लोहे के अपरूप

वायुमंडलीय दबाव में, तापमान के आधार पर लोहे के तीन अपरूप उपलब्ध होते हैं: अल्फा आयरन (α-Fe, फेराइट), गामा आयरन (γ-Fe, ऑस्टेनाइट), और डेल्टा आयरन (δ-Fe), बहुत उच्च दबाव पर, एक चौथा रूप उपलब्ध होता है, एप्सिलॉन आयरन (ε-Fe, हेक्साफेरम) कुछ विवादास्पद प्रायोगिक प्रमाण पांचवें उच्च दबाव वाले रूप के अस्तित्व का सुझाव देते हैं जो बहुत उच्च दबाव और तापमान पर स्थिर होता है। विभिन्न प्रकार के इस्पात बनाने वाले कार्बन की घुलनशीलता में अंतर के कारण वायुमंडलीय दबाव पर लोहे के चरण महत्वपूर्ण होते हैं, तथा ग्रहों के ठोस भागों के मॉडल के रूप में लोहे के उच्च दबाव चरण महत्वपूर्ण होते हैं। पृथ्वी के आंतरिक कोर को सामान्यतः ε संरचना के साथ अनिवार्य रूप से एक क्रिस्टलीय लौह-निकल मिश्र धातु से युक्त माना जाता है।  माना जाता है कि ठोस आंतरिक कोर के आसपास का बाहरी कोर निकल के साथ मिश्रित तरल लोहे और हल्के तत्वों की ट्रेस मात्रा से बानी होती है।

अल्फा आयरन (α-Fe)
912 डिग्री सेल्सियस (1,674 डिग्री फारेनहाइट) से नीचे, लोहे में एक शरीर-केंद्रित घन (बीसीसी) क्रिस्टल संरचना होती है, और इसे α-लोहा या फेराइट के रूप में जाना जाता है। यह रासायनिक स्थिरता से स्थिर और अधिक नरम धातु है। α-Fe को सीए तक के दबावों के अधीन किया जा सकता है। ε-Fe कहे जाने वाले उच्च दबाव वाले रूप में बदलने से पहले 15 जीपीऐ में बदल जाता है, जिसकी नीचे चर्चा की गई है।

चुंबकीय रूप से, α-लौह उच्च तापमान पर अनुचुम्बकत्व है। चूंकि, इसके क्यूरी तापमान के नीचे (TC या A2) 771 डिग्री सेल्सियस (1044K या 1420 डिग्री फारेनहाइट), यह फेरोमैग्नेटिज्म बन जाता है। अतीत में, α-लोहे के अनुचुंबकीय रूप को बीटा आयरन (β-Fe) के रूप में जाना जाता था। यदि फेरोमैग्नेटिक अवस्था में साधारण चतुष्कोणीय विकृति एक सच्चे चरण संक्रमण का गठन करती है, इस संक्रमण की निरंतर प्रकृति के परिणामस्वरूप इस्पात गर्मी से निजात में साधारण महत्व होता है। A2 रेखा चित्र 1 में चरण आरेख बीटा आयरन और अल्फा क्षेत्रों के बीच की सीमा बनाती है।

इसी प्रकार, A1 (यूटेक्टॉइड), A3 और ऐसीएम महत्वपूर्ण तापमान की तुलना में A2 सीमा का साधारण महत्व होता है। ऐसीएम, जहां ऑस्टेनाइट सीमेन्टाईट + γ-Fe के साथ संतुलन में होता है, चित्र 1 में यह दाहिने किनारे से परे है। α + γ चरण क्षेत्र, तकनीकी रूप से, A2 के ऊपर β + γ क्षेत्र है। α-Fe, β-Fe, ऑस्टेनाईट (γ-Fe), उच्च तापमान δ-Fe, और उच्च दबाव हेक्साफेरम (ε-Fe) बीटा पदनाम लोहे और इस्पात में चरणों की ग्रीक-अक्षर प्रगति की निरंतरता बनाए रखता है।

