Alótropos de ferro

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Diagrama de fase de baixa pressão de ferro puro. BCC é cúbica de corpo centrado e FCC é cúbica de face centrada .
Diagrama de fases eutéticas ferro-carbono , mostrando várias formas de substâncias Fe x C y .
Alótropos de ferro, mostrando as diferenças na estrutura. O ferro alfa (α-Fe) é uma cúbica de corpo centrado (BCC) e o ferro gama (γ-Fe) é uma cúbica de face centrada (FCC).

À pressão atmosférica , existem três formas alotrópicas de ferro , dependendo da temperatura: ferro alfa (α-Fe), ferro gama (γ-Fe) e ferro delta (δ-Fe). Em pressões muito altas, existe uma quarta forma, chamada ferro épsilon (ε-Fe) . Algumas evidências experimentais controversas sugerem a existência de uma quinta forma de alta pressão que é estável a pressões e temperaturas muito altas. [1]

As fases do ferro à pressão atmosférica são importantes devido às diferenças na solubilidade do carbono , formando diferentes tipos de aço . As fases de alta pressão do ferro são importantes como modelos para as partes sólidas dos núcleos planetários. O núcleo interno da Terra é geralmente assumido como consistindo essencialmente de uma liga cristalina de ferro- níquel com estrutura ε. [2] [3] [4] Acredita-se que o núcleo externo ao redor do núcleo interno sólido seja composto de ferro líquido misturado com níquel e vestígios de elementos mais leves.

Alótropos de pressão padrão

Ferro alfa (α-Fe)

Abaixo de 912 °C (1.674 °F), o ferro tem uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (bcc) e é conhecido como α-ferro ou ferrita . É termodinamicamente estável e um metal bastante macio. O α-Fe pode ser submetido a pressões de até ca. 15 GPa antes de se transformar em uma forma de alta pressão denominada ε-Fe discutida abaixo.

Magneticamente, o α-ferro é paramagnético em altas temperaturas. No entanto, abaixo de sua temperatura Curie (T C ou A 2 ) de 771 ° C (1044 K ou 1420 ° F), [5] torna-se ferromagnético . No passado, a forma paramagnética do α-ferro era conhecida como Beta ferro (β-Fe). [6] [7] Embora a ligeira distorção tetragonal no estado ferromagnético constitua uma verdadeira transição de fase, a natureza contínua desta transição resulta em pouca importância no tratamento térmico do aço . O A 2 forma a fronteira entre os campos de ferro beta e alfa no diagrama de fasena Figura 1.

Da mesma forma, a A 2 é apenas de menor importância em comparação com as temperaturas críticas A 1 ( eutetóide ), A 3 e A cm . O A cm , onde a austenita está em equilíbrio com cementita + γ-Fe, está além da borda direita na Fig. 1. O campo de fase α + γ é, tecnicamente, o campo β + γ acima do A 2 . A designação beta mantém a continuidade da progressão de letras gregas de fases em ferro e aço: α-Fe, β-Fe, austenita (γ-Fe), δ-Fe de alta temperatura e hexaferrum de alta pressão (ε-Fe) .

Volume molar vs. pressão para α-Fe à temperatura ambiente.

A fase primária do aço de baixo carbono ou aço macio e da maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é o α-Fe ferromagnético . [8] [9] Tem uma dureza de aproximadamente 80 Brinell . [10] [11] A solubilidade máxima do carbono é de cerca de 0,02% em peso a 727°C (1.341°F) e 0,001% a 0°C (32°F). [12] Quando se dissolve em ferro, os átomos de carbono ocupam "buracos" intersticiais. Sendo cerca de duas vezes o diâmetro do buraco tetraédrico , o carbono introduz um forte campo de deformação local.

O aço doce (aço carbono com até cerca de 0,2% em peso de C) consiste principalmente de α-Fe e quantidades crescentes de cementita (Fe 3 C, um carboneto de ferro). A mistura adota uma estrutura lamelar chamada perlita . Como a bainita e a perlita contêm α-Fe como componente, qualquer liga ferro-carbono conterá alguma quantidade de α-Fe se for permitido atingir o equilíbrio à temperatura ambiente. A quantidade de α-Fe depende do processo de resfriamento.

