§ 24. Железо

Железо плавится при 1536°С. В твердом состоянии оно существует в двух аллотропических формах. От точки плавления до 1390°С железо имеет объемноцентрированную кубическую решетку и обозначается как δ-железо. В интервале температур от 1390 до 910°С оно имеет гранецентрированную кубическую решетку и обозначается как γ-железо. Ниже 910°С железо вновь приобретает объемноцентрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая форма носит название α-железо. Таким образом, δ-железо и α-железо обладают одинаковой кристаллографической структурой.

В процессе охлаждения в α-железе при 770 - 768°С происходит магнитное превращение, и оно из парамагнитного состояния переходит в ферромагнитное. Плавление и переходы δ γ и γα являются типичными нонвариантными превращениями и совершаются при постоянной температуре, поскольку в однокомпонентной конденсированной системе при наличии двух фаз число степеней свободы равно С = К-Ф+1 = 1-2+1 = 0 (см. § 7). Эти превращения называются фазовыми превращениями первого рода. В отличие от них магнитное превращение при 768 - 770°С не связано с появлением новой фазы и образованием межфазной поверхности раздела. Такие превращения называются превращениями второго рода. Они сопровождаются определенным тепловым эффектом, но происходят не при строго постоянной температуре, а в некотором температурном интервале, хотя иногда очень узком. Переход железа из парамагнитного в ферромагнитное состояние связан с тем, что в отдельных участках кристаллов магнитные моменты атомов самопроизвольно выстраиваются в одном направлении. Это становится возможным после того, как тепловые колебания атомов в достаточной мере уменьшились. Температура перехода в ферромагнитное состояние называется точкой Кюри.

Фазовые переходы в железе имеют общепринятые обозначения. Все они обозначаются буквой А. Если рассматривают нагрев, то букву А снабжают значком с. Если рассматривают охлаждение, то ставят значок r. Превращение δ→γ обозначается Аr₄, превращение γ→δ-Ас₄, превращение γ→α-Аr₃, а α→γ-Ас₃. По термодинамическим причинам (см. § 7) температуры превращений при охлаждении всегда несколько ниже, чем при нагревании. Магнитное превращение при 768 - 770°С обозначают А₂. Таким образом, в чистом железе происходят превращения: А₂ (768 - 770°С), А₃ (910°С), А₄ (1390°С). Превращение А₁ присуще лишь сплавам железа с углеродом (см. далее).

В процессе превращения Ас₃, когда объемноцентрированная кубическая решетка сменяется гранецентрированной кубической, наблюдается уменьшение объема примерно на 1%. Превращение Аr₃ связано с такими же по величине увеличением объема. Во время превращения А₄ происходят подобные же изменения объема. Из-за этих объемных изменений в металле возникают напряжения, могущие вызвать пластическую деформацию и даже разрушение.