Цементит — структурная составляющая железоуглеродистых сплавов

Что представляет собой цемент

С латинского «caementum» переводится как щебень или битый камень. Этот порошкообразный материал является искусственно созданным вяжущим, состоящим из клинкера, определенного количества гипса, минеральных добавок и различных наполнителей. При затворении цемента водой или другими жидкостями, образуется пластичная масса, способная при затвердевании превращаться в камневидное тело.

Цемент является основной составляющей бетонного и цементно-песчаного раствора. Он обладает уникальной способностью набирать свою прочность при воздействии влаги, чего не скажешь о гипсе или воздушной извести, твердеющих в сухих условиях.

Интересен тот факт, что еще древние римляне к извести подмешивали вулканический пепел или дробленый камень. Это можно считать началом истории появления цемента.

Основные структуры

Сплав железа и углерода является основой стали и чугуна, которые называются железными сплавами, и это самые важные конструкционные материалы в технологии.

Структура и свойства сплава во многом зависят от характеристик основных компонентов и аддитивных элементов, а также характера их взаимодействия.

Чистое железо-серебристо-белый металл, тугоплавкий. Температура плавления железа составляет 1539°C. железо имеет 2 полиморфные модификации a и G.

• При температурах ниже 910°C железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Это изменение называется A-iron. а-железо-это температура до 768°С (точка Кюри) магнитно.

Когда утюг нагрет, тел-центризованная кубическая решетка 910°С поворачивает в сторон-центризованную кубическую решетку, и А-утюг поворачивает в г-утюг. г-железо присутствует при температуре 910-1392°с

Углерод-неметаллический элемент. Температура плавления углерода составляет 3500°С. углерод в природе существует в 2 полиморфных модификациях: Алмаз и графит.

Форма алмаза не найдена в сплаве.

В сплаве свободный углерод-железо углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Его прочность и пластичность очень низки.

Углерод может растворяться в железе в жидком и твердом состоянии, образуя химические соединения-цементит может находиться в свободной форме в виде графита.

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 (723 ° C) на метастабильном железоуглеродистом состоянии. фазовая диаграмма.

Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие структурные компоненты:

• Феррит (F) представляет собой твердый раствор, содержащий углерод и другие элементы в iron. It имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала, до 0,005% при комнатной температуре. При 727°C, самая высокая растворимость 0,02% феррита очень пластична, мягка и обрабатывается путем приложения давления в холодных условиях.

Аустенит (а) представляет собой твердый раствор углерода и других элементов G-iron. It присутствует только при высоких температурах. максимальная растворимость углерода в г-железе составляет 1147% при температуре 2,14°С и 727 ° с при 0,8%.Эта температура является нижним пределом присутствия аустенита в железоуглеродистом сплаве. Аустенит очень пластичен, но тверже феррита.

Чистая форма

Цементит меняется с ферромагнитный к парамагнитный на своем Температура Кюри примерно 480 К.

Зависимость мольного объема цементита от давления при комнатной температуре.

Карбид природного железа (содержащий незначительное количество никеля и кобальта) встречается в железные метеориты и называется когенит в честь немецкого минералога Эмиль Коэн, который первым описал это. Поскольку углерод является одним из возможных второстепенных компонентов легких сплавов металлических ядер планет, свойства цементита (Fe3C) как простой заменитель когенита изучаются экспериментально. На рисунке показано поведение при сжатии при комнатной температуре.

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.

Мартенсит

Мартенсит со структурой ЗЯ или 9 Я, состоящий из трех плотноупа-кованных плоскостей А, В и С, образуется в ( 32-сплавах с исходной фазой типа CsCI. Однако мартенсит со структурой 2Н обнаруживается во всех сплавах.  

Мартенсит, который для сталей является пересыщенным твердым раствором углерода в а-железе, под влиянием температуры распадается – происходит выделение углерода из решетки о-же-леза.  

Мартенсит – структурная составляющая кристаллических твердых тел, возникающая в результате мартенситного превращения.  

Мартенсит получается путем реализации только первого этапа вторичной кристаллизации и имеет характерное пластинчатое, под микроскопом – игольчатое, строение. Рост пластин путем сдвига происходит мгновенно со скоростью около 1000 м / с по бездиффузионному механизму, так как диффузионный переход атомов из кристаллов аустенита в мартенсит при низких температурах невозможен.  

Мартенсит имеет наибольший удельный объем по сравнению с другими структурными составляющими сталей и особенно с аустенитом. Увеличение удельного объема при образовании мартенсита приводит к возникновению при закалке больших внутренних напряжений, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин.  

