Rauta
Fysikaaliset ominaisuudet > Allotrooppiset muodot

Rauta voi pääasiassa lämpötilasta riippuen esiintyä useissa allo­trooppisissa muodoissa. Varmuudella tunnetaan neljä allotrooppista muotoa, joita merkitään kreikkalaisilla aakkosilla α, γ, δ ja ε, jota paitsi teoreettisesti on päätelty, että hyvin korkeassa paineessa saattaa esiintyä viideskin muoto, β-rauta. Kun puhdas sula rauta jäähtyy, se kiteytyy 1 538 °C:ssa δ-raudaksi, jolla on tilakeskeinen kuutiollinen (bcc) kiderakenne. Kun se edelleen jäähtyy 1 394 °C:seen, se muuttuu allotrooppiseksi muodoksi γ, jossa sillä on pintakeskeinen kuutiollinen (fcc) kiderakenne ja joka tunnetaan myös nimellä austeniitti. Jäähtyessään edelleen 912 °C:n alapuolelle kiderakenne muuttuu jälleen tilakeskeiseksi kuutiolliseksi, ja tällöin on kyseessä allotrooppinen muoto α, joka tunnetaan myös nimellä ferriitti. Kun sen lämpötila edelleen alenee raudan Curie-pisteeseen, 770 °C, siitä tulee ferro­magneettista. Kun rauta sivuuttaa Curie-pisteen, sen kiderakenne ei muutu, mutta vain tämän lämpötilan alapuolella siinä esiintyy Weissin alkeisalueita, joissa atomien magneettiset momentit ovat saman suuntaiset. Nämä Weissin alkeisalueet ovat läpimitaltaan vain noin 10 mikrometriä, mutta niistäkin jokaisessa on miljardeja atomeja.
Noin 10 GPa:n paineessa ja useiden satojen celsius­asteiden lämpötilassa α-rauta muuttuu ε-raudaksi, jolla on heksa­gonaalinen tiivis­pakkauksellinen (hcp) kiderakenne. Samoin käy myös γ-raudalle, mutta se edellyttää vielä korkeampaa painetta. Mikäli hypoteettinen β-rauta on olemassa, se edellyttää ainakin 50 GPa:n painetta ja 1 500 kelvinin lämpötilaa. On oletettu, että sen kiderakenne on joko ortorombinen tai kaksin­kertainen heksagonaalinen tiivispakkaus.
Käytännössä rautaa ei juuri käytetä puhtaana vaan seostettuna hiilen, usein myös muiden metallien kanssa. Teräslaatuja on hyvin monia, ja seos­aineet vaikuttavat siihen, missä allo­trooppisessa muodossa rauta niissä esiintyy. Mikäli lämpötila on muuttunut tarpeeksi nopeasti, puhdaskin rauta saattaa esiintyä muussa allotrooppisessa muodossa kuin mikä vallitsevassa lämpötilassa on pysyvin.
Tavallisissa lämpötiloissa α-rauta eli ferriitti on pysyvin. Se on jokseenkin pehmeä metalli, johon voi liueta vain pieni määrä hiiltä, 912 °C:n lämpötilassa enintään 0,021 massaprosenttia.
Kuumennettuna 912 °C:n ja 1 400 °C:n välille α-raudassa alkaa tapahtua faasimuutos, jossa sen kiderakenne muuttuu ja siitä tulee γ-rautaa eli austeniittia. Sekin on pehmeä metalli mutta siihen voi liueta enemmän hiiltä, 1 146 °C:ssa jopa 2,04 %. Jotkin rautaseokset kuten nikkeli- ja kromipitoinen ruostumaton teräs esiintyvät huoneenlämmössäkin austeniittisessa muodossa. Yleensä austeniitti kuitenkin muuttuu hitaasti jäähdytettäessä takaisin α-raudaksi eli ferriitiksi. Jos se kuitenkin jäähdytetään hyvin nopeasti ja se sisältää enemmän hiiltä kuin ferriittiin voi liueta, syntyy metastabiili muoto, martensiitti, jolla on tetragoninen kiderakenne. Tähän perustuu teräksen karkaisu.
Vain korkeissa paineissa esiintyvillä allotrooppimuodoilla kuten ε- ja β-raudalla ei ole käytännön merkitystä metallurgiassa, mutta niitä oletetaan esiintyvän planeettojen sisuksissa. Maan ytimen oletetaan koostuvan pääasiassa raudan ja nikkelin seoksesta, jolla on ε- tai mahdollisesti β-raudan rakenne.
Raudan sulamispisteen riippuvuus lämpötilasta on kokeellisesti varsin tarkoin selvitetty noin 50 gigapascaliin saakka. Suurempien paineiden osalta kokeet, joilla on yritetty selvittää γ- ja ε-muotojen sekä sulan raudan kolmoispiste, eivät ole johtaneet yhtäpitäviin tuloksiin, vaan eri tutkijoiden saamat arvot eroavat toisistaan kymmenien gigapascalien ja yli 1 000 kelvinin verran. Yleisesti ottaen molekyyli­dynaamiset raudan sulamisen ja shokkiaaltojen tietokone­mallinnukset viittaavat korkeampiin sulamispisteisiin ja sulamispisteen huomattavasti suurempaan riippuvuuteen paineesta kuin timanttialasinkammioissa tehdyt kokeet.