Цементит: структура, свойства, виды

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.

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.

Отжиг стали

Практикуется использование нескольких методов отжига. Принципиально различаются техники полного и неполного отжига. В первом случае происходит интенсивный нагрев аустенита до критической температуры, после чего осуществляется нормализация посредством охлаждения. Тут же происходит распад аустенита. Как правило, полный отжиг сталей производится в режиме 700-800 °С. Термическая обработка на таком уровне как раз активизирует процессы распада элементов феррита. Скорость охлаждения тоже поддается регулировке, например, обслуживающий печь персонал может управлять дверцей камеры, закрывая или открывая ее. Новейшие модели изотермических печей в автоматическом режиме могут осуществлять замедленное охлаждение в соответствии с заданной программой.

Что касается неполного отжига, то он производится при нагреве с температурой выше 800 °С. Однако имеют место серьезные ограничения по времени удержания критического температурного воздействия. По этой причине происходит неполный отжиг, в результате которого феррит не исчезает. Следовательно, не устраняется и множество недостатков структуры будущего материала. Зачем же нужен такой отжиг сталей, если он не улучшает физические качества? На самом деле именно неполная термическая обработка позволяет сохранить мягкую структуру. Конечный материал, возможно, потребуется не в каждой сфере применения, характерной для углеродистых сталей как таковых, но зато позволит с легкостью произвести механическую обработку. Мягкий доэвтектоидный сплав без особых затруднений поддается резке и дешевле обходится в процессе изготовления.

Как пользоваться диаграммой железо-углерод

Часто преподы гасят студентов вопросами про использование диаграммы состояния. Ученик не понимает, как диаграммой пользоваться и зачем её вообще нужно изучать. Рассмотрим типичную задачу.

Нужно нам изучить состояния сплава, содержащего 0,4% углерода в своем составе. Имеем дело с обычной сталью.

Поднимаем перпендикуляр из точки, соответствующей количеству углерода в 0,4%.

Видим, что система, в диапазоне от 0 до 700 градусов, представляет собой твердую смесь перлита и цементита. В точке 4 происходит переход и в диапазоне от 700 до 800 градусов и мы попадаем в зону аустенита и феррита.

В диапазоне от 800 до 1450 градусов сплав имеет состав аустенита, а переход состоялся в точке 3.

В диапазоне от 1450 до 1520 градусов рассматриваемый сплав начинает постепенно плавиться и представлен аустенитом и жидким раствором. Переход происходил в точке 2.

Ну и всё что выше — это уже жидкость, где произошла гомогенизация. Вот такие данные можно выцепить.

Часто возникают вопросы, что именно происходит в точках перехода (которые у нас отмечены 1,2,3 и 4). Там мы имеем адский коктейль. Нестабильную смесь. Например, в точке 4 будет месиво из феррита, перлита и аустенита. Пропорции тут можно определить только лабораторным испытанием.

Ещё может появиться вопрос, а что у нас, например, на отрезке 2 — 3. Тут ответ очевиден — там 100% аустенита. Т.е. 0,4% углерода внедрились в структуру гамма железа и застыли.

Сложнее ситуация на отрезках, типа 0 — 4. Там у нас феррит + перлит. Но чего сколько? Ответ кроется в понимании характерных точек. Перлит у нас в точке S. Значит, просто смотрим насколько далеко точка 4 от точки S.

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 .

Передельные в основном используются для получения стали и ковкого чугуна, а машиностроительные – для изготовления отливок деталей в различных отраслях промышленности: автотракторостроении, станкостроении, сельскохозяйственном машиностроении и т. д.

1. Белые чугуны

₃а б вабвабв

1. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны

(Пластинчатый графит. ааШаровидный графитббХлопьевидный графит. ва б в габвгабабВермикулярный графитг_связ_связ_связа б вабва₃бвСерые чугуны. ₃_?_гр₃_?_гр₃

Схемы структур чугуна

Металли-ческаяоснова	Форма графитных включений
Пластинчатая	Вермику-лярная	Хлопьевидная	Шаровидная
Феррит
Феррит + перлит
Перлит

₂₂₃₂2

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава магнием или церием. Магний и церий вводят в сравнительно небольших количествах: 0,1 – 0,2% к весу жидкого чугуна, подвергающегося модифицированию. Магний и церий способствуют образованию включений графита шаровидной формы (рис. 4.2, б, 4.3, б).

Ковкий чугун. Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига (томление) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,27 до 3,2% С.

₃_?₃_?

Термическая обработка Общие положения термической обработки

Термическая обработка состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать желаемое изменение структуры металла.

Основные факторы воздействия при термической обработке — температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить графиком в координатах t (температура)—  (время).

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры:

— температура нагреваtmax , т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке;

— время выдержки сплава при температуре нагревав,;— скорость нагреваVнагр;

— скорость охлажденияVохл. Если нагрев (или охлаждение) происходит с постоянной скоростью, то это в координатах температура — время

характеризуется прямой линией с определенным, постоянным углом наклона.

Термическая обработка может быть сложной, состоящей из многочисленных нагревов, прерывистого или ступенчатого нагрева (охлаждения), охлаждения в область отрицательных температур и т. д. Такая термическая обработка может быть изображена в координатах температура — время.

Графиком температура — время может быть охарактеризован любой процесс термической обработки.

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

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.