Мартенсит – очень твердая и прочная структура. Он тверже и прочнее бейнита. Но пластические свойства его низки, особенно ударная вязкость. В мартенсите имеются высокие остаточные напряжения, возникшие вследствие увеличения удельного объема в результате превращений и не устраненные из-за низкой пластичности мартенсита.  

Мартенсит, имеющий после закалки кристаллическую решетку с тетрагональной элементарной ячейкой, при нагреве выше 80 С начинает превращаться в кубический. Как всякий пересыщенный раствор, мартенсит неустойчив. Он распадается при комнатной температуре, но скорость распада чрезвычайно мала ввиду малой тепловой подвижности атомов. При температуре выше 80 С подвижность атомов оказывается достаточной для того, чтобы углерод частично перешел из пересыщенного раствора в пластинки карбида толщиной всего в несколько атомных слоев за относительно небольшой промежуток времени. Это превращение происходит в интервале от 80 до 170 С и сопровождается уменьшением искажения кристаллической решетки мартенсита. Внутренние напряжения снижаются, уменьшается удельный объем мартенсита, размеры детали немного сокращаются. Твердость и прочность остаются неизменными, а пластические свойства несколько повышаются.  

Мартенсит в стали обладает тетрагональной решеткой, по-видимому, даже при малом содержании углерода ( 0 1 %), если он образуется в условиях, при которых практически не реализуются диффузионные процессы. Но в малоуглеродистом мартенсите ( 0 5 % С) в результате диффузионных процессов тетрагональная решетка может перейти в решетку с кубической симметрией.  

Мартенсит без внутренних двойников наблюдался в малоуглеродистой стали ( где эти двойники обычно соседствуют с гексагональным е-мартенситом) и в марганцовистой, а также хромистой стали.  

Мартенсит при закалке получается только при условии охлаждения со скоростью, превышающей определенную, так называемую критическую. Для каждой марки стали характерна своя критическая скорость.  

Диаграмма состояния

ЛинияABCD является ликвидусом системы, линияAHJECF — солидусом.

Так как железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы α и γ, то в системе существуют следующие фазы:

жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существующая выше линии ликвидус, обозначаемая везде буквой L;

цементит Fe3C — линия DFKL, обозначаемая в дальнейшем химической формулой или буквой Ц;

феррит — структурная составляющая, представляющая собой α-железо, которое в незначительном количестве растворяет углерод; обозначается буквой Ф, α или α-Fe. Область феррита в системе железо — углерод расположена левее линии GPQ и AHN;

аустенит — структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-железе. Область аустенита на диаграмме — NJESG. Обозначается аустенит А, или γ-Fe.

Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB,ECF и PSK) указывают на протекание трех нонвариантных реакций.

При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:

В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция эта наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,5%. При 1147 °С (горизонтальECF) протекает эвтектическая реакция:

В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называетсяледебуритом (немецкий ученый Ледебур)

Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14 %.

При 727 °С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция

Продуктом превращения является эктектоидная смесь. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом,имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

У всех сплавов, содержащих свыше 0,02 % углерода, т. е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов, происходит перлитное (эвтектоидное) превращение.

Различают три группы сталей: эвтектоидные, содержащие около 0,8%С, структура которых состоит только из перлита; доэвтектоидные, содержащие меньше 0,8 % С. структура котопых состоит из феррита и перлита, и заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2,14 %С, структура которых состоит из перлита и цементита.

Свободный цементит

Свободный цементит ( Fe3C), который образуется при недостаточном количестве кремния, слишком большом содержаний марганца и серы.

Структурно свободный цементит нежелателен.

Структурно свободный цементит, X 500: а – до деформации, 6 – после деформации.

Разложение структурно свободного цементита достигается при нагреве и выдержке отливки выше критического интервала; температура нагрева и длительность выдержки зависят от состава белого чугуна по содержанию углерода ( фиг.

Количество структурно свободного цементита. Включения структурно свободного цементита, расположенные по границам зерен феррита ( фиг. Скоагулированные и расположенные внутри зерен феррита включения структурно свободного цементита менее опасны. Шкала построена по возрастанию размеров включений цементита и по развитию распределения его в виде сетки или цепочки.

Разложение структурно свободного цементита достигается при нагреве и выдержке отливки выше критического интервала; температура нагрева и длительность выдержки зависят от состава белого чугуна по содержанию углерода ( фиг.

