Цементит

Цементит относится к неустойчивым соединениям и при определённых условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Цементит способен образовывать твёрдые растворы замещения. Атомы углерода (C) могут замещаться атомами неметаллов – N, O; атомы железа (Fe) – металлами Mn, Cr, W и другими. Такой твёрдый раствор на базе решётки цементита называется легированным цементитом. Обычное обозначение легированного цементита M₃C, где под буквой M понимается железо и другие металлы, замещающие атомы железа в решётке цементита.

Цементит Fe₃C имеет ромбическую структуру. Периоды решётки: a=0,45244±0,0005 нм, b=0,50885±0,0005 нм, c=0,67431±0,0005 нм; последующие исследования подтвердили эту структуру и дали близкие значения периодов. Нейтронографический анализ также подтвердил ромбическую структуру цементита. Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитное состояние равна 215&degС.

На рисунке [5] представлена ячейка кристаллической решётки цементита. Кристаллическая структура цементита очень сложна. Кристалл цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены друг к другу под некоторыми углами. Внутри каждого октаэдра располагается атом углерода. На рисунке зелёным цветом выделены атомы углерода: каждый атом углерода окружён восемью атомами железа; каждый атом железа связан с тремя атомами углерода.

Свойства цементита

Цементит имеет металлические свойства (электропроводность, металлический блеск и т.д.) благодаря тому, что в решётке и железо и углерод положительно ионизованы, то есть и металл и углерод ведут себя в соединении, как металл. Цементит хрупок, имеет высокую твёрдость (HB более 800); t_пл=1250°C; Цементит имеет чрезвычайно низкую, практически нулевую пластичность. Эти свойства цементита являются, вероятно, следствием сложности строения кристаллической решётки цементита.

При низких температурах цементит слабо ферромагнитен. Магнитные свойства цементит, согласно различным источникам, теряет при температуре 215-217°.

Температура плавления цементита

По расчётным данным [3], виртуальная температура плавления цементита оценивается равной 1200-1450°. Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при температурах 1250-1300°.

Первичный цементит

Различают первичный, вторичный и третичный цементит. Первичный цементит выделяется из жидкости. Первичный цементит выделяется только при закалке сплавов, содержащих до 5,5% (по массе) углерода [3]. Форма первичного цементита: длинные крупные пластины.

Вторичный цементит

Третичный цементит

Третичный цементит выделяется из феррита. Форма третичного цементита: пластинки и прожилки, а также выделения в виде иголок в ферритном зерне. При более быстром охлаждении часть углерода остаётся в твёрдом растворе; выделение третичного цементита подавляется.

Другие формы существования цементита (по Хоу): цементит перлита, цементит ледебурита, цементит Стеда, зернистый цементит, специальные карбиды.

Автор обзора: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Источник

Что такое первичный цементит

Сейчас речь о цементите. Температура плавления цементита – порядка 1250 о С. Цементит имеет твердость порядка 800 HB и очень низкую пластичность. Такие свойства цементита связаны с его сложной кристаллической решеткой (рис. 1).

Рисунок 1. Схема кристаллической решетки цементита (А.П. Гуляев. Металловедение)

Нас интересует в первую очередь то, что цементит – это фаза железоуглеродистых сплавов. Если исходить только из диаграммы состояния железо-углерод, то различают цементит первичный, вторичный и третичный. Положение этих видов цементита показано на диаграмме состояния (рис. 2) различным цветом.

Рисунок 2. Цементит на диаграмме состояния железо-углерод.

Цементит в составе ледебурита тоже относится к первичному цементиту (рис.4, 5). Цементит ледебурита в доэвтектическом чугуне тоже первичный, поскольку ледебурит формируется при кристаллизации расплава.

а	б

Рисунок 4. Дендриты первичного цементита (а) и ледебурит в половинчатом чугуне (б)

Рисунок 5. Ледебурит

Вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита (зеленая область на диаграмме состояния), поскольку ниже 1147 о С концентрация углерода в аустените снижается, а из «освободившегося» углерода формируется цементит. При эвтектоидной температуре аустенит распадается, поэтому ниже 727 о С на диаграмме состояния всегда есть вторичный цементит. При комнатной температуре мы видим вторичный цементит в составе перлита, а также по границам зерен в заэвтектоидной стали (рис.6).

