آهن آلات صنعتی

آهن آلات صنعتی

 

مشخصات
آلتروپ ها
مقاله اصلی: آلوتروپ های آهن

حجم مولی در مقابل فشار برای آهن α در دمای اتاق
حداقل چهار آلوتروپ آهن (آرایش اتم متفاوت در جامد) شناخته شده است ، معمولاً α ، γ ، δ ، و ε نشان داده شده است.

نمودار فاز کم فشار از آهن خالص
سه شکل اول در فشارهای معمولی مشاهده می شود. هنگامی که آهن مذاب از دمای انجماد 1538 درجه سانتیگراد خنک می شود ، درون آلوتروپ δ خود ، که ساختار کریستالی مکعب بدن (BMC) محور بدن دارد متبلور می شود. از آنجا که بیشتر به دمای 1394 درجه سانتیگراد سرد می شود ، به آلوتروپ γ-آهن ، ساختار کریستالی مکعب (fcc) چهره محور یا آستنیت تغییر می یابد. در دمای 912 درجه سانتیگراد و پایین تر ، ساختار کریستالی مجدداً تبدیل به آلوتروپ α-آهن بی سی سی می شود. [6]

همچنین خصوصیات فیزیکی آهن در فشارها و درجه حرارتهای بسیار زیاد به دلیل ارتباط آنها با تئوریهای مربوط به هسته های کره زمین و سایر سیارات مورد مطالعه قرار گرفته است. بالاتر از حدود 10 GPa و دمای چند صد کلوین یا کمتر ، α-آهن به یک ساختار شش ضلعی نزدیک بسته (hpp) دیگر ، که به عنوان ε-آهن نیز شناخته می شود ، تغییر می کند. فاز درجه حرارت بالاتر نیز به آهن آهن تغییر می کند ، اما این کار را در فشار بالاتر انجام می دهد.

برخی از شواهد تجربی بحث برانگیز برای یک مرحله β با ثبات در فشارهای بالاتر از 50 GPa و دمای حداقل 1500 K. فرض بر این است که دارای یک ساختار hcp اورتورهمیک یا دوتایی هستند. [7] (با سردرگمی ، اصطلاح "بتا" نیز گاهی اوقات برای اشاره به α-آهن در بالای نقطه کوری آن استفاده می شود ، هنگامی که از فرومغناطیسی به پارامغناطیس تغییر می کند ، حتی اگر ساختار کریستالی آن تغییر نکرده باشد. [6])

به طور کلی تصور می شود هسته درونی زمین از یک آلیاژ آهن-نیکل با ساختار ε (یا β) تشکیل شده است. [8]

نقاط ذوب و جوش
نقاط ذوب و جوش آهن به همراه آنتالپی اتمی شدن آن پایین تر از عناصر 3 بعدی اولیه از اسکاندیم تا کروم است و سهم کاهش یافته الکترون های 3 بعدی در پیوند فلزی را نشان می دهد زیرا بیشتر و بیشتر به هسته بی اثر جذب می شوند. هسته؛ [9] با این حال ، آنها از مقادیر عنصر منگنز قبلی بالاتر هستند زیرا این عنصر دارای یک زیر مجموعه 3 بعدی نیمه پر و در نتیجه الکترونهای d آن به راحتی جابجایی نمی شوند. همین روند برای روتنیم اما اسمیوم ظاهر نمی شود. [10]

نقطه ذوب آهن به طور آزمایشی برای فشارهای کمتر از 50 GPa تعریف شده است. برای فشارهای بیشتر ، داده های منتشر شده (از سال 2007) هنوز هم توسط ده ها گیگاپاسکال و بیش از هزار کلوین متفاوت است. [11]

خواص مغناطیسی

منحنی های مغناطیسی از 9 ماده فرومغناطیسی ، اشباع را نشان می دهد. 1. ورق فولادی ، 2. استیل سیلیکون ، 3. فولاد چدنی ، 4. فولاد تنگستن ، 5. فولاد آهنربا ، 6. چدن ، 7. نیکل ، 8. کبالت ، 9. مگنتیت [12]
در زیر نقطه کوری خود از 770 درجه سانتیگراد ، α-آهن از پارامغناطیسی به فرومغناطیسی تغییر می کند: چرخش دو الکترون غیر جفت شده در هر اتم به طور کلی با چرخش همسایگان خود تراز می شود و یک میدان مغناطیسی کلی ایجاد می کند. [13] این اتفاق می افتد زیرا مدارهای آن دو الکترون (dz2 و dx2 - y2) به اتم های همسایه در شبکه اشاره نمی کنند ، و بنابراین در پیوند فلزی دخیل نیستند. [6]

در صورت عدم وجود منبع میدان مغناطیسی خارجی ، اتمها به طور خودبخود در حوزه های مغناطیسی تقسیم می شوند ، در حدود 10 میکرومتر در سراسر ، [14] به گونه ای که اتم های هر دامنه دارای چرخش موازی هستند ، اما حوزه های مختلف جهت گیری های متفاوتی دارند. بنابراین یک قطعه آهن ماکروسکوپی یک میدان مغناطیسی کلی تقریباً صفر خواهد داشت.

استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی باعث می شود دامنه هایی که در همان جهت کلی مغناطیسی می شوند در فضای مجاورهایی که در جهت های دیگر قرار دارند رشد کنند و زمینه خارجی را تقویت کنند. این اثر در دستگاههایی که به میدان های مغناطیسی کانال نیاز دارند ، از جمله ترانسفورماتورهای برقی ، سرهای ضبط مغناطیسی و موتورهای الکتریکی مورد سوء استفاده قرار می گیرند. ناخالصی ها ، نقص های مشبک یا مرزهای ذرات و ذرات می توانند دامنه ها را در موقعیت های جدید "قرار دهند" ، به طوری که اثر حتی پس از برداشتن قسمت بیرونی باقی می ماند - بنابراین شیء آهن را به یک آهنربا (دائمی) تبدیل می کند. [13]

رفتار مشابهی توسط بعضی از ترکیبات آهن مانند فریت ها و مگنتیت معدنی ، یک شکل کریستالی آهن مخلوط (II ، III) اکسید آهن به نمایش گذاشته شده است.
3O
4 (اگرچه مکانیسم مقیاس اتمی ، فرومغناطیس ، تا حدودی متفاوت است). تکه های مگنتیت با آهنربایی دائمی دائمی (لانه های سنگین) اولین قطب نما را برای پیمایش فراهم کردند. ذرات مگنتیت به طور گسترده ای در رسانه های ضبط مغناطیسی مانند حافظه هسته ، نوارهای مغناطیسی ، فلاپی ها و دیسک ها مورد استفاده قرار می گرفتند ، تا جایی که با مواد مبتنی بر کبالت جایگزین شدند.

ایزوتوپ ها
مقاله اصلی: ایزوتوپهای آهن
آهن چهار ایزوتوپ پایدار دارد: 54Fe (5.845٪ آهن طبیعی) ، 56Fe (91.754٪) ، 57Fe (2.119٪) و 58Fe (0.282٪). 20-30 ایزوتوپ مصنوعی نیز ایجاد شده است. از بین این ایزوتوپهای پایدار ، تنها 57Fe دارای چرخش هسته ای است (- 1 - 2). هسته ای 54Fe از لحاظ تئوری می تواند از الکترون دو برابر به 54Cr برسد ، اما این روند هرگز مشاهده نشده است