Какие свойства характерны для цементита
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.
Кристаллическая решётка такого соединения выглядит достаточно сложно. Она состоит из нескольких геометрических фигур, которые называются октаэдрами. У каждого из октаэдров в одной из вершин расположен атом углерода. Общая связь атомов железа и углерода получается достаточно сложной. Как показала металлургия, отдельный атом углерода находится в окружении восьми атомов железа. У каждого атома железа имеет связь с тремя атомами углерода. Их главные оси ориентированы относительно друг друга под некоторыми углами. Проведенный нейтронографический анализ наглядно подтвердил, что решётка цементита имеет именно такую форму.
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:
- химическая формула Fe3C;
- разложение структуры происходит при температуре более 1650°С;
- подвержен воздействию различных кислот (особенно высоко концентрированных);
- быстро вступает в реакцию с кислородом.
На основании существующих химических свойств сформированы физические и механические свойства. К основным физическим свойствам относятся:
- температура плавления равняется 1700 °С;
- молекулярная масса составляет 179,55 а.е.м.;
- плотность цементита равна 7,7 г/см3 при температуре равной 20 °С.
К основным механическим свойствам относятся:
- твердость;
- стойкость к ударным воздействиям (хрупкость);
- сопротивление на излом;
- пластичность.
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:
- первичный;
- вторичный;
- третичный.
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:
- первичная фракция образовывается в результате кристаллизации расплава;
- вторичный – в результате последовательного охлаждения аустенита;
- третичный – после охлаждения феррита.
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 – химическое соединение углерода с железом (карбид железа), Fe3C – одна из структурных составляющих
железоуглеродистых сплавов
(чугун, сталь),
содержит 6,67% C.
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°С.
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); tпл=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
Согласно данным Гуляева А.П. [2] температура плавления цементита – около 1600°.
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
Вторичный цементит выделяется из аустенита – γ-твёрдого раствора. При охаждении выделение происходит по линии ES
(диаграмма Fe-C). Форма вторичного цементита: цементитная сетка, цементит по границам зёрен.
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)
Лит.:
- Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1
- Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977. – УДК669.0(075.8)
- Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ. изд./ Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. М.: Металлургия, 1986. 440 с. УДК 669.15.017.12(083)
- Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.
- H. K. D. H. Bhadeshia. The Structure of Cementite // Department of Materials Science and Metallurgy/ University of Cambridge [Электронный ресурс], Last updated 19/6/2008 – Режим доступа: https://www.msm.cam.ac.uk/, свободный. – Загл. с экрана.
См. также Железоуглеродистые сплавы, Диаграмма состояния системы железо-цементит.
Источник
Цементит – это химическое соединение состава Fe3C – карбид железа. Известно, что растворимость углерода в железе невелика: в α – железе растворяется около 0,02% С при эвтектоидной температуре, а при комнатной – порядка 0,008%. В – железе растворяется до 2,14% С при температуре 1147оС, при комнатной температуре -железо не существует (про аустенит при комнатной температуре написано в статье «Как увидеть аустенит?» на этом сайте). Поэтому в структуре стали и чугуна углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита.
Сейчас речь о цементите. Температура плавления цементита – порядка 1250 оС. 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.
Первичный цементит формируется в заэвтектическом чугуне непосредственно при кристаллизации (рис.3). Длинные протяженные кристаллы – это выделения первичного карбида. Область на диаграмме состояния, в которой присутствует только первичный цементит, окрашена в розовый цвет.
Рисунок 3 .Заэвтектический хромистый чугун
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.
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 1147оС концентрация углерода в аустените снижается, а из «освободившегося» углерода формируется цементит. При эвтектоидной температуре аустенит распадается, поэтому ниже 727оС 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.
Рисунок 7 .Третичный цементит в стали 08Ю (а), углеродистой стали (б,в)
Выделение третичного цементита – это результат старения. Дело в том, что концентрация углерода в феррите изменяется при изменении температуры. Предел насыщения феррита углеродом показывает линия PQ (рис.8). Концентрация углерода в феррите изменяется с изменением температуры – при 723 оС в феррите растворяется около 0,03 %С, а при комнатной температуре – до 0,008 %С. Если сталь нагреть выше линии PQ, а затем быстро охладить (т.е. закалить), то в результате закалки получим пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Этот раствор не будет неизменным с течением времени. И при комнатной температуре, и при повышенной он будет распадаться – стареть. Упрочняющей фазой, образующейся при таком старении, и является третичный цементит.
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.
Рисунок 9. Морфология цементита в стали: а – пластинчатый цементит, б – глобулярный.
Рисунок 10 . Первичный цементит и карбиды в стали Р18
В белом чугуне присутствует первичный цементит, аналогичный по структуре тому, который показан на рис.3 и 4. В серых чугунах (после операции графитизации) иногда может остаться незначительное количество цементита (рис.11 а, включение цементита отмечено стрелкой), а также цементит перлита, который не распадается при отжиге (рис. 11 б). На рис.12 белые «скелетики» – это первичный цементит в аустенитном чугуне; белые мелкие включения по полю – тоже выделения цементита (или карбидов, потому что это легированный чугун), который можно назвать вторичным.
