Цементит
Цементит – это химическое соединение углерода с железом – карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % С. У цементита сложная ромбическая решетка с плотной упаковкой атомов.
Никто не знает при какой температуре плавится цементит. Поэтому в связи с возможностью его распада и принимается = 1250ᴼС. До температуры 210 ᴼС цементит ферромагнитен. Особенности цементита – это высокая твердость (НВ 800) и очень низкая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в расплавах с большим содержанием С образуется графит.
Согласно диаграмме железо-углерод (рис 1) при стабильном равновесии весь углерод в чугуне выделяется в виде графита, а металлическая основа в виде феррита (серый чугун); при метастабильном равновесии весь С выделяется в чугуне в виде цементита Fe3C белый чугун)
Графит Кристаллическая решетка графита- гексагональная слоистая. Графит материал мягкий, прочность и электропроводность его небольшие.
Диаграмма состояния железо-цементит(метастабильное равновесие)
На рис 2 (основы металловедения)показана диаграмма состояния железо-цементит. Она показывает состав фаз и структуру сплавов с концентрацией от чистого Fe до цементита (6,67%).
Точка А (1539 ᴼС) на диаграмме равна температуре плавления чистого железа, а точка D – равна температуре плавления цементита Fe3C. Точка N (1392 ᴼ С) и G (911 ᴼ С) соответствуют полиморфному изменению ɣ — железа αжелезо. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в ɣ- железе при 1147 ᴼ С (2,14 % С).
Процесс затвердевания сплавов начинается при достижении температур, соответствующих линии ABCD (линия ликвидуса). Окончание затвердевания равно температурам, образующим линию солидус AHJECF.
Верхний левый угол диаграммы описывает изменения, связанные с аллотропическим изменением α (δ)↔ɣ при больших температурах. При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкости выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α –железе (δ-раствор) – феррит (Ф).
В сплавах с содержанием С до 0,1 % процесс кристаллизации завершается при температурах, соответствующих линии АН с образованием феррита (δ –твердого раствора). HJB – линия перитектического изменения, протекающего при постоянной температуре (С = 2+1-3=0). Результатом перитектического изменения является появление твердого раствора С в ɣ — железе, т.е. аустенита (А).
Сплавы, содержащие С от 0,1 (точка Н) до 0,16 % (точка J), испытывают перитектическое изменение Жв + Фн (δ) → Фн + Аj, в результате чего образуется двухфазная структура Ф (δ – раствор) +А (ɣ — раствор). В сплаве содержащем 0,16 % С (точка J), исходные кристаллы Ф (δ – твердого раствора) и вся жидкая фаза при перитектическом изменении полностью расходуется на образование аустенита: Жв + Фн (δ) → Аj (аустенит).
В сплавах содержащих углерод от 0,16 до 0,5 % , при перитектическом изменении Фн (δ – твердый раствор) расходуется полностью, а жидкая фаза остается в избытке:
Жв + Фн → Жв + Аj (аустенит)
Поэтому при температурах меньше линии JB сплав будет двухфазным: аустенит (ɣ — твердый раствор) + жидкость. Процесс затвердевания остановится при достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После кристаллизации эти сплавы получают однофазную структуру – аустенит (А),
При температурах, равных линии ВС, из жидкого сплава образуются кристаллы аустенита, а по линии CD – цементит. В точке С при 1147 ᴼ С и концентрации С 4,3 % из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику, называемую ледебуритом:
Жс →Ав + Fe3C (ледебурит).
Сплавы, содержащие от 0,16 до 2,14 % углерода, затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и JE. После кристаллизации (ниже линии солидус JE) сплавы получают однофазную структуру – аустенит.
Цементит, образующийся из жидкой фазы, называют первичным цементитом.
Цементит, выделяющийся из аустенита, называют вторичным.
Цементит, выделяющийся из перлита, называют третичным цементитом.
Структура стали (рис 3) после медленного остывания состоит из двух фаз цементита и феррита.
Содержание в стали цементита увеличивается прямо пропорционально содержанию С (рис 4 б).
Хрупкие и твердые частицы цементита увеличивают сопротивление движению дислокаций, т.е. увеличивают сопротивление деформации и снижают пластичность и вязкость.
Поэтому с повышением в стали содержания углерода увеличивается твердость, временное сопротивление разрыву и предел текучести, а снижается относительное поперечное сужение, удлинение, ударная вязкость (рис 4 а).
