Цементит — одна из ключевых фаз в железоуглеродистых сплавах, от которой зависят прочность, твёрдость и другие механические свойства стали. Но не все знают, что цементит бывает первичным, вторичным и третичным, и каждый тип образуется на разных этапах кристаллизации и охлаждения. В этой статье мы детально разберём, какой цементит называется вторичным, как он формируется, чем отличается от других видов и почему его наличие критично для легированных сталей.

Многие путают вторичный цементит с первичным, ошибочно полагая, что речь идёт об одном и том же веществе. На самом деле эти фазы возникают в разные моменты фазовых превращений и играют разную роль. Если первичный цементит выделяется из жидкого расплава при кристаллизации, то вторичный цементит образуется из аустенита — твёрдого раствора углерода в γ-железе. Это принципиальное отличие, которое определяет его локализацию, морфологию и влияние на конечные свойства материала.

Далее мы рассмотрим механизм образования вторичного цементита, его связь с диаграммой железо-углерод, а также практические аспекты — от термической обработки до дефектов, которые могут возникнуть при неправильном контроле этого процесса.

Что такое цементит и какие бывают его виды

Цементит (Fe₃C) — это химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,67% углерода по массе. Оно обладает высокой твёрдостью (около 800 HV), но при этом хрупкостью, что делает его ключевым структурным компонентом в сталях и чугунах. В зависимости от условий образования выделяют три типа цементита:

  • 🔹 Первичный цементит — выделяется из жидкой фазы при кристаллизации сплавов с содержанием углерода более 4,3% (заэвтектических чугунов). Образует грубые пластинчатые или игольчатые кристаллы.
  • 🔹 Вторичный цементит — выпадает из аустенита при охлаждении в интервале температур 1147–727°C (линия ES на диаграмме Fe-Fe₃C). Имеет форму тонких прослоек по границам зёрен.
  • 🔹 Третичный цементит — выделяется из феррита при температурах ниже 727°C (линия PQ). Обычно встречается в виде мелких глобулей внутри ферритных зёрен.

Основное отличие вторичного цементита — его связь с пересыщенным аустенитом. Когда сталь охлаждается, растворимость углерода в γ-железе падает, и "лишний" углерод выделяется в виде Fe₃C. Этот процесс аналогичен выпадению соли при испарении воды: чем ниже температура, тем меньше углерода может удержать аустенит.

Важно понимать, что вторичный цементит никогда не образуется из жидкой фазы — только из твёрдого раствора. Это принципиально отличает его от первичного, который кристаллизуется непосредственно из расплава.

Механизм образования вторичного цементита

Процесс выделения вторичного цементита тесно связан с диаграммой состояния железо-цементит. Рассмотрим его поэтапно:

  1. Нагрев выше линии SE (1147°C). Аустенит растворяет максимальное количество углерода (до 2,14% при 1147°C).
  2. Охлаждение в интервале 1147–727°C. Растворимость углерода в аустените снижается (см. линию ES). "Лишний" углерод выделяется в виде вторичного цементита по границам аустенитных зёрен.
  3. Превращение аустенита в перлит (ниже 727°C). Оставшийся аустенит распадается на феррит и цементит (перлитную смесь), а вторичный цементит остаётся в виде сетки.

Формула реакции выделения: 

γ(Fe) [C] → α(Fe) + Fe₃C (вторичный)

Скорость охлаждения сильно влияет на морфологию вторичного цементита:

  • 🐢 Медленное охлаждение → грубая сетка по границам зёрен (ухудшает пластичность).
  • ⚡ Быстрое охлаждение → дисперсные частицы внутри зёрен (повышает прочность).
📊 Какой тип цементита вам встречался чаще в практике?
Первичный
Вторичный
Третичный
Не знаю

Влияние вторичного цементита на свойства стали

Наличие вторичного цементита существенно меняет механические и технологические характеристики стали. Его роль двояка:

СвойствоВлияние вторичного цементитаПричина
Твёрдость↑ ПовышаетсяЦементит твёрже феррита (800 HV против 80 HV).
Прочность↑ УвеличиваетсяДисперсные частицы Fe₃C упрочняют матрицу.
Пластичность↓ СнижаетсяСетка цементита по границам зёрен — концентратор напряжений.
Ударная вязкость↓ ПадаетХрупкость цементита способствует трещинообразованию.
Обрабатываемость резанием↓ УхудшаетсяВысокая твёрдость цементита изнашивает инструмент.

Особенно критично присутствие вторичного цементита в инструментальных и высокоуглеродистых сталях. Например, в стали У10 (1% углерода) его сетка может занимать до 15% объёма, что требует специальных режимов термообработки для сфероидизации (раздробления) частиц.

💡

Для улучшения пластичности стали с вторичным цементитом применяют отжиг на зернистый перлит — нагрев до 740–760°C с медленным охлаждением. Это преобразует сетку цементита в глобулярные включения.

Как отличить вторичный цементит от первичного и третичного

Визуально и по микроструктуре три типа цементита имеют ключевые различия:

  • 🔬 Первичный цементит:
    • Форма: крупные пластины или иглы.
    • Локализация: в заэвтектических чугунах (содержание C > 4,3%).
    • Цвет на шлифе: светлый, резко контрастирует с ледебуритом.
  • 🔬 Вторичный цементит:
    • Форма: тонкая сетка по границам зёрен аустенита (после превращения — перлита).
    • Локализация: в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях (C > 0,8%).
    • Цвет: светлый, но менее яркий, чем первичный.
  • 🔬 Третичный цементит:
    • Форма: мелкие глобули внутри ферритных зёрен.
    • Локализация: в низкоуглеродистых сталях (C < 0,02%).
    • Цвет: слабый контраст, сложно различим без электронного микроскопа.

