Beta-ferrit (β-Fe): paramagnetisk ferrit i järn och möjlig femte allotrop
Upptäck beta‑ferrit (β‑Fe): paramagnetisk ferrit vid >771 °C och den omstridda möjliga femte allotropen av järn – unik Uppsala‑studie, svårreproducerad fynd.
Beta-ferrit brukar användas för att beskriva ferrit (järn i kroppcentrerad kubisk, BCC, struktur) i dess paramagnetiska tillstånd — det vill säga när järnet upphettats över sin Curie-temperatur och därmed förlorat sin ferromagnetiska ordning. För rent järn ligger Curie-temperaturen nära 770–771 °C. När temperaturen ökar över denna gräns men fortfarande är under cirka 912 °C kvarstår den BCC-strukturen, men magnetismen är paramagnetisk; detta tillstånd kallas ofta β-Fe i äldre litteratur för att särskilja det från det lägre temperaturens, ferromagnetiska α-Fe.
Varaktighet och fasgränser
Sammanfattningsvis för rent järn vid vanligt tryck gäller:
- α-Fe (ferrit): BCC, ferromagnetisk vid temperaturer under Curie-punkten (~770 °C).
- β-Fe: samma BCC-kristallstruktur som α-Fe men paramagnetisk mellan Curie-punkten (~770 °C) och omvandlingstemperaturen till γ-Fe (cirka 912 °C).
- γ-Fe (austenit): FCC, stabil ungefär 912–1394 °C vid normalt tryck.
- δ-Fe: högtemperatur-BCC som förekommer närmare smältpunkten.
Termen β-Fe betecknar alltså i praktiken ett magnetiskt tillstånd snarare än en annan kristallografisk allotrop under normalt tryck.
Möjlig "femte allotrop" – experiment från Uppsala
Utöver den ovanstående, etablerade betydelsen av β-Fe har beteckningen ibland använts för ett påstått nytt allotropt järn som rapporterades i ett experiment vid Uppsala universitet. I den rapporten komprimerades järn till ungefär 35–40 GPa, upphettades till cirka 1500 K och undersöktes (till exempel med röntgen eller diffraktionsmetoder). Forskargruppen hävdade att observationer tyder på en struktur som inte motsvarade de kända α-, γ- eller ε-faserna — och betecknade denna som β-Fe (som en möjlig femte allotrop).
Denna observation har dock inte blivit reproducerad i efterföljande experiment, och resultatet är omtvistat. Högtrycks- och högtemperatursexperiment är tekniskt svåra: provkontaminering, kinetiska effekter, provtjocklek, tryck- och temperaturgradienter samt analysmetoder kan alla påverka tolkningen. Det mest etablerade högtryckssvaret för järn är övergången till ε-Fe (hexagonal tättpackning, HCP) vid relativt måttliga tryck, men fasinnehållet och gränserna beror på både tryck och temperatur.
Betydelse och tillämpning
- För metallurgi och stålbehandling är förståelsen av magnetiska och kristallografiska faser viktig för värmebehandlingar och materialegenskaper.
- I geofysik påverkar järns fasdiagram tolkningen av jordens inre: tryck- och temperaturbetingade faser av järn är relevanta för kärnans sammansättning och egenskaper.
- Framväxande eller okonfirmerade allotroper intresserar grundforskningen eftersom nya faser kan ha annorlunda elektriska, magnetiska eller mekaniska egenskaper.
Sammanfattning
- β-Fe används i praktiken ofta för att beskriva den paramagnetiska formen av BCC-järn över Curie-temperaturen (≈771 °C) men under omvandlingen till γ-Fe (~912 °C).
- Rapporter om en ny, högtrycksframkallad "β-Fe" från experiment vid Uppsala universitet är intressanta men obesvarade tills resultatet reproducerats oberoende.
- Ytterligare högtrycks- och högtemperaturstudier krävs för att avgöra om ett nytt, stabilt allotropt stadium verkligen existerar under de angivna betingelserna.
Sök