Цементит: структура, свойства, виды

Некоторые элементы диаграммы железо-углерод

Выделим несколько границ на диаграмме железо-углерод:

линия ACD. Линия ликвидус . При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;
линия AECF. Линия солидус . При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;
линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;
линия PSK. Линия перлитного превращения . При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;
точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;
точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;
точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Часто значения температур, при которых происходят структурные изменения конкретного сплава обозначают буквами A:

A1 – линия PSK;
A2 – линия MO – точка Кюри, в которой происходит изменение магнитных свойств сплавов;
A3 – температуры, соответствующие линии GS;
Acm – температуры, соответствующие линии SE.

Поскольку температуры фазовых переходов при нагреве и охлаждении слегка отличаются, то часто вводят дополнительные буквенные обозначения:

с – для температур фазовых переходов при нагреве;
r – при охлаждении,

например, Ac1 или Ar1.

Общие сведения о сплаве

Отличительным свойством стали является наличие в структуре специальных легированных примесей и углерода. Собственно, по содержанию углерода и определяют доэвтектоидный сплав

Здесь важно различать и классическую эвтектоидную, а также ледебуритную стали, которые имеют много общего с описываемой разновидностью технического железа. Если рассматривать структурный класс стали, то доэвтектоидный сплав будет относиться к эвтектоидам, но содержащим в составе легированные ферриты и перлиты. Принципиальным отличием от заэвтектоиднов является уровень углерода, находящийся ниже 0,8%

Превышение этого показателя позволяет относить сталь к полноценным эвтектоидам. В некотором роде противоположностью доэвтектоида является заэвтектоидная сталь, в которой помимо перлита также содержатся вторичные примеси карбидов. Таким образом, существует два основных фактора, позволяющих выделять доэвтектоидные сплавы из общей группы эвтектоидов. Во-первых, это относительно небольшое содержание углерода, а во-вторых, это особый набор примесей, основу которых составляет феррит

Принципиальным отличием от заэвтектоиднов является уровень углерода, находящийся ниже 0,8%. Превышение этого показателя позволяет относить сталь к полноценным эвтектоидам. В некотором роде противоположностью доэвтектоида является заэвтектоидная сталь, в которой помимо перлита также содержатся вторичные примеси карбидов. Таким образом, существует два основных фактора, позволяющих выделять доэвтектоидные сплавы из общей группы эвтектоидов. Во-первых, это относительно небольшое содержание углерода, а во-вторых, это особый набор примесей, основу которых составляет феррит.

Компоненты в системе «железо-углерод»

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит:

Железо

Железо – d-переходный металл серебристо-светлого цвета. Температура плавления – 1539° С. Удельный вес равен 7,86 г/см3. Наиболее существенной особенностью железа является его полиморфизм. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — α и γ. Полиморфные превращения происходят при температурах 911° С и 1392° С. При температуре ниже 911° С и выше 1392° С существует Feα (или α-Fе) с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392° С устойчивым является Feγ (или γ-Fе) с гранецентрированной кубической решеткой. При превращении α→γ наблюдается уменьшение объема, так как решетка γ-Fе имеет более плотную упаковку атомов, чем решетка α-Fе. При охлаждении во время превращения γ→α наблюдается увеличение объема. В интервале температур 1392…1539° С высокотемпературное Feα называют Feδ. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы.

При температуре ниже 768° С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точку 768° С, соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри. Модификация Feγ парамагнитна.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (временное сопротивление – σв=250 МПа, предел текучести – σт=120 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 %, а относительное сужение – ψ=80 %). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500° С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000° С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит

Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Более точные исследования показали, что цементит может иметь переменную концентрацию углерода. Однако в дальнейшем, при разборе диаграммы состояния, сделаем допущение, что Fе3С имеет постоянный состав. Кристаллическая решетка цементита ромбическая, удельный вес 7,82 г/см3 (очень близок к удельному весу железа). При высоких температурах цементит диссоциирует, поэтому температура его плавления неясна и проставляется ориентировочно – 1260° С. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 210° С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: например, азотом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Если графит является стабильной фазой, то цементит – это метастабильная фаза. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита

Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов

характеристики

При длительном отжиге или чрезвычайно медленном охлаждении метастабильный цементит распадается на железо и графит . Кристаллическая структура цементита является относительно сложной. В орторомбической элементарной ячейке имеется двенадцать атомов железа и четыре атома углерода , причем атомы углерода окружены восемью атомами железа относительно нерегулярным образом ( тригонально- призматическая двойная заглушка ). Цементит очень твердый ( = 800) и износостойкий, но хрупкий, поэтому его трудно пластически деформировать. Он имеет более низкую плотность , чем железо , и ниже его температуры Кюри 215 ° C ферромагнетика .