A 2 temperatura crítica e aquecimento por indução

Figura 1: O campo beta e a temperatura crítica A 2 no lado rico em ferro do diagrama de fases ferro-carbono. [5]

O β-Fe e a temperatura crítica A 2 são importantes no aquecimento por indução do aço, como para tratamentos térmicos de endurecimento superficial. O aço é tipicamente austenitizado a 900–1000°C antes de ser temperado e revenido . O campo magnético alternado de alta frequência do aquecimento por indução aquece o aço por dois mecanismos abaixo da temperatura de Curie: aquecimento por resistência ou Joule (I 2 R) e perdas por histerese ferromagnética . Acima de A 2 , o mecanismo de histerese desaparece e a quantidade necessária de energia por grau de aumento de temperatura é substancialmente maior do que abaixo de A 2 . Circuitos de correspondência de carga podem ser necessários para variar oimpedância na fonte de alimentação de indução para compensar a mudança. [13]

Ferro gama (γ-Fe)

Ao aquecer o ferro acima de 912 ° C (1.674 ° F), sua estrutura cristalina muda para uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (fcc). Nesta forma é chamado de ferro gama (γ-Fe) ou Austenita . O ferro γ pode dissolver consideravelmente mais carbono (até 2,04% em massa a 1.146 °C). Esta forma γ de saturação de carbono é exibida em aço inoxidável .

Ferro delta (δ-Fe)

Curiosamente, acima de 1.394 ° C (2.541 ° F), o ferro muda de volta para a estrutura bcc, conhecida como δ-Fe. [14] O δ-ferro pode dissolver até 0,08% de carbono em massa a 1.475 °C. É estável até seu ponto de fusão de 1.538 ° C (2.800 ° F).

Alótropos de alta pressão

Ferro Epsilon / Hexaferrum (ε-Fe)

Em pressões acima de aproximadamente 10 GPa e temperaturas de algumas centenas de kelvin ou menos, o α-ferro muda para uma estrutura hexagonal compacta (hcp), que também é conhecida como ε-ferro ou hexaferrum; [15] a fase γ de temperatura mais alta também se transforma em ε-ferro, mas o faz a uma pressão mais alta. Antiferromagnetismo em ligas de épsilon-Fe com Mn, Os e Ru foi observado. [16]

Alta temperatura e pressão experimentais

Uma forma estável alternativa, se existir, pode aparecer em pressões de pelo menos 50 GPa e temperaturas de pelo menos 1.500 K; acredita-se que tenha uma estrutura ortorrômbica ou dupla hcp. [1] Em dezembro de 2011 , experimentos recentes e em andamento estão sendo conduzidos em alótropos de carbono de alta pressão e superdenso .

Transições de fase

Pontos de fusão e ebulição

O ponto de fusão do ferro é experimentalmente bem definido para pressões inferiores a 50 GPa.

Para pressões maiores, dados publicados (a partir de 2007) colocam o ponto triplo γ-ε-líquido em pressões que diferem em dezenas de gigapascals e 1000 K no ponto de fusão. De um modo geral, simulações de computador de dinâmica molecular de experimentos de fusão de ferro e ondas de choque sugerem pontos de fusão mais altos e uma inclinação muito mais acentuada da curva de fusão do que os experimentos estáticos realizados em células de bigorna de diamante . [17]

Os pontos de fusão e ebulição do ferro, juntamente com sua entalpia de atomização , são menores do que os dos elementos 3d do grupo anterior, do escândio ao cromo , mostrando a menor contribuição dos elétrons 3d para a ligação metálica à medida que são atraídos cada vez mais para o interior do ferro. núcleo inerte pelo núcleo; [18] no entanto, eles são maiores do que os valores para o elemento manganês anterior porque esse elemento tem uma subcamada 3d meio preenchida e, consequentemente, seus elétrons d não são facilmente deslocalizados. Esta mesma tendência aparece para o rutênio, mas não para o ósmio. [19]

Transições de fase estruturais

As temperaturas exatas nas quais o ferro fará a transição de uma estrutura cristalina para outra dependem de quanto e de que tipo de outros elementos são dissolvidos no ferro. O limite de fase entre as diferentes fases sólidas é desenhado em um diagrama de fases binário , geralmente representado como temperatura versus porcentagem de ferro. A adição de alguns elementos, como o cromo , reduz a faixa de temperatura da fase gama, enquanto outros aumentam a faixa de temperatura da fase gama. Em elementos que reduzem a faixa de fase gama, o limite de fase alfa-gama conecta-se com o limite de fase gama-delta, formando o que geralmente é chamado de loop Gamma . A adição de aditivos Gamma loop mantém o ferro em uma estrutura cúbica de corpo centrado e evita que o aço sofratransição de fase para outros estados sólidos. [20]