Частицы структурно свободного цементита должны быть мелкими, по возможности равномерно рассеянными ( фиг. Мелкие частички цементита получаются при пониженных температурах смотки горячекатаной полосы в рулон, а крупные – при высоких, когда они успевают не – только выделиться из твердого раствора в феррите, но и достигнуть крупных размеров вследствие коагуляции и роста.

Количество структурно свободного цементита в стали определяется баллами по эталонным образцам микроструктур.

Кроме структурно свободного цементита, на границах ферритных зерен имеется еще третичный цементит. Помешать его выделению при конечной термической обработке нельзя, так как для этого листы для глубокой вытяжки нужно охлаждать медленно.

Не допускается структурно свободный цементит. Эвтектический графит и феррит допускаются в виде отдельных мелких включений в количестве не более 5 % площади шлифа для каждого включения. Излом отливки должен иметь однородное мелкозернистое строение с матовым оттенком.

SE) имеющийся в ней свободный цементит до конца растворится в аустените и структура станет однородной.

В доэвтектоидных сталях нет структурно свободного цементита.

В) Чугуны со структурно свободным цементитом относятся к белым чугунам. Феррит в них может появиться в результате отжига, но такой чугун не относится к ферритным.

В низкоуглеродистой стали не допускается структурно свободный цементит. Он образуется в результате замедленного охлаждения после прокатки или термической обработки и, располагаясь по границам зерен, резко снижает пластические свойства. Это вызывает большой брак при холодной высадке.

Отрывок, характеризующий Цементит

Люди русского войска были так измучены этим непрерывным движением по сорок верст в сутки, что не могли двигаться быстрее. Чтобы понять степень истощения русской армии, надо только ясно понять значение того факта, что, потеряв ранеными и убитыми во все время движения от Тарутина не более пяти тысяч человек, не потеряв сотни людей пленными, армия русская, вышедшая из Тарутина в числе ста тысяч, пришла к Красному в числе пятидесяти тысяч. Быстрое движение русских за французами действовало на русскую армию точно так же разрушительно, как и бегство французов. Разница была только в том, что русская армия двигалась произвольно, без угрозы погибели, которая висела над французской армией, и в том, что отсталые больные у французов оставались в руках врага, отсталые русские оставались у себя дома. Главная причина уменьшения армии Наполеона была быстрота движения, и несомненным доказательством тому служит соответственное уменьшение русских войск. Вся деятельность Кутузова, как это было под Тарутиным и под Вязьмой, была направлена только к тому, чтобы, – насколько то было в его власти, – не останавливать этого гибельного для французов движения (как хотели в Петербурге и в армии русские генералы), а содействовать ему и облегчить движение своих войск. Но, кроме того, со времени выказавшихся в войсках утомления и огромной убыли, происходивших от быстроты движения, еще другая причина представлялась Кутузову для замедления движения войск и для выжидания. Цель русских войск была – следование за французами. Путь французов был неизвестен, и потому, чем ближе следовали наши войска по пятам французов, тем больше они проходили расстояния. Только следуя в некотором расстоянии, можно было по кратчайшему пути перерезывать зигзаги, которые делали французы. Все искусные маневры, которые предлагали генералы, выражались в передвижениях войск, в увеличении переходов, а единственно разумная цель состояла в том, чтобы уменьшить эти переходы. И к этой цели во всю кампанию, от Москвы до Вильны, была направлена деятельность Кутузова – не случайно, не временно, но так последовательно, что он ни разу не изменил ей. Кутузов знал не умом или наукой, а всем русским существом своим знал и чувствовал то, что чувствовал каждый русский солдат, что французы побеждены, что враги бегут и надо выпроводить их; но вместе с тем он чувствовал, заодно с солдатами, всю тяжесть этого, неслыханного по быстроте и времени года, похода. Но генералам, в особенности не русским, желавшим отличиться, удивить кого то, забрать в плен для чего то какого нибудь герцога или короля, – генералам этим казалось теперь, когда всякое сражение было и гадко и бессмысленно, им казалось, что теперь то самое время давать сражения и побеждать кого то. Кутузов только пожимал плечами, когда ему один за другим представляли проекты маневров с теми дурно обутыми, без полушубков, полуголодными солдатами, которые в один месяц, без сражений, растаяли до половины и с которыми, при наилучших условиях продолжающегося бегства, надо было пройти до границы пространство больше того, которое было пройдено.