Рисунок 11. Структура серого чугуна.
Рисунок 12. Цементит в аустенитном чугуне.
Источник
Заэвтектоидные стали
Стали с содержанием углерода от 0,81 до 2% называются заэвтектоидными, ихструктурасостоит из перлита и вторичного цементита.
Цементит – самая хрупкая и твердая (НВ>800) структурная составляющая. Пластичность цементита ничтожно мала и практически равна нулю, что, вероятно, является следствием сложного строения его кристаллической решетки. Кристаллическая структура цементита очень сложна. Есть много различных способов ее изображения, один из наиболее удачных показан на рис. 6.
Цементитная сетка в структуре стали снижает ее пластичность, а твердость – увеличивает. Поэтому с возрастанием количества вторичного цементита пропорционально увеличению концентрации в ней углерода твердость ее повышается, а пластичность падает.
Рис. 6. Кристаллическая структура цементита
Цементит содержит 6,67% углерода, является самой хрупкой и твердой (НВ до 800) структурной составляющей железоуглеродистых сплавов.
В заэвтектоидной стали вторичный цементит обычно расположен в виде светлой сетки или светлых зерен (цепочки) по границам перлитных зерен или в виде игл (рис.7).
Рис.7. Микроструктура заэвтектоидной стали У12 – 1,2 % С
(перлит + цементит вторичный)
а – цементит вторичный зернистый; б – в виде сетки по границам зерен
В сталях, содержащих углерод несколько меньше 0,81%, в виде сетки по границам зерен перлита может также выделиться феррит. При обычном травлении 4%-ным раствором азотной кислоты эта сетка также получается светлой. Для выяснения, является эта сетка ферритной или цементитной, микрошлиф подвергают травлению пикратом натрия.
Если сетка после травления осталась светлой, то это феррит и, следовательно, сталь является доэвтектоидной; если сетка потемнеет, то это цементит, и сталь является заэвтектоидной.
Вторичный цементит в заэвтектоидиой стали занимает незначительную по величине площадь, определить которую на глаз затруднительно. Поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, для заэвтектоидных – не пользуются.
Выделение вторичного цементита по границам зерен аустенита и цементита перлита в виде пластинок нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью, плохо обрабатывается резанием и после окончательной термической обработки готовые детали (инструмент) будут иметь пониженные механические свойства, главным образом малую пластичность и ударную вязкость. Поэтому стремятся получать цементит в виде мелких зерен округлой формы (шарики). Структура зернистого перлита является исходной структурой для инструментальных сталей (рис.4).
Таким образом, свойства стали после медленного охлаждения определяются свойствами ее структурных составляющих и их количественным соотношением. Структура же стали состоит из перлита с избыточным или ферритом, или цементитом, в зависимости от количества в ней углерода. Следовательно, именно содержание углерода в стали определяет ее механические и технологические свойства – прочность, твердость, пластичность, вязкость.
Количество цементита в структуре стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода, а как указывалось выше, твердость цементита НВ>800 (8000-8500 МПа) на порядок больше твердости феррита НВ 45-80 (450-800 МПа). Кроме того, частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации, уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали содержания углерода до 1,0% возрастают твердость, прочность, предел текучести и понижаются показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) и ударная вязкость (рис.6).
При содержании углерода свыше 1,0-1,1% твердость стали в отожженном состоянии возрастает, а прочность уменьшается из-за наличия вторичного цементита, образующего сплошную сетку и вызывающего хрупкое преждевременное разрушение.
С увеличением содержания углерода меняется структура стали, увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита. Это приводит соответственно к изменению свойств стали.
Pиc. 8. Влияние углерода на механические свойства стали
Чем больше углерода в стали, тем выше твердость и прочность, но ниже пластичность (рис.8).
Механические свойства стали зависят также от формы и размеров феррито-цементитной смеси.
Чем дисперсней (тоньше) частички феррито-цементитной смеси, тем выше твердость и прочность стали.
Зернистая форма цементита по сравнению с пластинчатой при одинаковой твердости обладает более высокой пластичностью и ударной вязкостью.
С повышением содержания углерода в стали:
– снижается свариваемость, углерод способствует также образованию трещин и пор в процессе сварки в сварном шве,
– до некоторого содержания углерода (0,3-0,5%) улучшается обрабатываемость резанием.
Далее с повышением содержания углерода:
– ввиду высокой твердости стали, обрабатываемость резанием ухудшается;
– повышается порог хладноломкости стали;
– усиливается чувствительность стали к дисперсному старению и к старению после холодной пластической деформации;
– понижается устойчивость стали против коррозии в атмосферных условиях, в речной и морской воде.
Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии (не менее)
| Марка стали | Временное сопротивление разрыву | Предел текучести | Относительное удлинение | Относительное сужение | Ударная вязкость, |
| МПа | % | Нм/см2 | |||
| 08кп | – | ||||
| – | |||||
| 10кп | – | ||||
| – | |||||
| 15кп | – | ||||
| – | |||||
| 20кп | – | ||||
| – | |||||
| 50 | |||||
| – | |||||
| – | |||||
| – | |||||
| – | |||||
| – | |||||
| – | |||||
| – |
Источник