Järnets allotroper: alfajärn, austenit, delta- och epsilonjärn

Upptäck järnets allotroper — alfajärn, austenit, delta- och epsilonjärn: egenskaper, faser och temperatur- och tryckberoende transformationer.

Järn är det vanligaste exemplet på en metall med allotroper. Dessa allotroper är α‑järn, även kallat ferrit, γ‑järn, även kallat austenit, och δ‑järn, som inte har något annat etablerat trivialnamn. Vid höga tryck kan även ε‑järn förekomma, ofta kallat hexaferrum. Det finns rapporter om en möjlig femte form under extrema tryck‑/temperaturförhållanden, men den är ännu inte entydigt bekräftad.

Kristallstrukturer och temperaturintervaller

De olika allotroperna skiljer sig framför allt i kristallstruktur och stabila temperaturintervall:

• α‑järn (alfajärn, ferrit): kubisk rymdcentrerad struktur (BCC). Stabilt vid rumstemperatur upp till 912 °C. Detta är den form järn har i vanligt kolståls ferritiska områden.
• β‑järn (beta‑ferrit): betecknar α‑järn som har förlorat sin ferromagnetism (paramagnetiskt) ovanför Curie‑temperaturen vid cirka 770 °C, men som fortfarande har BCC‑struktur fram till 912 °C.
• γ‑järn (austenit): kubisk tätpackad struktur (FCC). Stabilt mellan 912 °C och 1394 °C. Austenit kan lösa in stora mängder kol, vilket är viktigt för stålbehandling.
• δ‑järn (deltajärn): åter BCC‑struktur. Stabilt i det höga temperaturintervallet mellan cirka 1394 °C och smältpunkten vid cirka 1538 °C.
• ε‑järn (epsilon/hexaferrum): hexagonal tätpackad struktur (HCP). Uppträder vid höga tryck (vanligtvis över ungefär 10–13 giga Pascal) och kan framkallas i laboratorieförsök med högtryckstekniker.

Magnetiska egenskaper

Järnets magnetism påverkar också dess beteende. Vid rumstemperatur är α‑järn ferromagnetiskt. Vid Curie‑temperaturen, cirka 770 °C, förlorar α‑järn sin ferromagnetiska ordning och blir paramagnetiskt — denna paramagnetiska form kallas ofta β‑järn, trots att kristallstrukturen är densamma som för α‑järn.

Teknisk betydelse

Allotroperna har stor betydelse för metallurgi och värmebehandling:

• Austenitens förmåga att lösa kol gör den central i processer som härdning, släckning och omvandlingar som bildar martensit och andra mikrostrukturer.
• Övergångarna mellan α, γ och δ bestämmer vilka faser som finns vid olika temperaturer under smältning, gjutning och värmebehandling.
• Högtrycksfaser som ε‑järn är främst av intresse inom geofysik och materialforskning (t.ex. för att förstå jordens inre eller för att studera material under extrema tryck).

Ytterligare anmärkningar

Praktiska temperaturgränser kan påverkas av legeringselement (t.ex. kol, nickel, mangan) och av snabb kylning eller mekanisk påverkan. Därför kan faser som austenit eller ferrit stabiliseras eller fördröjas i legeringar jämfört med rent järn. Forskning på högtrycksfaser fortsätter, och det finns fortfarande obesvarade frågor kring möjliga ytterligare allotropa former under extrema förhållanden.

Frågor och svar

F: Vad är allotroper av järn?

F: Hur många allotroper av järn finns det?

F: Vad är det andra namnet på α-järn?

F: Vad är det andra namnet på γ-järn?

F: Vilken form av järn finns under 1538°C?

F: Vad är betaferritjärn?

F: Vad är alfajärn?

Sök med bokstav