कम कार्बन या हल्के इस्पात का प्राथमिक चरण (पदार्थ) और कमरे के तापमान पर अधिकांश कच्चा लोहा लौह-चुंबकीय α-Fe है। इसमें लगभग 80 ब्रिनेल स्केल की कठोरता है। कार्बन की अधिकतम घुलनशीलता लगभग 0.02 डब्लूटी% है, 727 C और 0.001% पर 0 C जब यह लोहे में घुलता है, तो कार्बन परमाणु अंतरालीय छिद्रों पर कब्जा कर लेते हैं। चतुष्फलकीय छिद्र के लगभग दोगुने व्यास के होने के कारण, कार्बन एक प्रबल स्थानीय विकृति क्षेत्र का परिचय देता है।

माइल्ड इस्पात (लगभग 0.2 डब्लूटी% C तक कार्बन इस्पात) में ज्यादातर α-Fe और सीमेंटाइट (Fe3C, एक आयरन कार्बाइड) की बढ़ती मात्रा होती है। मिश्रण एक लैमेलर संरचना को अपनाता है जिसे पर्लाइट कहा जाता है। चूंकि बैनाइट और पर्लाइट प्रत्येक में एक घटक के रूप में α-Fe होता है, किसी भी लौह-कार्बन मिश्र धातु में α-Fe की कुछ मात्रा होती है यदि इसे कमरे के तापमान पर रासायनिक संतुलन तक पहुंचने की अनुमति दी जाती है। α-Fe की मात्रा शीतलन प्रक्रिया पर निर्भर करती है।

A2 महत्वपूर्ण तापमान और प्रेरण हीटिंग
इस्पात के इंडक्शन हीटिंग में β-Fe और A2 का तापमान महत्वपूर्ण होता हैं, जैसे कि सतह-सख्त ताप उपचार के लिए, शमन और तड़के से पहले इस्पात को सामान्यतः 900-1000 डिग्री सेल्सियस पर ऑस्टेनिटाइज किया जाता है। प्रेरण ऊष्मन का उच्च-आवृत्ति वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र क्यूरी तापमान के नीचे दो तंत्रों द्वारा इस्पात को गर्म करता है: प्रतिरोध या जूल हीटिंग और फेरोमैग्नेटिक हिस्टैरिसीस नुकसान A2 सीमा के ऊपर, हिस्टैरिसीस तंत्र गायब हो जाता है और तापमान वृद्धि की प्रति डिग्री ऊर्जा की आवश्यक मात्रा इस प्रकार A2 से नीचे की तुलना में अधिक होती है। परिवर्तन की भरपाई के लिए प्रेरण ताकत स्रोत में विद्युत प्रतिबाधा को बदलने के लिए लोड-मिलान परिपथ की आवश्यकता हो सकती है।

गामा आयरन (γ-Fe)
जब लोहे को 912 °C (1,674 °F) से ऊपर गर्म किया जाता है, तो इसकी क्रिस्टल संरचना फलक-केंद्रित घन (एफसीसी) क्रिस्टलीय संरचना में बदल जाती है। इस रूप में इसे गामा आयरन (γ-Fe) या ऑस्टेनाइट कहा जाता है। γ-लौह अधिक कार्बन (1,146 डिग्री सेल्सियस पर द्रव्यमान द्वारा 2.04% तक) को भंग कर सकता है। कार्बन संतृप्ति का यह γ रूप ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस इस्पात में प्रदर्शित होता है।

डेल्टा आयरन (δ-Fe)
विचित्र रूप से, 1394 °C (2,541 °F) से ऊपर लोहा वापस बीसीसी संरचना में बदल जाता है, जिसे δ-Fe के रूप में जाना जाता है। δ-लोहा 1,475 °C पर द्रव्यमान के अनुसार 0.08% कार्बन को घोल सकता है। यह 1,538 डिग्री सेल्सियस (2,800 डिग्री फारेनहाइट) के पिघलने बिंदु तक स्थिर है। δ-Fe 5.2 जीपीए से ऊपर उपलब्ध नहीं हो सकता है, इन उच्च दबावों पर ऑस्टेनाइट के अतिरिक्त सीधे पिघले हुए चरण में संक्रमण होता है।

