Alótropos del hierro

Por debajo de 912  °C (1674  °F), el hierro presenta una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc) y se conoce como hierro α o ferrita . Es termodinámicamente estable y un metal relativamente blando. El hierro α puede soportar presiones de hasta aproximadamente 15 GPa antes de transformarse en una forma de alta presión denominada hierro ε, que se describe más adelante.

Magnéticamente, el hierro α es paramagnético a altas temperaturas. Sin embargo, por debajo de su temperatura de Curie ( T _C o A ₂ ) de 771  °C (1044 K o 1420  °F), ^{[ 5 ]} se vuelve ferromagnético . En el pasado, la forma paramagnética del hierro α se conocía como hierro beta (β-Fe). ^{[ 6 ] [ 7 ]} Aunque la ligera distorsión tetragonal en el estado ferromagnético constituye una verdadera transición de fase, la naturaleza continua de esta transición hace que tenga poca importancia en el tratamiento térmico del acero . La línea A ₂ forma el límite entre los campos de hierro beta y alfa en el diagrama de fases de la Figura 1.

De manera similar, el límite A ₂ es de importancia menor en comparación con las temperaturas críticas A ₁ ( eutectoide ), A ₃ y A _{cm . El A cm} , donde la austenita está en equilibrio con cementita + γ-Fe, está más allá del borde derecho en la Fig. 1. El campo de fase α + γ es, técnicamente, el campo β + γ por encima de A _2. La designación beta mantiene la continuidad de la progresión de fases con letras griegas en el hierro y el acero: α-Fe, β-Fe, austenita (γ-Fe), δ-Fe de alta temperatura y hexaferrum de alta presión (ε-Fe).

La fase primaria del acero de bajo carbono o acero dulce y la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es α-Fe ferromagnético . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Tiene una dureza de aproximadamente 80 Brinell . ^{[ 10 ] [ 11 ]} La solubilidad máxima del carbono es de aproximadamente 0,02 % en peso a 727 °C (1341 °F) y 0,001 % a 0 °C (32 °F) . ^{[ 12 ]} Cuando se disuelve en el hierro, los átomos de carbono ocupan "huecos" intersticiales. Siendo aproximadamente el doble del diámetro del hueco tetraédrico , el carbono introduce un fuerte campo de deformación local.    

El acero dulce (acero al carbono con hasta un 0,2 % en peso de C) se compone principalmente de α-Fe y cantidades crecientes de cementita (Fe₃C _, un carburo de hierro). La mezcla adopta una estructura laminar llamada perlita . Dado que tanto la bainita como la perlita contienen α-Fe como componente, cualquier aleación de hierro-carbono contendrá cierta cantidad de α-Fe si se deja alcanzar el equilibrio a temperatura ambiente. La cantidad de α-Fe depende del proceso de enfriamiento.

Una temperatura crítica _{de 2} y calentamiento por inducción

El β-Fe y la temperatura crítica A₂ son importantes en _el calentamiento por inducción del acero, como en los tratamientos térmicos de endurecimiento superficial. El acero se austeniza típicamente a 900–1000  °C antes de su temple y revenido . El campo magnético alterno de alta frecuencia del calentamiento por inducción calienta el acero mediante dos mecanismos por debajo de la temperatura de Curie: calentamiento por resistencia o Joule y pérdidas por histéresis ferromagnética . Por encima del límite _A₂ , el mecanismo de histéresis desaparece y, por lo tanto, la cantidad de energía requerida por grado de aumento de temperatura es sustancialmente mayor que por debajo de A₂ _. Es posible que se necesiten circuitos de adaptación de carga para variar la impedancia en la fuente de alimentación de inducción y compensar el cambio. ^{[ 13 ]}

Al calentar el hierro por encima de 912  °C (1674  °F), su estructura cristalina cambia a una estructura cúbica centrada en las caras (fcc). En esta forma se le denomina hierro gamma (γ-Fe) o austenita . El hierro gamma puede disolver una cantidad considerablemente mayor de carbono (hasta un 2,04 % en masa a 1146  °C). Esta forma gamma de saturación de carbono se observa en el acero inoxidable austenítico .

Curiosamente, por encima de 1394  °C (2541  °F), el hierro vuelve a la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), conocida como δ-Fe. ^{[ 14 ]} El hierro δ puede disolver hasta un 0,08 % de carbono en masa a 1475  °C. Es estable hasta su punto de fusión de 1538  °C (2800  °F). El δ-Fe no puede existir por encima de 5,2  GPa; en cambio, la austenita pasa directamente a una fase fundida a estas altas presiones. ^{[ 15 ]}

A presiones superiores a aproximadamente 10–13  GPa y temperaturas de hasta alrededor de 700  K, el hierro α se transforma en una estructura hexagonal compacta (hcp), también conocida como hierro ε o hexaferrum; ^{[ 16 ]} la fase γ de mayor temperatura también se transforma en hierro ε, pero generalmente requiere presiones mucho mayores a medida que aumenta la temperatura. El punto triple del hexaferrum, la ferrita y la austenita es de 10,5  GPa a 750  K. ^{[ 15 ]} Se ha observado antiferromagnetismo en aleaciones de épsilon-Fe con Mn, Os y Ru. ^{[ 17 ]}

Una forma estable alternativa, si existe, podría aparecer a presiones de al menos 50  GPa y temperaturas de al menos 1500  K; se ha creído que tiene una estructura ortorrómbica o una estructura hcp doble. ^{[ 1 ]} A diciembre de 2011Se están llevando a cabo experimentos recientes y en curso con alótropos de carbono superdensos y a alta presión .

El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50  GPa.

Para presiones mayores, los datos publicados (hasta 2007) sitúan el punto triple γ-ε-líquido a presiones que difieren en decenas de gigapascales y 1000  K en el punto de fusión. En términos generales, las simulaciones computacionales de dinámica molecular de la fusión del hierro y los experimentos con ondas de choque sugieren puntos de fusión más altos y una pendiente mucho más pronunciada de la curva de fusión que los experimentos estáticos realizados en celdas de yunque de diamante . ^{[ 18 ]}

Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización , son menores que los de los elementos del grupo 3d anteriores, desde el escandio hasta el cromo , lo que muestra la menor contribución de los electrones 3d al enlace metálico, ya que son atraídos cada vez más hacia el núcleo inerte por el núcleo ; ^{[ 19 ]} sin embargo, son mayores que los valores del elemento anterior, el manganeso, porque este elemento tiene una subcapa 3d semillena y, en consecuencia, sus electrones d no se deslocalizan fácilmente . Esta misma tendencia aparece para el rutenio , pero no para el osmio . ^{[ 20 ]}

Las temperaturas exactas a las que el hierro transita de una estructura cristalina a otra dependen de la cantidad y el tipo de otros elementos disueltos en él. El límite de fase entre las diferentes fases sólidas se representa en un diagrama de fases binario , generalmente como temperatura frente a porcentaje de hierro. La adición de algunos elementos, como el cromo , reduce el rango de temperatura de la fase gamma, mientras que otros lo aumentan. En los elementos que reducen el rango de la fase gamma, el límite de fase alfa-gamma se conecta con el límite de fase gamma-delta, formando lo que se conoce como bucle gamma . La adición de aditivos del bucle gamma mantiene el hierro en una estructura cúbica centrada en el cuerpo y evita que el acero experimente una transición de fase a otros estados sólidos. ^{[ 21 ]}