Чистое железо

Цементит © представляет собой соединение железа и углерода (fe3c) карбонизированного. Цементит содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он имеет сложную кристаллическую решетку. Железо-самый твердый и хрупкий компонент углеродного сплава. Цементит неустойчив, при определенных условиях реакция Fe3C> 3Fe +С вызывает образование и разложение свободного углерода в виде графита.

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость.

Графит является аллотропным вариантом углерода. Графит мягкий, и его прочность очень низкая. Чугун и графитизированная сталь входят в состав в виде включений различной формы.

Форма графитовых включений влияет на механические и технические свойства сплава.

Перлит (Р) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую 0,8% углерода. Он образуется при перекристаллизации (коллапсе) аустенита при температуре 727°С. этот распад называется эвтектоидным, а перлит-эвтектоидным. Перлит обладает высокой прочностью, твердостью, что повышает механические свойства сплава.

• Редебрит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита, содержащую 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147 ° С. При температуре 727°с аустенит превращается в перлит, а после охлаждения красный брикет превращается в смесь перлита и цементита. Редебрит обладает высокой твердостью и превосходной хрупкостью. Все белое входит в состав чугуна.

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-
призматическаядвойная 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 .

Химические соединения

Основные структуры, составляющие железоуглеродистых сплавов:

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723°C максимальное содержание углерода составляет 0.02%.It не вытравит если никакие примеси.

Цементит-соединение, содержащее углерод железа fe3c-6,67% карбида углерода. Эвтектика является неотъемлемой частью смеси и самостоятельным структурным компонентом. За счет замещения атомами других металлов может образовываться твердый раствор, который неустойчив и разлагается при термической обработке. Цементит очень твердых(НВ 800) и хрупок.

Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в γ-Fe. Атомы углерода вводятся в кристаллическую решетку, и степень насыщения может варьироваться в зависимости от температуры и impurities. It устойчив только при высоких температурах, а стабилен даже при нормальных низких температурах-примеси Mn, Cr. Аустенитная твердость HB 170… 220.

Микроструктура：

• а-гиперэвтектоидная сталь-феррит (светлая область) и перлит (темная область) с увеличением 500X, б-эвтектоидная сталь-перлит (1000′), в-эвтектоидная сталь-зацепляющийся перлит и цементит (200’).）
• Растворимость углерода в феррите снижается с 727% при 0,02°с до 0,005% при комнатной температуре.

Описание

Концентрация углерода в цементите — 6,67% по массе — предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит — метастабильная фаза; образование стабильной фазы — графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабо магнитен до 210 °C.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму — равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита. Цементит является фазовой и структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, составной частью ледебурита, перлита, сорбита и троостита. Цементит — представитель так называемых фаз внедрения, соединений переходных металлов с лёгкими металлоидами. В фазах внедрения велики доля как ковалентной, так и металлической связи.

Твёрдость по Бринеллю больше 800 кг/мм2. Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава Вторичный цементит — из аустенита Третичный цементит — из феррита

Цементит неустойчивое соединение

При содержании углерода 0,8% и температуре 727°с Весь аустенит разлагается и превращается в механическую смесь феррита и цементит-перлита. Сталь, содержащая 0,8% углерода, называется эвтектоидной Стали, содержащей 0.02-0.8% углерода называется по-эвтектоида и 0,8-2.14% углерода-по-эвтектоида.

При температуре, соответствующей линии PSK, аустенит, оставшийся в сплаве системы, разлагается с образованием перлита, механической смеси феррита и цементита. Линия PSK называется линией преобразования перлита.

При температуре, соответствующей линии SE, аустенит насыщается углеродом, а при понижении температуры выделяется избыточный углерод (вторичный) в виде цементита.

• Вертикальный DFKL означает, что химический состав цементита не изменяется. Изменяются только форма и размер кристаллов, что значительно влияет на свойства сплава. Наиболее крупные кристаллы цементита образуются при их выделении из жидкости в процессе первичной кристаллизации.Белый чугун с 4,3% углерода, называют эвтектическим. Белый чугун с содержанием углерода 2,14-4,3% называют перегретым, а 4,3-6,67% — перегретым.

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%

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.

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:

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

Стойкость к коррозии

Разрушительные процессы в цементном камне происходят из-за взаимодействия его компонентов с кислотами и солями, которые содержатся в воде. Химические соединения могут раствориться в жидкости или кристаллизироваться. В любом случае они приводят к разрушениям из-за возникновения внутреннего напряжения. Чтобы защититься от коррозии нужно:

• ответственно подойти к выбору цемента;
• снизить пористость материала;
• осуществить гидроизоляцию цемента;
• ввести пуццолановые добавки в состав стройматериала.

