Allotroper af jern: α, γ, δ og ε-faser, temperaturer og egenskaber

Allotroper af jern: lær om α, γ, δ og ε-faser, deres temperaturgrænser, magnetiske og mekaniske egenskaber samt faseovergange.

Jern er det mest anvendte eksempel på et metal med allotroper. Allotroper er forskellige krystallinske modificationer af samme grundstof, der har forskellig atomopbygning og dermed forskellige fysiske og magnetiske egenskaber. For jern omtales de almindeligst som α‑jern (ferrit), γ‑jern (austenit), δ‑jern og ved høje tryk ε‑jern (hexaferrum). Der har også været rapporter om andre kortlivede eller betingede former, men en femte stabil form er ikke entydigt påvist.

Faser, strukturer og temperaturintervaller

• α‑jern (ferrit): Kroppscentreret kubisk (BCC). Stabil ved stuetemperatur op til cirka 912 °C. Ved temperaturer under Curie‑punktet (~770 °C) er α‑jern ferromagnetisk.
• β‑ferrit: Historisk betegnelse for det paramagnetiske BCC‑jern, som α‑jern bliver over Curie‑temperaturen (~770 °C) men stadig under 912 °C. Betegnelsen bruges for at skelne magnetiske tilstande, ikke for en ny krystalstruktur.
• γ‑jern (austenit): Fladecentreret kubisk (FCC). Dannes ved opvarmning af α‑jern ved ca. 912 °C og er stabil i intervallet cirka 912–1394 °C. (Se Austenit.)
• δ‑jern: Igen BCC‑struktur; stabil ved høje temperaturer fra omtrent 1394 °C op til smeltepunktet ved cirka 1538 °C. Ved smeltning overgår jern til flydende tilstand.
• ε‑jern (hexaferrum): Hexagonal tæt pakket (HCP). Forekommer ved høje tryk; eksperimenter viser omdannelse ved cirka 10–13 GigaPascal (afhængigt af temperatur og prøveforhold). Denne fase er relevant for forståelsen af jern under Jordens indre trykforhold.

Magnetiske egenskaber

Et vigtigt kendetegn ved jern er sammenkoblingen mellem krystallinsk struktur og magnetisme:

• α‑jern er ferromagnetisk under Curie‑temperaturen (~770 °C). Over dette punkt bliver det paramagnetisk — denne paramagnetiske form omtales ofte som β‑ferrit.
• γ‑ og δ‑jern er generelt paramagnetiske ved de tilsvarende temperaturer (selvom detaljerede magnetiske egenskaber kan variere med tryk og urenheder).
• ε‑jerns magnetiske egenskaber afhænger af tryk og temperatur og undersøges aktivt i højtryksfysik; ved meget høje tryk kan magnetismen svækkes eller forsvinde.

Betydning for materialer og stål

Allotroperne for rent jern er grundlaget for forståelsen af stål og jernlegeringers mikrostruktur. Tilstedeværelsen af kulstof og andre legeringselementer ændrer stabilitetsområderne for de forskellige faser og fører til dannelse af yderligere mikrostrukturer (fx martensit, cementit), som ikke er allotrope former af rent jern, men sammensatte faser i legeringer. Kontrol af opvarmning/afkøling og tryk gør det muligt at styre egenskaber som styrke, sejhed og magnetisme i tekniske materialer.

Praktiske bemærkninger og usikkerheder

• De angivne temperatur‑ og trykgrænser er cirka‑værdier. Eksakte grænser afhænger af renheden af jernet, prøvestørrelse, opvarmnings‑/afkølingshastighed og om der er til stede tryk eller spændinger.
• ε‑jern kræver høje tryk og er derfor primært af interesse i geofysik og højtryksforskning; laboratorieeksperimenter kan give forskellige tærskler (typisk i området 10–13 GPa).
• Begrebet β‑ferrit refererer til en magnetisk tilstand (paramagnetisk BCC) og bruges mindre i moderne beskrivelser, hvor man normalt taler om α‑jern med angivelse af magnetisk tilstand.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er allotroper af jern?

Q: Hvor mange allotroper af jern findes der?

Q: Hvad er det andet navn for α-jern?

Q: Hvad er det andet navn for γ-jern?

Q: Hvad er den form for jern, der findes under 1538°C?

Q: Hvad er betaferritjern?

Q: Hvad er alfajern?

Søg efter bogstav