Материалы для производства силикатных бетонов

Основным вяжущим компонентом в силикатном бетоне выступает тонкомолотая известь кипелка или известь-пушонка, которая в сочетании с заполнителями и составляет основное сырье для производства силикатных бетонов. После добавления воды и последующей тепловой обработки в автоклавах, силикатобетонная смесь превращаться в прочное бетонное изделие.

Известь, применяемая для производства силикатных смесей должна отвечать следующим свойствам:

средняя скорость гидратации;
умеренный экзотермический эффект;
вся фракция должна быть одинаково обожженной;
MgO менее 5%;
время гашения извести — 20 мин не более.

Недожог известковой массы приводит к повышенному расходу материала. Пережог снижает время гидратации извести, что приводит к вспучиванию, появлению трещин на поверхности изделий и др.

Известь

Известь, применяемая для производства силикатобетона, обычно используется в виде тонкомолотых известковых смесей следующего состава:

известково-кремнеземистые — соединение извести и кварцевого песка;
известково-шлаковые (известь и доменный шлак);
известково-зольные — топливная сланцевая или угольная зола и известь;
известково-керамзитовые и другие подобные компоненты, получаемые из отходов промышленного производства пористых заполнителей;
известково-белитовые вяжущие, получаемые при низкотемпературном обжиге известково-кремнеземистой сухой смеси и кварцевого песка.

В качестве кремнеземистых заполнителей используют следующие материалы:

кварцевый молотый песок;
металлургические (доменные) шлаки;
зола ТЭЦ.

Наиболее часто в качестве заполнителей выступают кварцевые пески средней и мелкой фракции, которые по своему составу должны выглядеть следующим образом:

80% и более кремнезема;
менее 10% глинистых включений;
0,5% и меньше примесей слюды.

Крупные включения глины в структуре кварцевого песка снижают морозостойкость и прочность силикатного бетона.

Кварцевый песок

Тонкомолотый кварцевый песок оказывает значительное влияние на формирование высоких эксплуатационных свойств силикатных бетонов. Так, с повышением дисперсности частиц песка увеличивается морозостойкость, прочность и другие характеристики силикатных материалов.

При выборе составляющих для изготовления силикатного бетона необходимо знать следующее:

Расход вяжущего увеличивается пропорционально увеличению прочности бетона.
Снижение расхода вяжущих в составе силикатной смеси наблюдается при повышении дисперсности мелкого кварцевого песка, и увеличивается при повышении формовочной влажности силикатобетонного раствора.
Дисперсность молотого кварцевого песка должна быть в 2,5 раза ниже дисперсности молотой извести.

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%

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.

Фазы в системе «железо-углерод»

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

Жидкая фаза

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит

Феррит (Ф, α)- твердый раствор внедрения углерода в α-железе (от латинского слова ferrum – железо). Различают низкотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0,02 % при температуре 727° С (точка P) и высокотемпературный δ-феррит (в интервале температур 1392…1539° С) с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499° С (точка J).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 80 — 130 НВ, временное сопротивление – σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение — δ=50 %), магнитен до 768° С.

Под микроскопом феррит выглядит как светлые полиэдрические зерна. В сталях может существовать в виде сетки (разной толщины, в зависимости от содержания углерода), зерен (малоуглеродистые стали), пластин или игл (видманштетт).

Аустенит в сталях

Аустенит (А, γ) – твердый раствор внедрения углерода в γ–железо (по имени английского ученого Р. Аустена). Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в γ -железе 2,14 % при температуре 1147° С (точка Е). Аустенит имеет твердость 180 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. Под микроскопом выглядит как светлые полиэдрические зерна с двойниками.

Цементит – формы существования

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный, цементит вторичный, цементит третичный. Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Поскольку углерод в сплавах с железом встречается в виде цементита и графита, существуют две диаграммы состояния, описывающие условия равновесия фаз в системах железо — цементит и железо — графит. Первая диаграмма (Fе — Fе3С) называется цементитной (метастабильная), вторая (Fе — С) — графитной (стабильная). Оба варианта диаграммы приводятся вместе в одной системе координат: температура — содержание углерода. Диаграмма состояния системы железо — углерод построена по результатам многочисленных исследований, проведенных учеными ряда стран. Особое место среди них занимают работы Д.К. Чернова

Он открыл существование критических точек в стали, определил их зависимость от содержания углерода, заложил основы для построения диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов в ее нижней, наиболее важной части

Буквенное обозначение узловых точек в диаграмме является общепринятым как в России, так и за рубежом.

Диаграмма состояния железо-углерод

Имеющиеся во всех областях диаграммы фазы видны на рисунке. Значение всех линий указано в таблице.

Ликвидус по всей диаграмме проходит по линиям АВ, ВС, СD; солидус — по линиям АН, НJ, JЕ, ЕСF. Сплавы железа с углеродом обычно делят на стали и чугуны. Условной границей для такого деления является 2,14 % С (точка E). Сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, относятся к сталям, более 2,14 % — к чугунам.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются буквой А. В зависимости от того, при нагреве или при охлаждении определяется критическая точка, к букве А добавляется индекс с (от слова chauffage – нагрев) при нагреве и индекс r (от слова refroidissement – охлаждение) при охлаждении с оставлением цифры, характеризующей данное превращение.

Таким образом, например, нагрев доэвтектоидной стали выше соответствующей точки на линии GS обозначается как нагрев выше точки АС3. При охлаждении же этой стали первое превращение должно быть обозначено как Аr3, второе (на линии РSК) — как Аr1.