Свойства силикатных бетонов

Основные свойства силикатных бетонов представлены следующими показателями:

1. Водопоглощение силикатных изделий, в зависимости от способа уплотнения бетонной смеси, равно 10–18%.
2. Морозостойкость высокопрочного силикатного бетона доходит до 100 циклов и более.
3. Высокая коррозийная стойкость – эти параметры незначительно отличаются от показателей цементного бетона.
4. Термостойкость.
5. Устойчивость к температурным и атмосферным воздействиям.
6. Низкая себестоимость производства готовых изделий.
7. Долговечность (до 70 лет).

Степень измельчения/помол

От данного свойства зависит, через какое время затвердеет цемент, и какая прочность будет у этого затвердевшего материала. Лучше выбирать мелкий помол, поскольку именно у такого материала быстро происходит реакция взаимодействия между цементом и водой, увеличивается прочность. Но наиболее мелкая степень измельчения имеет противоположный результат – у цемента увеличивается потребность в воде, происходят осадочные деформации. Все это влечет за собой понижение прочности цемента. Чтобы не прогадать, строители рекомендуют, чтобы в составе цемента были как крупные частицы – 80 мкм, так и мелкие – порядка 40 мкм. Чтобы сэкономить, можно в обычный крупного помола цемент добавить сверхтонкий. Достаточно, чтобы последний составлял 15-25%.

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 нагрева tmax, т.е. максимальная температура, до которой был нагрет сплав при термической обработке;

— время выдержки сплава при температуре нагрева в,;

— скорость нагрева V нагр;

— скорость охлаждения Vохл.

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.

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:

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

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.

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.

Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит

Диаграммы состояния строятся в координатах «концентрация – температура» и дают наглядное представление о фазовом составе сплавов; структурных превращениях, происходящих при нагреве и охлаждении; используются для выбора температуры при термической обработке и т. п. Для анализа превращений, происходящих в сталях и чугунах важнейшее значение имеет диаграмма состояния железо – цементит (рис. 28.1).

Рис. 28.1. Диаграмма состояния железо – цементит

На этой диаграмме АВСD является линией ликвидуса; ниже ее начинается кристаллизация. Точка с минимальной температурой кристаллизации (плавления), соответствующая 4,3 %С, называется эвтектикой (от лат. «легкоплавкий»), после затвердевания сплава ей соответствует структура ледебурита. Аналогичная точка 0,81 % С, где превращение происходит в твердом виде, называется эвтектоид, ей соответствует структура перлита. АHJЕСFD– линия солидуса; на этой линии кристаллизация заканчивается, и ниже ее все образовавшиеся фазы являются твердыми.

Диаграмма состояния железо-цементит объединяет 6 структурных составляющих, включая в себя 4 фазы (жидкость, феррит, аустенит, цементит) и 2 механические смеси (перлит и ледебурит).

Феррит

(Ф) представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. Это самая мягкая и пластичная структурная составляющая. Предельное содержание углерода в феррите при 727 оС (точка Р) около 0,02 %, а при комнатной температуре (точка Q) – 0,01 %.

Аустенит

(А) представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Это более твердая и прочная структурная составляющая. Существует при температуре выше 727 °С. Предельное содержание углерода (точка Е) – 2,14 %.

Цементит

(Ц) – карбид железа – химическое соединение Fe3C (6,67 %С) со сложной кристаллической решеткой, состоящей из ряда октаэдров (рис. 28.2), и является самой твердой и хрупкой структурной составляющей. По происхождению различают первичный цементит ЦI – выделяющийся из жидкости по линии СD, вторичный ЦII – из аустенита по линии ЕS, третичный ЦIII – из феррита по линии РQ.

Перлит

[34] (П) представляет собой механическую смесь феррита и цементита, содержащую в среднем 0,81 % С. Благодаря наличию цементита, он более прочен и тверд, чем феррит и аустенит.

Ледебурит

[35] (Л) является механической смесью феррита и цементита, содержащей в среднем 4,3 % С. Благодаря большей доле цементита он более тверд и хрупок, чем перлит.

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 .

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:

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

Источники

• https://alit-stroi.ru/tehprocess/svojstva-cementita.html
• https://lfirmal.com/cementit-strukturnaya-sostavlyayushchaya-zhelezouglerodistyh-splavov/
• https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/diagramma-sostoyaniya-zhelezo-uglerod.html
• https://armatool.ru/cementit-struktura-svojstva-vidy/
• https://TechnoRama.ru/raboty/svojstva-cementita.html