Первичный и вторичный цементит: отличия и образование

Цементит (карбид железа $Fe_3C$) выделяется из железоуглеродистого сплава по-разному в зависимости от того, из какой фазы и при какой температуре он образуется. Первичный цементит кристаллизуется прямо из жидкости, вторичный выпадает из аустенита при охлаждении в твёрдом состоянии. Это не разные вещества, а одна и та же фаза с одним составом, но с разной историей образования и, как следствие, разной формой и ролью в структуре. Ниже разберём, как отличить их по диаграмме состояния и по микроструктуре, а инструмент под этим абзацем поможет собрать точную формулировку вашей учебной задачи для разбора.

Что такое цементит и почему он бывает разный

Цементит это химическое соединение железа с углеродом состава $Fe_3C$ с содержанием углерода около 6,67 процента. Он очень твёрдый (порядка 800 HB) и хрупкий, кристаллическая решётка ромбическая. В системе железо-углерод цементит выступает как избыточная фаза: когда углерода в сплаве больше, чем может раствориться в железе при данной температуре, излишек связывается в карбид.

Ключевой момент: один и тот же $Fe_3C$ может выделиться из трёх разных «исходных сред». Из жидкого расплава рождается первичный цементит, из твёрдого аустенита вторичный, а из феррита при дальнейшем охлаждении третичный. Названия отражают не химию, а очерёдность и фазу-источник. Поэтому первичный и вторичный цементит это про условия образования, а не про разные карбиды.

Различать эти формы важно по практической причине: при одинаковом составе они дают разную микроструктуру и по-разному влияют на прочность и обрабатываемость металла. Инженеру нужно знать не только сколько в сплаве карбида, но и в каком виде он расположен, потому что именно расположение определяет, будет ли изделие хрупким или нет.

Первичный цементит: кристаллизация из жидкости

Первичный цементит ($Ц_I$) образуется при первичной кристаллизации, то есть непосредственно из жидкого сплава. Это происходит только в заэвтектических белых чугунах, где углерода больше точки эвтектики (более 4,3 процента). При охлаждении такого расплава ниже линии ликвидус первой твёрдой фазой выделяется именно карбид железа.

На диаграмме состояния этому отвечает участок линии ликвидус выше эвтектической горизонтали, в области высоких температур. Поскольку первичный цементит зарождается в жидкости и растёт свободно, он формирует крупные грубые пластины (иглы), хорошо различимые под микроскопом. Именно из-за этих крупных хрупких пластин заэвтектический белый чугун особенно хрупок. Подробнее о структуре высокоуглеродистых сталей с избыточным карбидом рассказано в разборе заэвтектоидной стали.

Рассчитать для своей задачи

Вторичный цементит: выделение из аустенита

Вторичный цементит ($Ц_{II}$) выделяется из аустенита в твёрдом состоянии при охлаждении. Причина в том, что растворимость углерода в аустените падает с температурой: при 1147 градусах она максимальна (около 2,14 процента), а к 727 градусам снижается примерно до 0,8 процента. Углерод, который перестаёт умещаться в решётке аустенита, выходит из неё и образует карбид.

На диаграмме железо-углерод этому отвечает линия предельной растворимости углерода в аустените (линия ES), идущая от точки эвтектики к точке эвтектоида. Вторичный цементит характерен для заэвтектоидных сталей (углерод от 0,8 до 2,14 процента) и присутствует в белых чугунах. Он зарождается на границах зёрен аустенита и образует тонкую сетку по их периметру. Эта сетка цементита по границам зёрен сильно охрупчивает сталь, поэтому от неё стараются избавиться термообработкой.

Количество вторичного цементита можно оценить расчётом по правилу отрезков (рычага) на линии ES при заданном содержании углерода: чем дальше состав от эвтектоидной точки, тем больше доля избыточного карбида. Для доэвтектоидных сталей с содержанием углерода менее 0,8 процента вторичного цементита нет вовсе, потому что при охлаждении аустенит, наоборот, обедняется углеродом и выделяет феррит. Сравнить два этих случая помогает разбор доэвтектоидной стали, где избыточной фазой выступает именно феррит, а не карбид.

Где какая линия на диаграмме железо-углерод

Чтобы не путать формы, держите в голове три ориентира на диаграмме состояния:

• линия первичного цементита это участок ликвидус DC в области температур выше 1147 градусов, где карбид кристаллизуется из жидкости;
• линия вторичного цементита это линия ES (предельная растворимость углерода в аустените), наклонно спускающаяся от 1147 до 727 градусов;
• линия третичного цементита это линия PQ, отвечающая выделению карбида из феррита ниже 727 градусов.

