Карбид железа (Fe3C): свойства, структура и образование
Cementite
Цементит (Fe3C) – карбид железа, твердый и хрупкий материал. Состав, структура, получение и роль в чугунах и альтернативных технологиях выплавки железа.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Соединение железа и углерода
Compound of iron and carbon
Цементит (или карбид железа) — это соединение железа и углерода, точнее, промежуточный карбид переходного металла с формулой Fe3C. По массе он содержит 6,67% углерода и 93,3% железа. Он обладает орторомбической кристаллической структурой. Это твердый и хрупкий материал, который в чугунах образуется как сырье в процессе получения карбида железа, относящегося к семейству альтернативных технологий производства железа. Название «цементит» произошло от теории Флориса Осмонда и Дж. Верта, согласно которой структура затвердевшей стали состоит из своеобразной клеточной ткани, где феррит является ядром, а Fe3C — оболочкой клеток. Таким образом, карбид цементировал железо.
Cementite (or iron carbide) is a compound of iron and carbon, more precisely an intermediate transition metal carbide with the formula Fe3C. By weight, it is 6.67% carbon and 93.3% iron. It has an orthorhombic crystal structure. It is a hard, brittle material, and cast irons, it is produced as a raw material in the iron carbide process, which belongs to the family of alternative ironmaking technologies. The name cementite originated from the theory of Floris Osmond and J. Werth, in which the structure of solidified steel consists of a kind of cellular tissue, with ferrite as the nucleus and Fe3C the envelope of the cells. The carbide therefore cemented the iron.
Металлургия
В системе железо-углерод (т.е. обычные углеродистые стали и чугуны) это распространенный компонент, поскольку феррит может содержать не более 0,02 мас.% неуглеросодержащего углерода. Поэтому в углеродистых сталях и чугунах, охлаждаемых медленно, часть углерода находится в форме цементита. В белом чугуне цементит образуется непосредственно из расплава. В углеродистой стали цементит выделяется из аустенита при его превращении в феррит при медленном охлаждении, или из мартенсита при отпуске. Тесное смешение с ферритом, другим продуктом превращения аустенита, образует слоистую структуру, называемую перлитом. Хотя цементит термодинамически нестабилен и в конечном итоге превращается в аустенит (при низком содержании углерода) и графит (при высоком содержании углерода) при более высоких температурах, он не разлагается при нагреве до температур ниже температуры эвтектоида (723 °C) на метастабильной диаграмме состояния железо-углерод. Механические свойства: микротвердость при комнатной температуре 760–1350 HV; предел прочности при изгибе 4,6–8 ГПа, модуль Юнга 160–180 ГПа, ударная вязкость при вдавливании 1,5–2,7 МПа√м.
In the iron–carbon system (i. e. plain carbon steels and cast irons) it is a common constituent because ferrite can contain at most 0.02wt% of uncombined carbon. Therefore, in carbon steels and cast irons that are slowly cooled, a portion of the carbon is in the form of cementite. Cementite forms directly from the melt in the case of white cast iron. In carbon steel, cementite precipitates from austenite as austenite transforms to ferrite on slow cooling, or from martensite during tempering. An intimate mixture with ferrite, the other product of austenite, forms a lamellar structure called pearlite. While cementite is thermodynamically unstable, eventually being converted to austenite (low carbon level) and graphite (high carbon level) at higher temperatures, it does not decompose on heating at temperatures below the eutectoid temperature (723 °C) on the metastable iron carbon phase diagram. Mechanical properties are as follows: room temperature microhardness 760–1350 HV; bending strength 4.6–8 GPa, Young's modulus 160–180 GPa, indentation fracture toughness 1.5–2.7 MPa√m.
Чистая форма
Цементит изменяется от ферромагнитного к парамагнитному при нагревании до температуры Кюри приблизительно A. Природный железный карбид (содержащий небольшое количество никеля и кобальта) встречается в железных метеоритах и называется когенитом в честь немецкого минералога Эмиля Коэна, который впервые его описал.
Cementite changes from ferromagnetic to paramagnetic upon heating to its Curie temperature of approximately
A natural iron carbide (containing minor amounts of nickel and cobalt) occurs in iron meteorites and is called cohenite after the German mineralogist Emil Cohen, who first described it.
Другие карбиды железа
Существуют и другие формы метастабильных карбидов железа, которые были идентифицированы в отпущенной стали и в промышленном процессе Фишера-Тропша. К ним относятся карбид эпсилон (ε), гексагонально плотноупакованный Fe2–3C, осадки в обычных углеродистых сталях с содержанием углерода > 0,2%, отпущенных при 100–200 °C. Нестехиометрический карбид ε растворяется при температуре выше ~200 °C, где начинают формироваться карбиды Хэгга и цементит. Карбид Хэгга, моноклинный Fe5C2, осаждается в закаленной инструментальной стали, отпущенной при 200–300 °C. Он также встречается в природе в виде минерала Эдскоттита в метеорите Уэддерберн.
There are other forms of metastable iron carbides that have been identified in tempered steel and in the industrial Fischer–Tropsch process. These include epsilon (ε) carbide, hexagonal close packed Fe2–3C, precipitates in plain carbon steels of carbon content > 0.2%, tempered at 100–200 °C. Non stoichiometric ε carbide dissolves above ~200 °C, where Hägg carbides and cementite begin to form. Hägg carbide, monoclinic Fe5C2, precipitates in hardened tool steels tempered at 200–300 °C. It has also been found naturally as the mineral Edscottite in the Wedderburn meteorite