Veja também

Referências

  1. ^ a b Boehler, Reinhard (2000). "Experiências de alta pressão e o diagrama de fases do manto inferior e materiais do núcleo". Comentários de Geofísica . União Geofísica Americana. 38 (2): 221–245. Bibcode : 2000RvGeo..38..221B . doi : 10.1029/1998RG000053 . S2CID  33458168 .
  2. ^ Cohen, Ronald; Stixrude, Lars. "Cristal no Centro da Terra" . Arquivado a partir do original em 5 de fevereiro de 2007 . Recuperado em 2007-02-05 .
  3. ^ Stixrude, Lars; Cohen, RE (março de 1995). "Elasticidade de alta pressão de ferro e anisotropia do núcleo interno da Terra". Ciência . 267 (5206): 1972-5. Bibcode : 1995Sci...267.1972S . doi : 10.1126/science.267.5206.1972 . PMID 17770110 . S2CID 39711239 .  
  4. ^ "O que está no centro da Terra?" . BBC News . 31 de agosto de 2011.
  5. ^ a b Diagramas de fase da liga . Manual ASM. Vol. 3. ASM Internacional. 1992. pp. 2.210, 4.9. ISBN 978-0-87170-381-1.
  6. ^ DK Bullens e outros , Steel and Its Heat Treatment, Vol. I, Quarta Ed. , J. Wiley & Sons Inc., 1938, p. 86.
  7. ^ Avner, SH (1974). Introdução à metalurgia física (2ª ed.). McGraw-Hill. pág. 225. ISBN 978-0-07-002499-1.
  8. Maranian, Peter (2009), Reducing Brittle and Fatigue Failures in Steel Structures , New York: American Society of Civil Engineers, ISBN 978-0-7844-1067-7.
  9. ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química dos Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  10. ^ Estrutura de aço liso , recuperada 2008-10-21.
  11. Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (janeiro de 2015). "Influência da Morfologia e Microestrutura do Carboneto na Cinética da Descarbonetação Superficial de Aços C-Mn". Metall Mater Trans A . 46 (1): 123–133. Bibcode : 2015MMTA...46..123A . doi : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 . 
  12. ^ Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais (4ª ed.). McGraw-Hill. pág. 363. ISBN 0-07-295358-6.
  13. ^ Semiatina, SL; Stutz, DE (1986). Tratamento Térmico por Indução do Aço . ASM Internacional. págs. 95-98. ISBN 978-0-87170-211-1.
  14. ^ Lyman, Taylor, ed. (1973). Metalografia, Estruturas e Diagramas de Fases . Manual de Metais. Vol. 8 (8ª edição). Metals Park, Ohio: ASM International. OCLC 490375371 . 
  15. ^ Mathon O; Baudelet F; Itié JP; Poliana A; d'Astuto M; Chervin JC; Pascarelli S (14 de dezembro de 2004). "Dinâmica da transição de fase alfa-épsilon magnética e estrutural em ferro". Cartas de Revisão Física . 93 (25): 255503. arXiv : cond-mat/0405439 . Bibcode : 2004PhRvL..93y5503M . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.255503 . PMID 15697906 . S2CID 19228886 .  
  16. ^ GC Fletcher; RP Adis (novembro de 1974). "O estado magnético da fase de ferro" (PDF) . Jornal de Física F: Física de Metais . Vol. 4, não. 11. pág. 1954. Bibcode : 1974JPhF....4.1951F . doi : 10.1088/0305-4608/4/11/020 . Recuperado em 30 de dezembro de 2011 .
  17. ^ Boehler, Reinhard; Ross, M. (2007). "Propriedades de rochas e minerais_fusão de alta pressão". Física Mineral . Tratado de Geofísica. Vol. 2. Mais. págs. 527–41. doi : 10.1016/B978-044452748-6.00047-X . ISBN 9780444527486.
  18. ^ Greenwood e Earnshaw, p. 1116
  19. ^ Greenwood e Earnshaw, pp. 1074–75
  20. ^ Myer Kurz, ed. (2002-07-22). Manual de Seleção de Materiais . pág. 44. ISBN 9780471359241. Recuperado em 19 de dezembro de 2013 .