लोहे के अपरूप

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शुद्ध लोहे का कम दबाव चरण आरेख। BCC शरीर केंद्रित घन है और FCC चेहरा केंद्रित घन है।
आयरन-कार्बन यूटेक्टिक प्रणाली चरण आरेख, Fe के विभिन्न रूपों को दिखा रहा हैxCy पदार्थ।
संरचना में अंतर दिखाते हुए आयरन अलॉट्रोप्स। अल्फा आयरन (α-Fe) बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक (BCC) है और गामा आयरन (γ-Fe) फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (FCC) है।

वायुमंडलीय दबाव पर, तापमान के आधार पर लोहे के तीन अपररूप मौजूद होते हैं: अल्फा आयरन (α-Fe) | अल्फा आयरन (α-Fe, फेराइट), ऑस्टेनाइट | गामा आयरन (γ-Fe, ऑस्टेनाइट), और डेल्टा आयरन (δ -फे)। बहुत उच्च दबाव पर, एक चौथा रूप मौजूद होता है, हेक्साफेरम | एप्सिलॉन आयरन (ε-Fe, हेक्साफेरम)। कुछ विवादास्पद प्रायोगिक साक्ष्य पांचवें उच्च दबाव वाले रूप के अस्तित्व का सुझाव देते हैं जो बहुत उच्च दबाव और तापमान पर स्थिर होता है।[1]

विभिन्न प्रकार के इस्पात बनाने वाले कार्बन की घुलनशीलता में अंतर के कारण वायुमंडलीय दबाव पर लोहे के चरण महत्वपूर्ण हैं। ग्रहों के कोर के ठोस भागों के मॉडल के रूप में लोहे के उच्च दबाव चरण महत्वपूर्ण हैं। पृथ्वी के आंतरिक कोर को आम तौर पर ε संरचना के साथ अनिवार्य रूप से एक क्रिस्टलीय लौह-निकल मिश्र धातु से युक्त माना जाता है।[2][3][4] 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 बना है।

मानक दबाव आवंटन

अल्फा आयरन (α-Fe)

912 °C (1,674 °F) से नीचे, लोहे में एक शरीर-केंद्रित क्यूबिक (बीसीसी) क्रिस्टल संरचना होती है और इसे α-लोहा या फेराइट के रूप में जाना जाता है। यह रासायनिक स्थिरता और काफी 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 GPa नीचे चर्चा की गई।

चुंबकीय रूप से, α-लौह उच्च तापमान पर अनुचुम्बकत्व है। हालांकि, इसके क्यूरी तापमान के नीचे (TC या ए2) 771 °C (1044K या 1420 °F),[5] यह फेरोमैग्नेटिज्म बन जाता है। अतीत में, α-लोहे के अनुचुंबकीय रूप को बीटा आयरन (β-Fe) के रूप में जाना जाता था।[6][7] भले ही फेरोमैग्नेटिक अवस्था में मामूली चतुष्कोणीय विकृति एक सच्चे चरण संक्रमण का गठन करती है, इस संक्रमण की निरंतर प्रकृति के परिणामस्वरूप स्टील गर्मी से निजात में केवल मामूली महत्व होता है। द ए2 रेखा चित्र 1 में चरण आरेख में बीटा आयरन और अल्फा क्षेत्रों के बीच की सीमा बनाती है।

इसी प्रकार, ए2 ए की तुलना में सीमा का केवल मामूली महत्व है1 (यूटेक्टॉइड), ए3 और एcm महत्वपूर्ण तापमान। द एcm, जहां ऑस्टेनाईट austenite सीमेन्टाईट + γ-Fe के साथ संतुलन में है, अंजीर में दाहिने किनारे से परे है। α + γ चरण क्षेत्र, तकनीकी रूप से, ए के ऊपर β + γ क्षेत्र है2. बीटा पदनाम लोहे और स्टील में चरणों की ग्रीक-अक्षर प्रगति की निरंतरता बनाए रखता है: α-Fe, β-Fe, austenite (γ-Fe), उच्च तापमान δ-Fe, और उच्च दबाव hexaferrum (ε-Fe) .

कमरे के तापमान पर α-Fe के लिए दाढ़ मात्रा बनाम दबाव।

कम कार्बन या हल्के स्टील का प्राथमिक चरण (पदार्थ) और कमरे के तापमान पर अधिकांश कच्चा लोहा लौह-चुंबकीय α-Fe है।[8][9] इसमें लगभग 80 ब्रिनेल स्केल की कठोरता है।[10][11] कार्बन की अधिकतम घुलनशीलता लगभग 0.02 wt% है 727 °C (1,341 °F) और 0.001% पर 0 °C (32 °F).[12] 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 स्टील (लगभग 0.2 wt% C तक कार्बन स्टील) में ज्यादातर α-Fe और सीमेंटाइट (Fe) की बढ़ती मात्रा होती है।3C, आयरन कार्बाइड)। मिश्रण एक लैमेलर संरचना को अपनाता है जिसे मोती कहा जाता है। चूँकि बैनाइट और पर्लाइट प्रत्येक में एक घटक के रूप में α-Fe होता है, किसी भी लौह-कार्बन मिश्र धातु में कुछ मात्रा में α-Fe होगा यदि इसे कमरे के तापमान पर रासायनिक संतुलन तक पहुँचने की अनुमति दी जाए। α-Fe की मात्रा शीतलन प्रक्रिया पर निर्भर करती है।