Рисунок 6. Вторичный цементит и перлит в заэвтектоидной стали

Третичный цементит формируется при охлаждении феррита (голубой участок на диаграмме состояния). В отличие от других видов цементита, его трудно наблюдать, поскольку он выделяется в небольших количествах, а при повышении концентрации углерода соединяется с цементитом перлита. Обычно третичный цементит выделяется по границам зерен (рис.7). Иногда он сам не виден, но декорирует границу зерна, и ее лучше видно.

а	б	в

Рисунок 8. Область выделения третичного цементита (отмечено голубым) на диаграмме состояния железо-углерод.

Итак:
• первичный цементит кристаллизуется из расплава;
• вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита;
• третичный цементит формируется при охлаждении феррита.

В сталях и чугунах цементит может принимать разный вид. Вторичный цементит в сталях может иметь различную морфологию. Обычно цементит имеет форму пластинок в составе перлита (рис. 9 а). Тогда отличить его от феррита можно только при специальном травлении. После определенного отжига перлит трансформируется, а цементит принимает форму округлых включений. Это зернистый перлит (рис. 9 б). Статья о зернистом перлите есть на этом сайте.
В сталях, где есть легирующие элементы, цементит не имеет формулы Fe₃C. Цементит может образовать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут заменяться другими неметаллами – азотом, кислородом, атомы железа – атомами легирующих элементов – хромом, никелем, вольфрамом и т.д. В этом случае формируется легированный цементит, формулу которого записывают как Me₃C. Буква М обозначает атомы металлов, частично замещающие железо. В большинстве сталей цементит легированный. Мы имеем дело с цементитом сталей, в основном, в следующих случаях. После нормализации цементит стали входит в состав перлита (вторичный цементит, рис.6); иногда можно видеть и третичный цементит (рис. 7). После закалки и отпуска в стали присутствуют карбиды; состав их различен; но так или иначе карбиды состава Me₃C надо отнести ко вторичному цементиту. На рис. 10 показаны карбиды в стали Р18 после закалки и отпуска. Еще там можно увидеть остатки литой структуры («скелетик» в центре кадра); это карбид, который закристаллизовался из жидкости; можно принять его как первичный цементит. Он не устранился дальнейшей обработкой.Это дефект структуры, который ведет к снижению свойств.

Источник

Цементит

Химическое соединение железа с углеродом в определённых пропорциях приводит к появлению карбида железа, который называется цементит. Обладая низкой растворимостью в любой фракции железа этот процесс возможен только при высокой температуре. Это обусловлено низкой растворимостью углерода в железе.Структура цементита имеет форму правильного ромба. Химическая формула цементита указывает на наличие в молекуле трёх атомов железа и одного атома углерода. Она записывается следующим образом Fe₃C.

Химические свойства

Как химическое соединение цементит обладает своими физическими, химическими и механическими характеристиками. Он имеет серый кристаллический вид на изломе, относительно твёрдый с высокой термической устойчивостью. Основные химические свойства цементита выражаются в следующих показателях:

На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:

К основным механическим свойствам относятся:

Твёрдость этого соединения достигает больших значений и равна НВ 8000 МПа или HRC 70. Однако он обладает достаточной хрупкостью и низкой пластичностью.

Обладая перечисленными свойствами, цементит активно используется при производстве литых деталей различного назначения. Образование различного вида цементита и его соединений с другими формами приводит к изменению характеристик получаемой стали или чугуна, следовательно, к улучшению или снижению отдельных потребительских свойств.

Например, для получения белого чугуна и придания ему высокой прочности и пластичности стараются перевести цементит в графит. Это достигается при проведении операции отжига. При возрастании температуры он распадается на две составляющие: феррит и графит.

Иногда вместо феррита в чугуне образуется перлит. В этих случаях получается две формы чугуна. Первая называется ферритным, вторая – перлитным.

В зависимости от требуемых свойств в чугуне стараются сохранить требуемое количество цементита. Особенно это касается так называемого свободной фракции этого соединения. Для снижения его концентрации применяют различные способы химической и термической обработки. Для решения этой задачи применяют раствор азотной кислоты в чистом спирте. Структурно свободный цементит выпадает в осадок в результате кипячения чугунной болванки в этом растворе. Кроме этого применяют три вида обработки: отжиг, нормализацию и закалку.

Техническое железо содержит третичный цементит в сочетании с ферритом. Он проявляется по границе феррита при содержании углерода от 0,01% до 0,025%. Для повышения качества стали стараются снизить содержание свободного цементита. Особенно его концентрация наблюдается в мягких марках стали. Большое влияние на качество штамповки оказывает содержание этой смеси и перлита в единице объёма. Излишнее присутствие третичного цементита, особенно в форме продолжительной цепочки или сетки приводит к образованию разрывов во время штамповки. Поэтому для получения хорошей ковочной стали стараются снизить количество третичного цементита. Структура таких образований не должна превышать второго балла по установленной шкале. Получаемая твёрдость не должна превышать HB 50 единиц.