एप्सिलॉन आयरन/हेक्साफेरम (ε-Fe)
लगभग 10-13 जीपीए से ऊपर के दबाव और लगभग 700 K तक के तापमान पर, α-लोहा एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक (एचसीपी) संरचना में बदल जाता है, जिसे ε-लोहा या हेक्साफेरम के रूप में भी जाना जाता है; उच्च-तापमान γ-चरण भी ε-लौह में बदल जाता है, लेकिन सामान्यतः तापमान बढ़ने पर उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। हेक्साफेरम, फेराइट और ऑस्टेनाइट का त्रिगुण बिंदु 750 K पर 10.5 जीपीए है। Mn, Os और Ru के साथ एप्सिलॉन-Fe की मिश्र धातुओं में एंटीफेरोमैग्नेटिज्म देखा गया है।

प्रायोगिक उच्च तापमान और दबाव
एक वैकल्पिक स्थिर रूप, यदि यह उपस्थित है, तो कम से कम 50 जीपीए के दबाव और कम से कम 1,500 K के तापमान पर प्रकट हो सकता है; ऐसा माना जाता है कि इसमें ऑर्थोरोम्बिक या डबल एचसीपी संरचना होती है। दिसंबर 2011 तक, उच्च दबाव और सुपरडेंस कार्बन अलॉट्रोप्स पर हाल के और चल रहे प्रयोग किए जा रहे थे।

गलनांक और क्वथनांक
50 जीपीए से कम दबावों के लिए लोहे का गलनांक प्रयोगात्मक रूप से अच्छी प्रकार से परिभाषित है।

अधिक दबावों के लिए, प्रकाशित डेटा (2007 तक) γ-ε-तरल ट्रिपल बिंदु को उन दबावों पर रखता है जो दसियों गिगापास्कल और 1000 K के गलनांक से भिन्न होते हैं। सामान्यतः बोलते हुए, लोहे के पिघलने और शॉक वेव प्रयोगों के आणविक गतिशीलता कंप्यूटर सिमुलेशन उच्च गलनांक और पिघलने की वक्र की बहुत तेज ढलान का सुझाव देते हैं, जो हीरे की निहाई कोशिकाओं में किए गए स्थिर प्रयोगों से होता है।

लोहे के पिघलने और क्वथनांक, इसकी परमाणुकरण की एन्थैल्पी के साथ, स्कैंडियम से क्रोमियम तक के पहले समूह के 3डी तत्वों की तुलना में कम होते हैं, जो धातु के बंधन में इलेक्ट्रॉन खोल विन्यास के कम योगदान को दिखाते हैं क्योंकि वे अधिक से अधिक आकर्षित होते हैं। परमाणु नाभिक द्वारा निष्क्रिय मूल; चूंकि, वे पिछले तत्व मैंगनीज के मूल्यों से अधिक हैं क्योंकि उस तत्व में आधा भरा हुआ 3डी सबशेल है और इसके परिणामस्वरूप इसके डी-इलेक्ट्रॉन आसानी से डेलोकलाइज्ड इलेक्ट्रॉन नहीं हैं, लेकिन आज़मियम के लिए नहीं दयाता के लिए भी यही प्रवृत्ति दिखाई देती है।

संरचनात्मक चरण संक्रमण
त्रुटिहीन तापमान जिस पर लोहा एक क्रिस्टल संरचना से दूसरे में संक्रमण, यह इस बात पर निर्भर करता है कि लोहे में कितने और किस प्रकार के अन्य तत्व घुले हुए हैं। विभिन्न ठोस चरणों के बीच की चरण सीमा एक चरण आरेख बाइनरी मिश्रण पर खींची जाती है, जिसे सामान्यतः तापमान बनाम प्रतिशत लोहे के रूप में प्लॉट किया जाता है। क्रोमियम जैसे कुछ तत्वों को जोड़ने से गामा चरण के लिए तापमान सीमा कम हो जाती है, जबकि अन्य गामा चरण की तापमान सीमा बढ़ा देते हैं। गामा चरण सीमा को कम करने वाले तत्वों में, अल्फा-गामा चरण सीमा गामा-डेल्टा चरण सीमा से जुड़ती है, जिसे सामान्यतः गामा लूप कहा जाता है। गामा लूप एडिटिव्स जोड़ने से आयरन शरीर-केंद्रित घन संरचना में रहता है और इस्पात को अन्य ठोस अवस्थाओं में चरण संक्रमण से बचाता है।

यह भी देखें

 * त्वरित्र (धातु विज्ञान)