Цементит (или карбид железа ) — это соединение железа и углерода , точнее, промежуточный карбид переходного металла с формулой Fe3C . По весу он состоит на 6,67% из углерода и на 93,3% из железа. Он имеет орторомбическую кристаллическую структуру. [4] Это твердый, хрупкий материал, [4] обычно классифицируемый как керамика в чистом виде, и является часто встречающимся и важным компонентом в черной металлургии . Хотя цементит присутствует в большинстве сталей [5] и чугунов, он производится в качестве сырья в процессе получения карбида железа, который относится к семейству альтернативных технологий производства железа. Название цементит произошло от теории Флориса Осмонда и Дж. Верта, в которой структура затвердевшей стали состоит из своего рода ячеистой ткани с ферритом в качестве ядра и Fe3C в качестве оболочки клеток. Таким образом, карбид цементировал железо.
В системе железо-углерод (т. е. в сталях с простым углеродом и чугунах ) это обычный компонент, поскольку феррит может содержать не более 0,02% по весу несвязанного углерода. [6] Поэтому в углеродистых сталях и чугунах, которые медленно охлаждаются, часть углерода находится в форме цементита. [7] Цементит образуется непосредственно из расплава в случае белого чугуна . В углеродистой стали цементит выделяется из аустенита , когда аустенит превращается в феррит при медленном охлаждении, или из мартенсита во время отпуска . Тесная смесь с ферритом, другим продуктом аустенита, образует пластинчатую структуру , называемую перлитом .
Хотя цементит термодинамически нестабилен и в конечном итоге превращается в аустенит (низкий уровень углерода) и графит (высокий уровень углерода) при более высоких температурах, он не разлагается при нагревании при температурах ниже эвтектоидной температуры (723 °C) на метастабильной фазовой диаграмме железо-углерод.
Механические свойства следующие: микротвердость при комнатной температуре 760–1350 HV; прочность на изгиб 4,6–8 ГПа, модуль Юнга 160–180 ГПа, вязкость разрушения при вдавливании 1,5–2,7 МПа√м. [8]
Морфология цементита играет решающую роль в кинетике фазовых превращений в стали. Температура намотки и скорость охлаждения существенно влияют на образование цементита. При более низких температурах намотки цементит образует мелкие перлитные колонии, тогда как при более высоких температурах он выделяется в виде крупных частиц на границах зерен. Это морфологическое различие влияет на скорость образования и распада аустенита, причем мелкий цементит способствует более быстрым превращениям из-за своей увеличенной площади поверхности и близости интерфейса карбид-феррит. Кроме того, кинетика растворения цементита во время отжига медленнее для крупных карбидов, что влияет на микроструктурную эволюцию во время термообработки. [9]
Цементит переходит из ферромагнитного в парамагнитное состояние при нагревании до температуры Кюри , приблизительно равной 480 К (207 °C). [10]
Природный карбид железа (содержащий небольшие количества никеля и кобальта) встречается в железных метеоритах и называется когенитом в честь немецкого минералога Эмиля Коэна , который впервые его описал. [11]
Существуют и другие формы метастабильных карбидов железа, которые были идентифицированы в закаленной стали и в промышленном процессе Фишера-Тропша . К ним относятся карбид эпсилон (ε) , гексагональный плотноупакованный Fe 2–3 C, выделяется в простых углеродистых сталях с содержанием углерода > 0,2%, закаленных при 100–200 °C. Нестехиометрический ε-карбид растворяется выше ~200 °C, где начинают образовываться карбиды Хэгга и цементит. Карбид Хэгга , моноклинный Fe 5 C 2 , выделяется в закаленных инструментальных сталях, закаленных при 200–300 °C. [12] [13] Он также был обнаружен в природе как минерал эдскоттит в метеорите Веддерберн . [14]