Цементит

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом, карбид железа (Fe₃C), являющийся одной из основных структурных составляющих в чугунах и сталях. В металлографии цементит представляет собой фазу, обладающую высокой твёрдостью и хрупкостью, что существенно влияет на механические свойства сплавов железа. В равновесных условиях цементит образуется при охлаждении расплава или при распаде аустенита, а его количество и форма определяют марку и область применения материала.

История открытия и изучения

Цементит был впервые идентифицирован в XIX веке в ходе развития металлографии как науки. Название происходит от латинского caementum (щебень, битый камень) и отражает его хрупкость и твёрдость. Систематическое изучение цементита связано с работами русского учёного Дмитрия Константиновича Чернова, который в 1868 году впервые описал критические точки превращений в стали, а также с исследованиями немецкого металлурга Адольфа Мартенса. В 1885 году французский учёный Флорис Осмонд подтвердил существование карбида железа как самостоятельной фазы. В XX веке с развитием рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии были уточнены кристаллическая структура, свойства и механизмы образования цементита.

Кристаллическая структура и свойства

Цементит имеет ромбическую кристаллическую решётку (пространственная группа Pnma) с параметрами: a = 0,508 нм, b = 0,674 нм, c = 0,452 нм. Элементарная ячейка содержит 12 атомов железа и 4 атома углерода. Атомы углерода располагаются в тригональных призмах, образованных атомами железа, что обеспечивает высокую ковалентную связь и, как следствие, значительную твёрдость.

Основные физико-механические свойства цементита:

• Твёрдость: 800–1000 HV (по Виккерсу), что значительно превышает твёрдость феррита (около 80–100 HV) и аустенита (200–300 HV).
• Плотность: 7,69 г/см³.
• Температура плавления: 1227 °C (с разложением по перитектической реакции).
• Модуль упругости: около 170 ГПа.
• Пластичность: практически отсутствует; цементит является хрупкой фазой, разрушающейся без заметной деформации.

Цементит ферромагнитен при температурах ниже 210 °C (точка Кюри), выше — теряет магнитные свойства. В отличие от графита, цементит метастабилен: при длительном нагреве выше 700 °C или в присутствии катализаторов (например, кремния) он может распадаться на феррит и графит.

Формы и классификация в структуре сплавов

В зависимости от условий кристаллизации и термической обработки цементит может принимать различные морфологические формы, которые классифицируют по месту образования и структуре:

Первичный цементит

Образуется непосредственно из жидкого расплава при кристаллизации чугунов с высоким содержанием углерода (более 4,3 %). Имеет вид крупных пластин или игл, расположенных в матрице ледебурита.

Вторичный цементит

Выделяется из аустенита при его охлаждении в интервале температур 727–1147 °C. В доэвтектоидных сталях (содержание углерода менее 0,8 %) вторичный цементит образует сетку по границам зёрен, что ухудшает механические свойства. В заэвтектоидных сталях (более 0,8 % C) он может присутствовать в виде отдельных включений или пластин.

Третичный цементит

Выделяется из феррита при его охлаждении ниже 727 °C. Обычно имеет вид мелких дисперсных частиц, которые незначительно влияют на свойства, но могут способствовать старению стали.

Цементит в перлите

В перлите — эвтектоидной смеси феррита и цементита — цементит образует пластинчатую или зернистую структуру. Пластинчатый перлит (с чередованием слоёв феррита и цементита) обеспечивает хороший баланс прочности и пластичности. Зернистый цементит (сфероидизированный) получается при длительном отжиге и улучшает обрабатываемость резанием.

Цементит в ледебурите

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита, характерная для белых чугунов. Цементит в ледебурите образует сплошную матрицу, в которой распределены зёрна аустенита (или продуктов его распада). Такая структура придаёт чугуну высокую износостойкость, но делает его крайне хрупким.

Влияние на свойства сталей и чугунов

Цементит является ключевой фазой, определяющей механические характеристики железоуглеродистых сплавов:

• Прочность и твёрдость: увеличение доли цементита (особенно в виде пластин или сетки) повышает твёрдость и прочность, но снижает пластичность и ударную вязкость. Например, в заэвтектоидных сталях (например, У10, У12) наличие цементитной сетки по границам зёрен делает сталь хрупкой.
• Износостойкость: белые чугуны с большим количеством цементита (до 30 % и более) используются для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа (дробилки, мельницы, насосы).
• Обрабатываемость: для улучшения обрабатываемости резанием цементит в сталях сфероидизируют (превращают в зернистую форму) путём отжига, что снижает твёрдость и уменьшает износ инструмента.
• Магнитные свойства: ферромагнетизм цементита влияет на магнитные характеристики сталей, что учитывается при производстве электротехнических сплавов.

Термическая обработка и превращения

Цементит участвует в фазовых превращениях при нагреве и охлаждении:

• Аустенизация: при нагреве выше 727 °C цементит растворяется в аустените, что используется для гомогенизации стали.
• Отжиг: при медленном охлаждении или длительной выдержке при 600–700 °C цементит может коагулировать (сфероидизироваться), образуя зернистую структуру.
• Закалка: при быстром охлаждении аустенита цементит не успевает выделиться, и образуется мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в железе. В этом случае цементит может выделяться при последующем отпуске.
• Нормализация: при охлаждении на воздухе цементит в перлите приобретает пластинчатую форму.

Применение и практическое значение

Цементит не используется как самостоятельный материал, но его контролируемое присутствие в сплавах железа имеет решающее значение для промышленности:

• Инструментальные стали: высокоуглеродистые стали (например, У8, У10) содержат цементит, обеспечивающий твёрдость режущего и измерительного инструмента.
• Износостойкие чугуны: белые и отбеленные чугуны с цементитной структурой применяются в горнодобывающей, металлургической и строительной отраслях для изготовления футеровок, шаров мельниц, лопаток смесителей.
• Пружинные и рессорные стали: цементит в виде тонких пластин в перлите повышает предел упругости.
• Сварочные материалы: в электродах для наплавки износостойких слоёв используется состав, способствующий образованию цементита.

Интересные факты

• Цементит является метастабильной фазой: термодинамически более стабильной формой углерода в железе является графит. Однако в реальных условиях кристаллизации цементит образуется чаще из-за кинетических барьеров.
• В природе цементит встречается редко, в основном в метеоритах, где он образуется при медленном охлаждении железоникелевого расплава.
• В 2013 году российские учёные из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН предложили метод получения наноцементита — частиц размером 10–50 нм, которые могут использоваться для упрочнения композиционных материалов.

Источники

• Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
• Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978.
• Физическое металловедение / Под ред. Р. Кана. — М.: Мир, 1968.
• Справочник по металлографии / Под ред. М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1977.