ए2 महत्वपूर्ण तापमान और प्रेरण हीटिंग

छवि: बीटा आयरन कार्बन pd.TIF|अंगूठा|बायां|अपराइट=1.3|चित्र 1: बीटा क्षेत्र और A2 लौह-कार्बन चरण आरेख के लौह-समृद्ध पक्ष पर महत्वपूर्ण तापमान।[5]β-Fe और ए2 स्टील के प्रेरण हीटिंग में महत्वपूर्ण तापमान महत्वपूर्ण हैं, जैसे कि सतह-सख्त ताप उपचार के लिए। शमन और तड़के (धातुकर्म) से पहले स्टील को आमतौर पर 900–1000 डिग्री सेल्सियस पर ऑस्टेनिटाइज़ किया जाता है। प्रेरण ऊष्मन के उच्च-आवृत्ति वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र क्यूरी तापमान के नीचे दो तंत्रों द्वारा स्टील को गर्म करता है: प्रतिरोध या जूल हीटिंग और फेरोमैग्नेटिक हिस्टैरिसीस # सामग्री के नुकसान में। ए के ऊपर2 सीमा, हिस्टैरिसीस तंत्र गायब हो जाता है और तापमान वृद्धि की प्रति डिग्री ऊर्जा की आवश्यक मात्रा इस प्रकार ए से नीचे की तुलना में काफी बड़ी होती है2. परिवर्तन की भरपाई के लिए प्रेरण शक्ति स्रोत में विद्युत प्रतिबाधा को बदलने के लिए लोड-मिलान सर्किट की आवश्यकता हो सकती है।[13]


गामा आयरन (γ-Fe)

Main article: Austenite

जब लोहे को 912 °C (1,674 °F) से ऊपर गर्म किया जाता है, तो इसकी क्रिस्टल संरचना फलक-केंद्रित क्यूबिक (fcc) क्रिस्टलीय संरचना में बदल जाती है। इस रूप में इसे गामा आयरन (γ-Fe) या ऑस्टेनाइट कहा जाता है। γ-लौह काफी 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 स्टील में प्रदर्शित होता है।

डेल्टा आयरन (δ-Fe)

विचित्र रूप से, 1,394 °C (2,541 °F) से ऊपर लोहा वापस bcc संरचना में बदल जाता है, जिसे δ-Fe के रूप में जाना जाता है।[14] 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 GPa से ऊपर मौजूद नहीं हो सकता है, इन उच्च दबावों पर ऑस्टेनाइट के बजाय सीधे पिघले हुए चरण में संक्रमण होता है।[15]


उच्च दबाव एलोट्रोप्स

एप्सिलॉन आयरन/हेक्साफेरम (ε-Fe)

Main article: Hexaferrum

लगभग 10-13 GPa से ऊपर के दबाव और लगभग 700 K तक के तापमान पर, α-लोहा एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक (hcp) संरचना में बदल जाता है, जिसे ε-लोहा या हेक्साफेरम के रूप में भी जाना जाता है;[16] उच्च-तापमान γ-चरण भी ε-लौह में बदल जाता है, लेकिन आम तौर पर तापमान बढ़ने पर उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। हेक्साफेरम, फेराइट और ऑस्टेनाइट का त्रिगुण बिंदु 750 K पर 10.5 GPa है।[15]Mn, Os और Ru के साथ एप्सिलॉन-Fe की मिश्र धातुओं में एंटीफेरोमैग्नेटिज्म देखा गया है।[17]


प्रायोगिक उच्च तापमान और दबाव

एक वैकल्पिक स्थिर रूप, यदि यह मौजूद है, कम से कम 50 GPa के दबाव और कम से कम 1,500 K के तापमान पर प्रकट हो सकता है; ऐसा माना जाता है कि इसमें orthorhombic या डबल एचसीपी संरचना होती है।[1] As of December 2011, हाल ही में और चल रहे प्रयोग उच्च दबाव और सुपरडेंस कार्बन अलॉट्रोप्स पर किए जा रहे हैं।

चरण संक्रमण

गलनांक और क्वथनांक

लोहे का गलनांक प्रायोगिक रूप से 50 GPa से कम दबावों के लिए अच्छी तरह 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। आम तौर पर 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।[18] 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 कोर;[19] हालाँकि, 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। दयाता के लिए भी यही प्रवृत्ति दिखाई देती है लेकिन आज़मियम के लिए नहीं।[20]


संरचनात्मक चरण संक्रमण

"Gamma loop" redirects here. Not to be confused with Gamma motor neuron.

