ochladzovaním sa štruktúra mení na kubickú plošne centrovanú (FCC) od teploty 1 394° C, ktorá má názov železo γ a je paramagnetická. Parameter atómovej mriežky železa γ je približne 3,65 × 10^-10m.

Pri 912° C sa kryštálová štruktúra opäť vracia na kubickú priestorovo centrovanú ako železo β, ktoré je tiež paramagnetické. Ochladenie pod tzv. Curieho teplotou neprináša už žiadnu zmenu v štruktúre, zostáva kubická priestorovo centrovaná štruktúra, ktorá je ale už feromagnetická a označuje sa ako železo α. Hodnota atómovej mriežky železa α (β) závisí na teplote a vzrastá až do 2,9 x 10^-10m. Nemagnetické železo má všetky elektrónové spiny atómov v magnetickej doméne orientované rovnako. Avšak vplyv okolitých magnetických domén s inak orientovanými spinmi sa vzájomne rušia. V zmagnetizovanom železe sú elektrónové spiny v doméne zarovnané, takže magnetický efekt okolitých domén sa znásobuje. Aj keď každá doména obsahuje miliardu atómov, má rozmery približne v stotinách milimetra.

Pri tlaku približne nad 10 GPa a teplote niekoľko stoviek kelvinov sa železo α transformuje do tesne usporiadanej mriežky šesťuholníkovej sústavy (HCP). Táto štruktúra sa označuje ako železo ε. Železo γ sa tiež môže transformovať do železa ε, ale nie je nutné pri tom pôsobiť tak vysokými tlakmi. Tieto fázy sa predpokladajú v pevných častiach planetárnych jadier. Predpokladá sa, že Zemské jadro sa skladá zo zliatiny železo-nikel s fázami ε.

Železo tvorí s rôznymi kovmi a inými prvkami veľmi dôležitú zlúčeninu. Najdôležitejšiu zliatinu tvorí železo s uhlíkom buď ako oceľ alebo ako technické železo resp. liatinu. Podľa ďalšej prídavných, tzv. legujúcich prvkov, je možné vytvoriť mnoho druhov ocelí a liatin s rôznymi vlastnosťami. Pochopenie vlastností alotropickej modifikácie železa je kľúčom k výrobe kvalitnej ocele.

Tuhý roztok uhlíka a železa α resp. β resp. γ resp. δ sa nazývajú ferit α resp. ferit β resp. Austenit resp. ferit δ.

Železo α je stabilná modifikácia železa pri izbovej teplote. Je to mäkký, duktilný materiál, v ktorom je možné rozpustiť veľmi malé množstvo uhlíka; maximálne 0,021 % hm. pri teplote 910° C. Väčšiu rozpustnosť uhlíka umožňuje až železo γ a to až do hodnoty 2,11 % hm. pri 1 146° C.