Зависимость молекулярного объема цементита от давления при комнатной температуре.

Поскольку углерод является одним из возможных легких компонентов в сплавах железа, составляющих ядра планет, свойства соединений железа с углеродом экспериментально исследуются даже при чрезвычайно высоких давлениях и / или температурах. На графике напротив показан молярный объем как функция давления при комнатной температуре для цементита как упрощенного модельного вещества для когенита.

Иглы первичного цементита

Обрабатываемость очень плохо. На практике цементит не поддается механической обработке (фрезерованию, сверлению и т. Д.). Он может встречаться в свободной форме или в составе перлита или бейнита и влиять на обрабатываемость этой структуры. Из-за своей высокой твердости он вызывает высокий . См. Также: Обрабатываемость стали .

ЦЕМЕНТИТ

ЦЕМЕНТИТ

– химическое соединение (карбид железа) в железоуглеродистых сплавах, и соответствующее максимальному содержанию углерода. Химическая формула цементита Fe3C, концентрация углерода – 6,67% (по массе) (по массе). Также по теме: УГЛЕРОД

Как следует из диаграммы состояния железо – углерод, как фазовая составляющая цементит есть в железоуглеродистых сплавах уже при очень малых содержаниях углерода (сотые доли процента) и его количество возрастает по мере увеличения содержания углерода. При этом цементит входит в структурную составляющую перлит (смесь феррита и цементита), существующую в стали, наряду с ферритом. По мере увеличения содержания углерода доля перлита в структуре возрастает и, соответственно, возрастает количество цементита. При содержании углерода 0,8% (эвтектоидная сталь) структура целиком состоит из перлита. При дальнейшем увеличении содержания углерода в стали, кроме перлита появляется избыточный цементит. Вплоть до содержания углерода 1,7% железоуглеродистые сплавы называются сталями, при более высоких концентрациях до максимальной 6,67% – чугунами.

В процессе термической обработки в сталях цементит образуется при охлаждении и распаде твердого раствора (аустенита), в чугунах – непосредственно при охлаждении из жидкого состояния. Соответствующая структурная составляющая из цементита и аустенита, называется ледебурит с общим содержанием углерода в 4,3%. При дальнейшем увеличении доли углерода при охлаждении из жидкости при охлаждении выделяются цементит (первичный) и ледебурит. В чугунах, содержащих аустенит, при охлаждении происходит перлитное превращение, также приводящее к выделению цементита.

Также по теме:

ХИМИЯ

Цементит имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому железоуглеродистые сплавы, содержащие много цементита, не поддаются пластической деформации.

Из-за различных механизмов образования цементита его микроструктура может очень сильно отличаться для сплавов с различным содержанием углерода после различных термических обработок и размеры кристаллов могут меняться от сотых долей до нескольких мм.

Кристаллическая структура цементита, определенная рентгеноструктурным анализом, – ромбическая. Ее элементарная ячейка, т.е. минимальная конфигурация атомов, параллельным переносом которой можно заполнить пространство, представляет собой прямоугольный параллелепипед с различными размерами по всем трем осям и определенным расположением атомов железа и углерода в ячейке.

В легированных сталях могут возникать соединения с химической формулой, аналогичной формуле цементита, но с частью атомов железа, замещенных атомами легирующего элемента. Такие соединения носят название специальных карбидов.

Лев Миркин

Компоненты в системе железо углерод

Аустенит

Атомы размещается в гранецентрированной ячейке. Твердость аустенита имеет твердость 200 … 250 единиц по Бринеллю. Кроме того у него хорошая пластичность и он отличается парамагнитностью.