Для точной идентификации используют:

  1. Микроскопию (оптический или электронный микроскоп).
  2. Рентгеноструктурный анализ (определяет тип кристаллической решётки).
  3. Травление шлифов (реагент пикрат натрия окрашивает цементит в тёмный цвет).
Почему вторичный цементит часто путают с перлитом?

Перлит — это эвтектоидная смесь феррита + цементита, образующаяся при 727°C. Вторичный цементит выделяется до перлитного превращения (в интервале 1147–727°C) и имеет форму сплошной сетки, а не пластинчатых колоний, как в перлите.

Практическое значение вторичного цементита в металлургии

Контроль над образованием вторичного цементита критичен в нескольких областях:

  • 🏭 Производство инструментальных сталей:

    В сталях типа У12 или ХВГ вторичный цементит обеспечивает высокую твёрдость, но его избыток ведёт к хрупкости. Для баланса применяют неполную закалку (нагрев до 760–800°C), чтобы часть цементита осталась нерастворённой.

  • ⚙️ Термическая обработка:

    При нормализации вторичный цементит способствует измельчению зерна, а при отпуске его частицы коагулируют, снижая внутренние напряжения.

  • ⚠️ Дефекты структуры:

    Грубая сетка вторичного цементита может вызвать красноломкость (хрупкость при высоких температурах) или флокенообразование (внутренние трещины).

В современных легированных сталях (например, 9ХС или Х12МФ) вторичный цементит часто модифицируют добавками хрома или вольфрама, которые образуют более стабильные карбиды (Cr₇C₃, W₂C).

💡

Вторичный цементит — не всегда вредная фаза. В инструментальных сталях его контролируемое выделение повышает износостойкость, а в конструкционных — требует сфероидизирующего отжига для улучшения пластичности.

Типичные ошибки при работе со сталями, содержащими вторичный цементит

Непонимание роли вторичного цементита часто приводит к технологическим дефектам. Рассмотрим наиболее распространённые ошибки:

⚠️ Внимание: При нагреве заэвтектоидной стали выше 1100°C вторичный цементит полностью растворяется в аустените. При последующем медленном охлаждении он выделится вновь, но в виде грубой сетки, что ухудшит механические свойства.
  • 🔥 Перегрев при закалке:

    Нагрев до температур выше 900°C для сталей типа У8–У12 приводит к росту аустенитного зерна и грубому выделению цементита. Результат — повышенная хрупкость.

  • ❄️ Слишком медленное охлаждение:

    При отжиге со скоростью < 30°C/ч вторичный цементит образует толстую сетку, что снижает ударную вязкость. Оптимальная скорость — 50–100°C/ч.

  • 🔄 Неправильный отпуск:

    Низкотемпературный отпуск (150–200°C) не меняет структуру вторичного цементита, а высокотемпературный (> 500°C) может вызвать его коагуляцию и снижение твёрдости.

Для предотвращения дефектов используйте следующие рекомендации:

Выбирайте температуру закалки на 30–50°C выше Ac1 (для доэвтектоидных сталей) или Acm (для заэвтектоидных)|Используйте ступенчатую закалку для уменьшения внутренних напряжений|Проводите сфероидизирующий отжиг для раздробления цементитной сетки|Контролируйте скорость охлаждения после аустенизации (оптимально 100–200°C/ч)-->

FAQ: Частые вопросы о вторичном цементите

Может ли вторичный цементит образовываться в низкоуглеродистых сталях?

Нет. В сталях с содержанием углерода < 0,8% (доэвтектоидных) вторичный цементит не выделяется, так как весь углерод связан в перлите. Вторичный цементит характерен только для заэвтектоидных сталей (C > 0,8%) и чугунов.

Как удалить грубую сетку вторичного цементита?

Для этого применяют сфероидизирующий отжиг:

  1. Нагрев до 740–780°C (выше Ac1, но ниже Acm).
  2. Выдержка 2–4 часа.
  3. Медленное охлаждение до 600°C со скоростью 20–30°C/ч.

В результате сетка цементита распадается на глобулярные частицы.

Влияет ли вторичный цементит на коррозионную стойкость?

Да, но косвенно. Сам цементит (Fe₃C) менее устойчив к коррозии, чем феррит. Однако в легированных сталях (например, Х13) хром образует защитную оксидную плёнку, компенсируя этот эффект. В углеродистых сталях грубая цементитная сетка может ускорять локальную коррозию по границам зёрен.

Можно ли увидеть вторичный цементит невооружённым глазом?

Нет. Его частицы имеют размеры от 0,1 до 10 мкм. Для наблюдения требуется микроскоп с увеличением не менее ×100. На макрошлифе можно заметить только последствия его присутствия — например, хрупкий излом.

Какие элементы легирования подавляют образование вторичного цементита?

Кремний (Si) и алюминий (Al) снижают растворимость углерода в аустените, тем самым уменьшая количество выделяющегося цементита. Марганец (Mn) и никель (Ni), напротив, стабилизируют аустенит и способствуют более равномерному распределению цементита.