सटीक तापमान जिस पर लोहा एक क्रिस्टल संरचना से दूसरे में संक्रमण करेगा, 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 आमतौर पर 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 आमतौर पर गामा लूप कहा जाता है। गामा लूप एडिटिव्स जोड़ने से आयरन शरीर-केंद्रित क्यूबिक संरचना में रहता है और स्टील को अन्य ठोस अवस्थाओं में चरण संक्रमण से बचाता है।[21]


यह भी देखें

  • तड़के (धातु विज्ञान)

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 Boehler, Reinhard (2000). "उच्च दाब प्रयोग और निचले मेंटल और कोर सामग्री का चरण आरेख". Reviews of Geophysics. American Geophysical Union. 38 (2): 221–245. Bibcode:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029/1998RG000053. S2CID 33458168.
  2. ↑ Cohen, Ronald; Stixrude, Lars. "पृथ्वी के केंद्र में क्रिस्टल". Archived from the original on 5 February 2007. Retrieved 2007-02-05.
  3. ↑ Stixrude, Lars; Cohen, R.E. (March 1995). "लोहे की उच्च दबाव लोच और पृथ्वी के आंतरिक कोर की अनिसोट्रॉपी". Science. 267 (5206): 1972–5. Bibcode:1995Sci...267.1972S. doi:10.1126/science.267.5206.1972. PMID 17770110. S2CID 39711239.
  4. ↑ "What is at the centre of the Earth?". BBC News. 31 August 2011.
  5. ↑ 5.0 5.1 मिश्र धातु चरण आरेख. ASM Handbook. Vol. 3. ASM International. 1992. pp. 2.210, 4.9. ISBN 978-0-87170-381-1.
  6. ↑ D. K. Bullens et al., Steel and Its Heat Treatment, Vol. I, Fourth Ed., J. Wiley & Sons Inc., 1938, p. 86.
  7. ↑ Avner, S.H. (1974). भौतिक धातु विज्ञान का परिचय (2nd ed.). McGraw-Hill. p. 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). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
  10. ↑ Structure of plain steel, retrieved 2008-10-21.
  11. ↑ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (January 2015). "सी-एमएन स्टील्स के सतही डीकार्बराइजेशन के कैनेटीक्स पर कार्बाइड मॉर्फोलॉजी और माइक्रोस्ट्रक्चर का प्रभाव". 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). सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग की नींव (4th ed.). McGraw-Hill. p. 363. ISBN 0-07-295358-6.
  13. ↑ Semiatin, S.L.; Stutz, D.E. (1986). स्टील का इंडक्शन हीट ट्रीटमेंट. ASM International. pp. 95–98. ISBN 978-0-87170-211-1.
  14. ↑ Lyman, Taylor, ed. (1973). मेटलोग्राफी, संरचनाएं और चरण आरेख. Metals Handbook. Vol. 8 (8th ed.). Metals Park, Ohio: ASM International. OCLC 490375371.
  15. ↑ 15.0 15.1 Anzellini, Simone; Errandonea, Daniel (2021-09-29). "चरम स्थितियों में संक्रमण धातुओं और उनके यौगिकों के गुण". Crystals. 11 (10): 1185. doi:10.3390/cryst11101185. ISSN 2073-4352.
  16. ↑ Mathon O; Baudelet F; Itié JP; Polian A; d'Astuto M; Chervin JC; Pascarelli S (14 December 2004). "Dynamics of the magnetic and structural alpha-epsilon phase transition in iron". Physical Review Letters. 93 (25): 255503. arXiv:cond-mat/0405439. Bibcode:2004PhRvL..93y5503M. doi:10.1103/PhysRevLett.93.255503. PMID 15697906. S2CID 19228886.
  17. ↑ G. C. Fletcher; R. P. Addis (November 1974). "The magnetic state of the phase of iron" (PDF). Journal of Physics F: Metal Physics. 4 (11): 1954. Bibcode:1974JPhF....4.1951F. doi:10.1088/0305-4608/4/11/020. Retrieved December 30, 2011.
  18. ↑ Boehler, Reinhard; Ross, M. (2007). "Properties of Rocks and Minerals_High-Pressure Melting". खनिज भौतिकी. Treatise on Geophysics. Vol. 2. Elsevier. pp. 527–41. doi:10.1016/B978-044452748-6.00047-X. ISBN 9780444527486.
  19. ↑ Greenwood and Earnshaw, p. 1116
  20. ↑ Greenwood and Earnshaw, pp. 1074–75
  21. ↑ Myer Kurz, ed. (2002-07-22). सामग्री चयन की पुस्तिका. p. 44. ISBN 9780471359241. Retrieved December 19, 2013.
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