Первичный, вторичный и третичный цементит

По способу и области образования он подразделяется на три основных вида:

Образование первичного цементита наблюдается в процессе кристаллизации заэвтектического чугуна. В этот момент образуются кристаллы вытянутой формы. Они образовывают первичный карбид. Первичное образование может проявляться в доэвтектическом чугуне в составе ледебурита в процессе кристаллизации расплава. Проведенные исследования показали, что такая смесь железа и углерода присутствует не только в белом чугуне. Она может проявиться в сером чугуне после завершения операции так называемой графитизации.

Процесс образования вторичного вида наблюдается в основном при охлаждении аустенита. Это явление наблюдается при снижении температуры ниже 1147 °С. При такой температуре происходит снижение концентрации углерода в аустените. Освободившиеся атомы углерода вступают в новые связи, и образуется цементит, который называется вторичным. При дальнейшем снижении температуры до эвтектоидной продолжается его формирование. Даже при комнатной температуре он встречается в составе перлита. В этих условиях его можно обнаружить в заэвтектоидной стали. Он образовывается на границах зернистой структуры.

Процесс охлаждения феррита формирует так называемый третичный цементит. Данный вид достаточно сложно зафиксировать, и проводит дальнейшее наблюдение за его образованием. Эта проблема связана с появлением третичного цементита в небольших количествах. Исследования образования данной фракции показали, что он приобретает несколько форм: пластинки, прожилки или в форме иголок. Все эти элементы формируются в зёрнах феррита. Третичное образование достаточно сложно получить, потому что при повышении процентного содержания углерода третичный цементит соединяется с перлитом. При повышении скорости охлаждения содержание углерода сохраняется в растворе металла и образование третичной фракции прекращается. Явным признаком образования является результат постепенного старения феррита. В этом случае в содержании феррита изменяется концентрация углерода.

Из приведенного выше описания можно сделать следующие выводы:

В различных марках стали и чугуна цементит первичный обладает высокой вариативностью формы. Это могут быть пластины правильной формы полоски или образования в форме иголок. При проведении операции отжига он может принимать форму округлых образований. Как результат трансформируется в зернистый перлит.

Источник

Цементит

Феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe₃C. Концентрация углерода 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень тверд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с легкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Цементит» в других словарях:

цементит — Одна из основных фаз железоуглеродистых сплавов, представляющая собой химическое соединением (карбид железа) состава Fe3C. Из всех фаз в системе железоуглеродистых сплавов цементит обладает наиболее высокой твердостью и очень низкой пластичностью … Справочник технического переводчика

ЦЕМЕНТИТ — (Fe3C), твердый железоуглеродный состав, являющийся основным компонентом стали. Процесс получения цементита был одним из первых в истории процессов изготовления стали: уже во втором тысячелетии до н. э. кузнецы Хеттской цивилизации вносили… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЦЕМЕНТИТ — карбид железа, фазовая и структурная составляющая железоуглеродистых сплавов; составная часть перлита, сорбита, троостита и ледебурита и продуктов отпуска стали … Большой Энциклопедический словарь

цементит — сущ., кол во синонимов: 1 • карбид (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

ЦЕМЕНТИТ — м л, искусственный аналог когенита. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия

ЦЕМЕНТИТ — (карбид железа) одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов, хим. соединение железа и углерода Fe3C, содержащее 6,67% углерода; хрупок, имеет высокую твёрдость. Ц. является составной частью стали после её (см.) … Большая политехническая энциклопедия

цементит — карбид железа, фазовая и структурная составляющая железоуглеродистых сплавов; составная часть перлита, сорбита, троостита и ледебурита и продуктов отпуска стали. * * * ЦЕМЕНТИТ ЦЕМЕНТИТ, карбид железа Fe3C, фазовая и структурная составляющая… … Энциклопедический словарь

ЦЕМЕНТИТ — химическое соединение железа и углерода Fe3C ( … Металлургический словарь

Цементит — [cementite] карбид железа Fe3C; содержит 6,7 мас. % С и имеет сложную ромбическую решетку. В цементите атомы Fe образуют плотную упаковку, а атомы С внедряются между атомами Fe. В легированном цементите атомы растворенного в нем металла частично… … Энциклопедический словарь по металлургии

Источник