أشكال الحديد المتآصلة

عند درجة حرارة أقل من 912  درجة مئوية (1674  درجة فهرنهايت)، يمتلك الحديد بنية بلورية مكعبة مركزية الجسم (bcc) ويُعرف باسم حديد ألفا أو الفريت . وهو معدن مستقر ديناميكيًا حراريًا ، ويُعتبر معدنًا لينًا نسبيًا. يمكن تعريض حديد ألفا لضغوط تصل إلى حوالي 15 جيجا باسكال قبل أن يتحول إلى شكل عالي الضغط يُسمى حديد إبسيلون، والذي سيتم شرحه لاحقًا.

مغناطيسيًا، يكون حديد ألفا بارامغناطيسيًا عند درجات الحرارة العالية. مع ذلك، يصبح _حديدًا حديديًا عند درجات حرارة أقل من _درجة حرارة كوري ( TC أو A2 ) البالغة 771 درجة مئوية (1044 كلفن أو 1420 درجة فهرنهايت) ^{[ 5 ]} . في الماضي، كان يُعرف الشكل البارامغناطيسي لحديد ألفا باسم حديد بيتا (β-Fe). ^{[ 6 ] [ 7 ]} على الرغم من أن التشوه الرباعي الطفيف في الحالة الحديدية المغناطيسية يُشكل انتقالًا طوريًا حقيقيًا، إلا أن الطبيعة المستمرة لهذا الانتقال تجعله ذا أهمية ثانوية في المعالجة الحرارية للفولاذ . يُشكل الخط _A2 الحد الفاصل بين حديد بيتا ومجالات ألفا في مخطط الأطوار في الشكل 1.  

وبالمثل، فإنّ الحدّ A2 _ذو أهمية ثانوية مقارنةً بدرجات الحرارة الحرجة A1 (اليوتكتويدي)، وA3، وAcm. _تقع درجة الحرارة Acm _، حيث _{يكون الأوستنيت} في حالة توازن مع السمنتيت + γ-Fe، خارج الحافة اليمنى في الشكل 1. ويُعتبر مجال الطور α + γ، من الناحية الفنية، مجال الطور β + γ فوق A2 _. ويحافظ تصنيف بيتا على استمرارية التدرج الحرفي للأطوار في الحديد والصلب: α-Fe، β-Fe، الأوستنيت (γ-Fe)، δ-Fe عالي الحرارة، وسداسي الحديد عالي الضغط (ε-Fe).

الطور الأساسي للفولاذ منخفض الكربون أو الفولاذ الطري ومعظم أنواع الحديد الزهر عند درجة حرارة الغرفة هو الحديد ألفا المغناطيسي . ^{[ 8 ] [ 9 ]} تبلغ صلابته حوالي 80 برينل . ^{[ 10 ] [ 11 ]} تبلغ أقصى ذوبانية للكربون حوالي 0.02% وزناً عند 727 درجة مئوية (1341 درجة فهرنهايت) و0.001% عند 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) . ^{[ 12 ]} عند ذوبانه في الحديد، تشغل ذرات الكربون "فراغات" بينية. وبما أن قطرها يبلغ ضعف قطر الفراغ رباعي الأوجه تقريبًا ، فإن الكربون يُحدث مجال إجهاد موضعي قوي.    

يتكون الفولاذ الطري (الفولاذ الكربوني الذي يحتوي على ما يصل إلى 0.2% وزناً من الكربون) في معظمه من حديد ألفا (α-Fe) وكميات متزايدة من السمنتيت (Fe₃C _، وهو كربيد الحديد). يتخذ هذا المزيج بنية صفائحية تُسمى البيرلايت . وبما أن البينيت والبيرلايت يحتويان على حديد ألفا كمكون، فإن أي سبيكة من الحديد والكربون ستحتوي على كمية من حديد ألفا إذا تُركت لتصل إلى حالة التوازن عند درجة حرارة الغرفة. وتعتمد كمية حديد ألفا على عملية التبريد.

_{درجة حرارة حرجة 2} والتسخين بالحث

يُعدّ كلٌّ من β-Fe ودرجة الحرارة الحرجة A2 _مهمّين في التسخين الحثي للفولاذ، كما هو الحال في المعالجات الحرارية لتقوية السطح. يُسخّن الفولاذ عادةً إلى درجة حرارة 900-1000 درجة  مئوية قبل تبريده وتلطيفه . يُسخّن المجال المغناطيسي المتناوب عالي التردد للتسخين الحثي الفولاذ بآليتين تحت درجة حرارة كوري: التسخين المقاوم أو تسخين جول ، وفقدان التخلف المغناطيسي الحديدي . فوق حدّ A2 _، تختفي آلية التخلف المغناطيسي، وبالتالي تكون كمية الطاقة المطلوبة لكل درجة مئوية من ارتفاع درجة الحرارة أكبر بكثير مما هي عليه تحت A2 _. قد تكون هناك حاجة إلى دوائر مطابقة الحمل لتغيير المعاوقة في مصدر طاقة الحث لتعويض هذا التغيير. ^{[ 13 ]}

عند تسخين الحديد فوق 912  درجة مئوية (1674  درجة فهرنهايت)، يتغير تركيبه البلوري إلى تركيب مكعب مركزي الوجوه (fcc). يُطلق عليه في هذه الحالة اسم حديد غاما (γ-Fe) أو الأوستنيت . يستطيع حديد غاما إذابة كمية أكبر بكثير من الكربون (تصل إلى 2.04% من الكتلة عند 1146  درجة مئوية). يظهر هذا الشكل من تشبع الكربون في حديد غاما في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي .

بشكلٍ غريب، عند درجة حرارة أعلى من 1394  درجة مئوية (2541  درجة فهرنهايت)، يتحول الحديد عائدًا إلى بنيته المكعبة المتمركزة في الجسم، والمعروفة باسم دلتا-حديد. ^{[ 14 ]} يستطيع دلتا-حديد إذابة ما يصل إلى 0.08% من الكربون بالكتلة عند 1475  درجة مئوية. وهو مستقر حتى درجة انصهاره البالغة 1538  درجة مئوية (2800  درجة فهرنهايت). لا يمكن أن يوجد دلتا-حديد عند ضغوط أعلى من 5.2  جيجا باسكال، حيث يتحول الأوستنيت مباشرةً إلى حالة منصهرة عند هذه الضغوط العالية. ^{[ 15 ]}

عند ضغوط تتجاوز 10-13  جيجا باسكال تقريبًا ودرجات حرارة تصل إلى 700  كلفن تقريبًا، يتحول حديد ألفا إلى بنية سداسية متراصة (hcp)، تُعرف أيضًا باسم حديد إبسيلون أو حديد سداسي؛ ^{[ 16 ]} كما يتحول طور غاما ذو درجة الحرارة الأعلى إلى حديد إبسيلون، ولكنه يتطلب عمومًا ضغوطًا أعلى بكثير مع ارتفاع درجة الحرارة. تبلغ النقطة الثلاثية للحديد السداسي والفريت والأوستنيت 10.5  جيجا باسكال عند 750  كلفن. ^{[ 15 ]} وقد لوحظت خاصية مضادة للمغناطيسية في سبائك حديد إبسيلون مع المنغنيز والأوزميوم والروثينيوم. ^{[ 17 ]}

قد يظهر شكل مستقر بديل، إن وُجد، عند ضغوط لا تقل عن 50  جيجا باسكال ودرجات حرارة لا تقل عن 1500  كلفن؛ ويُعتقد أنه ذو بنية معينية قائمة أو بنية سداسية مزدوجة متراصة. ^{[ 1 ]} اعتبارًا من ديسمبر 2011، وتجرى حالياً تجارب حديثة ومستمرة على متآصلات الكربون ذات الضغط العالي والكثافة الفائقة .

تم تحديد نقطة انصهار الحديد تجريبياً بشكل جيد للضغوط الأقل من 50  جيجا باسكال.

عند الضغوط العالية، تشير البيانات المنشورة (حتى عام 2007) إلى أن النقطة الثلاثية بين طوري غاما وإبسيلون السائل تقع عند ضغوط تختلف بعشرات الجيجا باسكال، وبفارق 1000  كلفن في درجة الانصهار. وبشكل عام، تشير محاكاة الديناميكا الجزيئية الحاسوبية لانصهار الحديد وتجارب الموجات الصدمية إلى درجات انصهار أعلى وميل أكثر حدة لمنحنى الانصهار مقارنةً بالتجارب الساكنة التي أُجريت في خلايا سندان الماس . ^{[ 18 ]}

تُعدّ درجات انصهار وغليان الحديد، بالإضافة إلى حرارة تذريره ، أقل من تلك الخاصة بعناصر المجموعة 3d السابقة، بدءًا من السكانديوم وصولًا إلى الكروم ، مما يُشير إلى انخفاض مساهمة إلكترونات 3d في الرابطة المعدنية نتيجةً لتزايد انجذابها إلى النواة الخاملة ؛ [ ^{19 ] ومع} ذلك، فهي أعلى من قيم عنصر المنغنيز السابق ، لأن غلافه الفرعي 3d نصف ممتلئ، وبالتالي لا تتمركز إلكتروناته d بسهولة . ويظهر هذا الاتجاه نفسه في الروثينيوم، ولكن ليس في الأوزميوم . ^{[ 20 ]}

تعتمد درجات الحرارة الدقيقة التي يتحول عندها الحديد من بنية بلورية إلى أخرى على كمية ونوع العناصر الأخرى المذابة فيه. يُرسم الحد الفاصل بين الأطوار الصلبة المختلفة على مخطط طور ثنائي ، ويُعرض عادةً كنسبة مئوية للحديد مقابل درجة الحرارة. يؤدي إضافة بعض العناصر، مثل الكروم ، إلى تضييق نطاق درجة حرارة طور غاما، بينما يؤدي إضافة عناصر أخرى إلى توسيعه. في العناصر التي تُقلل نطاق طور غاما، يتصل الحد الفاصل بين طوري ألفا وغاما بالحد الفاصل بين طوري غاما ودلتا، مُشكلاً ما يُعرف عادةً بحلقة غاما . تُحافظ إضافة مُضافات حلقة غاما على بنية الحديد المكعبة مركزية الجسم، وتمنع الفولاذ من التحول الطوري إلى حالات صلبة أخرى. ^{[ 21 ]}