Цементит - Cementite

Стали
Фазы
Феррит Аустенит Цементит Графитовый Мартенсит
Микроструктуры
Сфероидит Перлит Бейнит Ледебурит Закаленный мартенсит Видманштеттен структуры
Классы
Тигельная сталь Углеродистая сталь Стальная пружина Легированная сталь Мартенситностареющая сталь Нержавеющая сталь Погодостойкая сталь Инструментальная сталь
Другие материалы на основе железа
Чугун Серый чугун Белое железо Ковкий чугун Ковкое железо Кованое железо

Цементит (или карбид железа ) представляет собой соединение из железа и углерода , более точно промежуточного переходного металла карбида с формулой Fe ₃ C. по весу, это 6,67% углерода и 93,3% железа. Он имеет ромбическую кристаллическую структуру. Это твердый, хрупкий материал, обычно классифицируемый как керамика в чистом виде, который часто встречается и является важным компонентом в черной металлургии . Хотя цементит присутствует в большинстве сталей и чугунов, он производится в качестве сырья в процессе карбида железа, который принадлежит к семейству альтернативных технологий производства чугуна. Название « цементит» возникло в результате исследований Флориса Осмонда и Дж. Верта, где структура затвердевшей стали теоретически представляет собой своего рода клеточную ткань с ферритом в качестве ядра и Fe ₃ C в качестве оболочки клеток. Таким образом, карбид скрепил железо.

Металлургия

Орторомбический Fe ₃ C. Атомы железа голубые.

Фазовая диаграмма железо-углерод

В системе железо-углерод (например, углеродистые стали и чугуны ) он является обычным компонентом, поскольку феррит может содержать не более 0,02 мас.% Несвязанного углерода. Следовательно, в углеродистых сталях и чугунах, которые медленно охлаждаются, часть углерода находится в форме цементита. 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 температуры эвтектоида (723 ° C) на метастабильном железоуглеродистом состоянии. фазовая диаграмма.

Чистая форма

Цементит превращается из ферромагнитного в парамагнитный при температуре Кюри примерно 480 К.

Зависимость молярного объема цементита от давления при комнатной температуре.

Природный карбид железа (содержащий незначительное количество никеля и кобальта) встречается в железных метеоритах и называется когенитом в честь немецкого минералога Эмиля Коэна , который первым его описал. Поскольку углерод является одним из возможных второстепенных компонентов легких сплавов металлических ядер планет, свойства цементита (Fe ₃ C) как простого заменителя когенита при высоких давлениях и температурах изучаются экспериментально. На рисунке показано поведение при сжатии при комнатной температуре.

Прочие карбиды железа

Существуют и другие формы метастабильных карбидов железа, которые были обнаружены в отпущенной стали и в промышленном процессе Фишера-Тропша . К ним относятся карбид эпсилон (ε) , гексагональный плотноупакованный Fe _2–3 C, выделения в углеродистых сталях с содержанием углерода> 0,2%, отпущенные при 100–200 ° C. Нестехиометрический ε-карбид растворяется при температуре выше ~ 200 ° C, при этом начинают образовываться карбиды Хегга и цементит. Карбид Хегга , моноклинный Fe ₅ C ₂ , выделяется в закаленных инструментальных сталях, отпущенных при 200–300 ° C. Он также был естественным образом обнаружен в виде минерала Эдскоттит в метеорите Веддерберн. Определение характеристик различных карбидов железа вовсе не является тривиальной задачей, и часто дифракция рентгеновских лучей дополняется мессбауэровской спектроскопией .

Рекомендации

Библиография

• Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006). Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-295358-9.
• Дюран-Шарр, Мадлен (2004). Микроструктура сталей и чугунов . Springer. ISBN 978-3-642-05897-4.
• Мессбауэровская спектроскопия карбидов железа: от прогноза к экспериментальному подтверждению

Внешние ссылки

• Кристаллическая структура цементита на НРЛ
• Хальштедт, Бенгт; Джурович, Деян; фон Аппен, Йорг; Dronskowski, Ричард; Дик, Алексей; Кёрманн, Фриц; Хикель, Тилманн; Нойгебауэр, Йорг (март 2010 г.). «Термодинамические свойства цементита (Fe ₃ C)». Calphad . 34 (1): 129–133. DOI : 10.1016 / j.calphad.2010.01.004 .
• Le Caer, G .; Дюбуа, JM; Pijolat, M .; Perrichon, V .; Бюссьер, П. (ноябрь 1982 г.). «Характеристика с помощью мессбауэровской спектроскопии карбидов железа, образованных синтезом Фишера-Тропша». Журнал физической химии . 86 (24): 4799–4808. DOI : 10.1021 / j100221a030 .
• Bauer-Grosse, E .; Frantz, C .; Le Caer, G .; Хейман, Н. (июнь 1981 г.). «Образование метастабильных карбидов типа Fe ₇ C ₃ и Fe ₅ C ₂ во время кристаллизации аморфного сплава Fe ₇₅ C ₂₅ ». Журнал некристаллических твердых тел . 44 (2–3): 277–286. DOI : 10.1016 / 0022-3093 (81) 90030-2 .