铁的同素异形体

在大气压下，根据温度的不同，存在三种铁的同素异形体形式：α 铁 (α-Fe)、γ 铁 (γ-Fe) 和 δ 铁 (δ-Fe)。 在非常高的压力下，存在第四种形式，称为ε铁（ε-Fe）。 一些有争议的实验证据表明存在第五种高压形式，它在非常高的压力和温度下稳定。

大气压力下铁的相很重要，因为碳的溶解度不同，形成不同类型的钢。 铁的高压相作为行星核心固体部分的模型很重要。 通常认为地球内核主要由具有 ε 结构的结晶铁镍合金组成。 围绕固体内核的外核被认为是由液态铁、镍和微量较轻元素混合而成。

在 912°C（1,674°F）以下，铁具有体心立方 (bcc) 晶体结构，称为 α-铁或铁素体。 它是热力学稳定的并且是一种相当软的金属。 α-Fe 可以承受高达 ca 的压力。 15 GPa，然后转变为下文讨论的称为 ε-Fe 的高压形式。

磁性方面，α-铁在高温下呈顺磁性。 然而，低于 771°C（1044K 或 1420°F）的居里温度（TC 或 A2）时，它会变成铁磁性的。 过去，α-铁的顺磁性形式被称为β铁（β-Fe）。 尽管铁磁状态下的轻微四方畸变确实构成了真正的相变，但这种相变的连续性质在钢热处理中的重要性并不大。 在图 1 的相图中，A2 形成了 β 铁和 α 场之间的边界。

同样，与 A1（共析）、A3 和 Acm 临界温度相比，A2 的重要性也不大。 奥氏体与渗碳体 + γ-Fe 处于平衡状态的 Acm 超出了图 1 中的右边缘。从技术上讲，α + γ 相场是 A2 上方的 β + γ 场。 β 命名保持了钢铁中希腊字母相序的连续性：α-Fe、β-Fe、奥氏体 (γ-Fe)、高温 δ-Fe 和高压六铁 (ε-Fe) .

低碳钢或低碳钢和大多数铸铁在室温下的主相是铁磁性 α-Fe。 它的硬度约为 80 布氏硬度。 碳的xxx溶解度在 727 °C (1,341 °F) 时约为 0.02 wt%，在 0 °C (32 °F) 时约为 0.001%。 当它溶于铁时，碳原子占据间隙空穴。 大约是四面体孔直径的两倍，碳引入了强大的局部应变场。

低碳钢（碳含量高达约 0.2 wt% 的碳钢）主要由 α-Fe 和越来越多的渗碳体（Fe3C，一种碳化铁）组成。 该混合物采用称为珠光体的层状结构。 由于贝氏体和珠光体均含有α-Fe成分，任何铁碳合金如果在室温下达到平衡，都会含有一定量的α-Fe。 α-Fe 的量取决于冷却过程。

β-Fe 和 A2 临界温度在钢的感应加热中很重要，例如表面硬化热处理。 在淬火和回火之前，钢通常在 900–1000 °C 下奥氏体化。 感应加热的高频交变磁场通过两种机制将钢加热到居里温度以下：电阻或焦耳 (I2R) 加热和铁磁滞后损耗。 在 A2 以上，滞后机制消失，温度每升高一度所需的能量xxx大于 A2 以下。 可能需要负载匹配电路来改变感应电源中的阻抗以补偿变化。

当将铁加热到 912°C（1,674°F）以上时，其晶体结构会变为面心立方 (fcc) 晶体结构。 以这种形式，它被称为伽马铁 (γ-Fe) 或奥氏体。 γ-铁可以溶解更多的碳（在 1,146 °C 时按质量计多达 2.04%）。 这种 γ 形式的碳饱和在不锈钢中表现出来。

特别是，在 1,394 °C (2,541 °F) 以上时，铁会变回 bcc 结构，称为 δ-Fe。 在 1,475 °C 时，δ-铁可以溶解多达 0.08% 的碳。 它的熔点高达 1,538 °C (2,800 °F)。

在大约 10 GPa 以上的压力和几百开尔文或更低的温度下，α-铁会变成密排六方 (hcp) 结构，也称为 ε-铁或六铁； 较高温度的 γ 相也会变成 ε 铁，但会在较高压力下发生。 已经观察到 epsilon-Fe 与 Mn、Os 和 Ru 的合金中的反铁磁性。