Fierul pur

Fierul pur

Fierul este un metal tranzitional de culoare alb-argintie. Numarul de ordine in tabelul periodic al elementelor este Z= 26. Raza atomica este 1,27Å, iar masa atomica 55,85 g/atom g. Fierul are densitatea 7,87g/cm³ si punctul de topire la 1538˚C .

Fierul prezinta doua puncte de transformare alotropica: la temperatura 912˚C notat A₃, si la 1394˚C, notat A₄, respectiv un punct de transformare magnetica (punct Curie) la 770˚C, notat A₂.

Intr-un interval de temperatura este stabila forma alotropica cu energia libera Gibbs minima (fig. 9.1). La temperaturi sub 912˚C, este stabil Feα, cu energie libera mai mica, care cristalizeaza in structura cubica cu volum centrat (CVC). Sub 770 ˚C, Feα este feromagnetic, peste 770˚C devine paramagnetic. Intre 912˚C si 1394˚C, este stabil Feγ, care cristalizeaza in structura cubica cu fete centrate (CFC) si este paramagnetic. Peste 1394˚C, energia libera minima corespunde Feα de temperatura inalta, notat Feδ, care cristalizeaza in structura CVC si este paramagnetic. Identitatea Feα de temperatura joasa cu Feδ de la temperatura ridicata este relevata de continuitatea in variatia cu temperatura a constantei reticulare a retelei cristaline pentru Feα si Feδ (fig. 9.2).

Transformarile care au loc la racirea sau incalzirea fierului pur, se pun in evidenta pe curbele de racire si incalzire, trasate prin metoda analizei termice (fig. 9.3). Sunt evidentiate trei paliere: la 1538˚C pentru cristalizare primara sau topire; 1394˚C - transformarea alotropica Feδ ↔ Feγ; 912˚C - transformarea alotropica Feγ ↔ Feα. La 770˚C, apare un punct de intoarcere corespunzator transformarii magnetice a Feα. Transformarea alotropica prezinta histerezis termic. Pe curba de racire apare un grad de subracire ca la cristalizarea primara, iar pe curba de incalzire, un grad de supraincalzire. Punctele de transformare alotropica la incalzire sunt notate Ac, iar cele determinate la racire sunt notate Ar. Diferenta Ac-Ar creste cu viteza de racire, respectiv viteza de incalzire.

Fierul tehnic pur prezinta o serie de impuritati. Continutul de fier variaza de la 99,8 la 99,9%. Gradul de puritate variaza in functie de metoda de obtinere (tabelul 9.1) Se cunosc urmatoarele varietati de fier tehnic pur

Fe Armco (abreviere de la denumirea producatorului initial - American Rolling Mill Company). Se elaboreaza in general in cuptor Martin si contine C, Mn si Si in concentratii reduse. Este folosit in electrotehnica ca material cu permeabilitate magnetica mare (miezuri magnetice) si ca materie prima pentru elaborarea otelurilor speciale. Are structura alcatuita din graunti poligonali de ferita si separari discontinue de cementita tertiara la limita de graunte (fig. 9.4);

Fe carbonil are un grad de puritate mai avansat. Se obtine sub forma de pulbere prin descompunerea pentacarbonilului de fier Fe(CO)₅ si se foloseste in metalurgia pulberilor;

Fe electrolitic are o puritate mai inalta. Contine hidrogen in cantitati relativ mari si trebuie degazat prin retopire in vid.

Fe purificat prin topire zonara permite reducerea impuritatilor la cateva procente per milion (ppm). Se foloseste pentru cercetari stiintifice.

Tabel 9.1 Compozitia chimica a varietatilor de Fe tehnic pur

Proprietatile mecanice ale fierului tehnic pur sunt determinate de structura cristalina, gradul de puritate si procesul de deformare plastica. Monocristalele de Fe sunt puternic anizotrope. Astfel, modulul de elasticitate longitudinala E variaza dupa directia de masurare conform tabelului 2. Se observa ca, la temperatura ambianta, valoarea maxima apare dupa directia [111] de densitate atomica maxima a structurii CVC. Fierul policristalin este cvasiizotrop.

Deformabilitatea plastica la rece este ridicata, fiind determinata de structura CVC a Feα. Deformabilitatea la cald este superioara, datorandu-se structurii CFC a Feγ. Valorile caracteristicilor mecanice prezinta o anumita dispersie, in functie de gradul de puritate. La temperatura ambianta, proprietatile mecanice ale Feα tehnic pur recopt variaza astfel:

- rezistenta la tractiune, Rm = 180-290 N/mm²;

- limita de curgere, Rp_0,2 = 100-170 N/mm²;

- alungirea la rupere, A = 40-50%

- strictiunea, Z = 80-93%

- duritatea, HB = 45-55 daN/mm²

- modulul de elasticitate, E = 210 GPa

Proprietatile fizico-chimice ale fierului tehnic pur:

1. proprietatile magnetice. Fierul este un material magnetic moale, cu permeabilitate magnetica ridicata si pierderi reduse la un ciclu de magnetizare. Proprietatile magnetice cresc prin micsorarea obstacolelor in miscarea domeniilor magnetice. De aceea, pierderile la un ciclu de magnetizare scad prin cresterea puritatii, a marimii de graunte si in absenta ecruisarii.

2. proprietatile termice:

- caldura specifica C_p depinde putin de impuritati. Creste cu temperatura, cu variatii bruste in punctele de transformare alotropica si maxim la punctul Curie A₂. In intervalul 20-700˚C, Feα are C_p = 0,107 - 0,23 cal/g ˚C, iar in intervalul 730-1500˚C, Feγ are C_p = 0,122-0,171 cal/g ˚C.

- coeficientul de dilatare termica α, variaza cu temperatura si forma alotropica, avand un minim la A₂. Valorile perntru Feδ se obtin prin extrapolarea la temperaturi ridicate a valorilor Feα. In intervalul 20-100-600˚C, Feα are α = (10 la 12,6 la 16)·10^-6 ˚C^-1; Feγ are, in intervalul 900-1000˚C, α = (21-23,5)·10^-6 ˚C^-1; la 1400˚C, Feδ are α = 16·10^-6 ˚C^-1.

- conductivitatea termica λ scade cu temperatura; in intervalul 0-800˚C, Feα are λ = 0,74-0,20 W/cm˚C. Valorile conductivitatii termice sunt mai reduse decat ale cuprului, ceea ce scade interesul in industrie pentru aceasta proprietate.

3. proprietati electrice. Rezistivitatea electrica ρ a fierului pur creste cu temperatura si cantitatea de impuritati. Efectul impuritatilor creste cu distanta acestora fata de Fe in tabelul periodic. In intervalul 0-900˚C, Feα are ρ = 9,8 -114·10^-3 Ωcm.

4. proprietati chimice. Fierul are un potential anodic fata de electrodul de hidrogen (+0,42V). Este mai putin nobil decat cuprul, care are potential catodic     (-0,34V) fata de electrodul de hidrogen, dar mai nobil decat zincul, care are potential anodic mai mare (+0,76V). Fierul este atacat de apa si acizi. Rezistenta la coroziune creste cu marirea puritatii. Intr-un mediu puternic oxidant, Fe poate fi pasivat. In acidul azotic concentrat, Fe se pasiveaza prin formarea unei pelicule protectoare de oxid. Prin aliere cu anumite elemente, cum este cromul, apare o pasivare durabila si in medii slab oxidante. Pe aceasta proprietate se bazeaza aplicatiile otelurilor inoxidabile.