Простое правило для экзамена: «первичный из жидкости сверху, вторичный из аустенита по линии ES, третичный из феррита внизу». Привязка формы цементита к конкретной линии диаграммы это типовой вопрос на коллоквиуме по материаловедению.

Как форма цементита влияет на свойства

Сам по себе $Fe_3C$ всегда твёрдый и хрупкий, но влияние на свойства сплава зависит от того, как карбид распределён.

Крупные пластины первичного цементита работают как концентраторы напряжений и резко снижают пластичность, поэтому заэвтектические белые чугуны почти не поддаются обработке давлением и режутся с трудом. Сетка вторичного цементита по границам зёрен опасна тем, что охрупчивает металл по сплошным «стенкам»: трещина легко идёт по непрерывной хрупкой оболочке.

Чтобы убрать вредную сетку, заэвтектоидную сталь подвергают сфероидизирующему отжигу (отжигу на зернистый цементит). При длительной выдержке около критической точки непрерывная сетка распадается на отдельные глобули. Зернистый цементит улучшает обрабатываемость резанием и облегчает последующую закалку. О связи количества углерода и итоговых характеристик подробно написано в материале о влиянии углерода на свойства стали.

Рассчитать для своей задачи

Как отличить под микроскопом

Под микроскопом формы цементита различают по геометрии и расположению:

• первичный цементит это крупные светлые пластины или иглы, рассечённые по полю шлифа, видны даже при малом увеличении в заэвтектическом чугуне;
• вторичный цементит это тонкая светлая сетка, оконтуривающая зёрна перлита в заэвтектоидной стали;
• третичный цементит это мелкие включения внутри или по границам феррита, практически незаметные и обычно не учитываемые в инженерных расчётах.

Для уверенного различения шлиф травят, чаще всего ниталем; цементит остаётся светлым на фоне потемневшей основы. Если на шлифе заэвтектоидной стали видна белая «паутина» по границам, это вторичный цементит, и сталь требует отжига перед закалкой.

Частые ошибки

• Считать первичный и вторичный цементит разными веществами. Это одна фаза $Fe_3C$ одного состава, различается только источник и температура выделения.
• Путать линии диаграммы: вторичный цементит выделяется по линии ES (из аустенита), а не по ликвидус. Первичный это только участок ликвидус заэвтектической области.
• Приписывать первичный цементит сталям. В сталях (до 2,14 процента углерода) первичного цементита нет, он бывает только в заэвтектических чугунах.
• Игнорировать сетку вторичного цементита перед закалкой заэвтектоидной стали. Непрерывная сетка остаётся хрупкой и после закалки, её нужно убрать отжигом заранее.
• Забывать про третичный цементит как третью форму того же карбида при ответе на вопрос «сколько видов цементита бывает».

FAQ

В чём разница между первичным и вторичным цементитом? Первичный цементит кристаллизуется из жидкого сплава при высокой температуре (линия ликвидус, заэвтектические чугуны) и образует крупные пластины. Вторичный выделяется из твёрдого аустенита при охлаждении по линии ES из-за падения растворимости углерода и образует сетку по границам зёрен. Состав у обоих одинаковый, $Fe_3C$.

При каком содержании углерода появляется вторичный цементит? Вторичный цементит образуется в сплавах с содержанием углерода выше 0,8 процента, когда при охлаждении аустенит пересыщается углеродом. Это заэвтектоидные стали (0,8 до 2,14 процента углерода) и белые чугуны.

Сколько всего видов цементита различают? Три по условиям образования: первичный (из жидкости), вторичный (из аустенита) и третичный (из феррита ниже 727 градусов). Все три это один и тот же карбид железа $Fe_3C$, различается фаза-источник и температурный интервал выделения.

Коротко

Первичный и вторичный цементит это одна фаза $Fe_3C$, выделившаяся при разных условиях: первичный кристаллизуется из жидкости в заэвтектических чугунах (линия ликвидус, крупные пластины), вторичный выпадает из аустенита при охлаждении по линии ES в заэвтектоидных сталях и чугунах (тонкая сетка по границам зёрен). Форма определяет влияние на свойства: грубые пластины и сплошная сетка охрупчивают металл, а сфероидизирующий отжиг переводит сетку в безопасный зернистый цементит. На диаграмме железо-углерод первичный отвечает участку ликвидус сверху, вторичный линии ES, а третичный линии PQ внизу.