Цементит – это химическое соединение состава Fe₃C – карбид железа. Известно, что растворимость углерода в железе невелика: в α – железе растворяется около 0,02% С при эвтектоидной температуре, а при комнатной – порядка 0,008%. В  - железе растворяется до 2,14% С при температуре 1147^оС, при комнатной температуре -железо не существует (про аустенит при комнатной температуре написано в статье «Как увидеть аустенит?» на этом сайте). Поэтому в структуре стали и чугуна углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита.

Сейчас речь о цементите. Температура плавления цементита – порядка 1250 ^оС. Цементит имеет твердость порядка 800 HB и очень низкую пластичность. Такие свойства цементита связаны с его сложной кристаллической решеткой (рис. 1). 

Рисунок 1. Схема кристаллической решетки цементита (А.П. Гуляев. Металловедение)

Нас интересует в первую очередь то, что цементит – это фаза железоуглеродистых сплавов. Если исходить только из диаграммы состояния железо-углерод, то различают цементит первичный, вторичный и третичный. Положение этих видов цементита показано на диаграмме состояния (рис. 2) различным цветом.

Рисунок 2. Цементит на диаграмме состояния железо-углерод.

Первичный цементит формируется в заэвтектическом чугуне непосредственно при кристаллизации (рис.3). Длинные протяженные кристаллы - это выделения первичного карбида. Область на диаграмме состояния, в которой присутствует только первичный цементит, окрашена в розовый цвет.

Рисунок 3 .Заэвтектический хромистый чугун

Цементит в составе ледебурита тоже относится к первичному цементиту (рис.4, 5). Цементит ледебурита в доэвтектическом чугуне тоже первичный, поскольку ледебурит формируется при кристаллизации расплава.

а	б

Рисунок 4. Дендриты первичного цементита (а) и ледебурит в половинчатом чугуне (б)

Рисунок 5. Ледебурит

Вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита (зеленая область на диаграмме состояния), поскольку ниже 1147^оС концентрация углерода в аустените снижается, а из «освободившегося» углерода формируется цементит. При эвтектоидной температуре аустенит распадается, поэтому ниже 727^оС на диаграмме состояния всегда есть вторичный цементит. При комнатной температуре мы видим вторичный цементит в составе перлита, а также по границам зерен в заэвтектоидной стали (рис.6).

Рисунок 6. Вторичный цементит и перлит в заэвтектоидной стали

Третичный цементит формируется при охлаждении феррита (голубой участок на диаграмме состояния). В отличие от других видов цементита, его трудно наблюдать, поскольку он выделяется в небольших количествах, а при повышении концентрации углерода соединяется с цементитом перлита. Обычно третичный цементит выделяется по границам зерен (рис.7). Иногда он сам не виден, но декорирует границу зерна, и ее лучше видно.

а	б	в

Рисунок 7 .Третичный цементит в стали 08Ю (а), углеродистой стали (б,в)

Выделение третичного цементита – это результат старения. Дело в том, что концентрация углерода в феррите изменяется при изменении температуры. Предел насыщения феррита углеродом показывает линия PQ (рис.8). Концентрация углерода в феррите изменяется с изменением температуры - при 723 ^оС в феррите растворяется около 0,03 %С, а при комнатной температуре – до 0,008 %С. Если сталь нагреть выше линии PQ, а затем быстро охладить (т.е. закалить), то в результате закалки получим пересыщенный твердый раствор углерода в α – железе. Этот раствор не будет неизменным с течением времени. И при комнатной температуре, и при повышенной он будет распадаться – стареть. Упрочняющей фазой, образующейся при таком старении, и является третичный цементит.

Рисунок 8. Область выделения третичного цементита (отмечено голубым) на диаграмме состояния железо-углерод.

Итак:
• первичный цементит кристаллизуется из расплава;
• вторичный цементит формируется при охлаждении аустенита;
• третичный цементит формируется при охлаждении феррита.

В сталях и чугунах цементит может принимать разный вид. Вторичный цементит в сталях может иметь различную морфологию. Обычно цементит имеет форму пластинок в составе перлита (рис. 9 а). Тогда отличить его от феррита можно только при специальном травлении. После определенного отжига перлит трансформируется, а цементит принимает форму округлых включений. Это зернистый перлит (рис. 9 б). Статья о зернистом перлите есть на этом сайте.
В сталях, где есть легирующие элементы, цементит не имеет формулы Fe₃C. Цементит может образовать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут заменяться другими неметаллами – азотом, кислородом, атомы железа – атомами легирующих элементов – хромом, никелем, вольфрамом и т.д. В этом случае формируется легированный цементит, формулу которого записывают как Me₃C. Буква М обозначает атомы металлов, частично замещающие железо. В большинстве сталей цементит легированный. Мы имеем дело с цементитом сталей, в основном, в следующих случаях. После нормализации цементит стали входит в состав перлита (вторичный цементит, рис.6); иногда можно видеть и третичный цементит (рис. 7). После закалки и отпуска в стали присутствуют карбиды; состав их различен; но так или иначе карбиды состава Me₃C надо отнести ко вторичному цементиту. На рис. 10 показаны карбиды в стали Р18 после закалки и отпуска. Еще там можно увидеть остатки литой структуры («скелетик» в центре кадра); это карбид, который закристаллизовался из жидкости; можно принять его как  первичный цементит. Он не устранился дальнейшей обработкой.Это дефект структуры, который ведет к снижению свойств.

Рисунок 9. Морфология цементита в стали: а – пластинчатый цементит, б - глобулярный.

Рисунок 10 . Первичный цементит и карбиды в стали Р18

В белом чугуне присутствует первичный цементит, аналогичный по структуре тому, который показан на рис.3 и 4. В серых чугунах (после операции графитизации) иногда может остаться незначительное количество цементита (рис.11 а, включение цементита отмечено стрелкой), а также цементит перлита, который не распадается при отжиге (рис. 11 б). На рис.12 белые «скелетики» - это первичный цементит в аустенитном чугуне; белые мелкие включения по полю - тоже выделения цементита (или карбидов, потому что это легированный чугун), который можно назвать вторичным.

а	б

Рисунок 11. Структура серого чугуна.

Рисунок 12. Цементит в аустенитном чугуне.