La cémentite est un composé chimique dont l’inclusion durcit l’acier. Chaque molécule est composée de trois atomes de fer liés à un atome de carbone (Fe3C) pour former une structure en réseau cristallin appelée orthorhombique, où plusieurs prismes rectangulaires proviennent de la même structure de base et se coupent à des angles de 90 degrés. Le résultat est une substance très dure et cassante appelée carbure de fer ou cémentite.
Dans sa forme la plus pure, la cémentite est classée comme une céramique sans oxyde. Il est solide et inerte et peut résister à la force d’écrasement, à l’érosion chimique, à l’abrasion et à des températures allant jusqu’à 3000 degrés F (1600 C). Il se forme naturellement par fusion de la fonte blanche, où il précipite hors du fer sous forme de carbone pour former de grosses particules. Il apparaît ainsi parfois en phase avec l’austénite, un allotrope du fer, qui peut parfois se refroidir pour former de la martensite, un acier à très fort réseau cristallin.
L’acier est trempé pour augmenter la dureté et réduire la fragilité en créant de la cémentite. La première étape du processus de trempe est appelée austénite, lorsque l’acier est fondu dans une solution de fer et de carbone, ou austénite. L’acier est rapidement refroidi et la martensite se forme à partir de l’austénite. Il est ensuite chauffé à nouveau, et refroidi lentement de manière contrôlée, et de la cémentite est formée. Il est impossible de produire suffisamment d’énergie pour mener à bien la réaction, de sorte que la cémentite est généralement mélangée avec de petites quantités de martensite non convertie, de bainite, qui est également Fe3C, mais avec une structure cristalline différente, et de ferrite (fer).
La cémentite est ferromagnétique, ce qui signifie qu’elle présente des caractéristiques magnétiques avec ou sans champ magnétique, comme un aimant de réfrigérateur. A 480K (404 F, 207 C), cependant, les pôles atomiques commencent à se déplacer et ne sont plus alignés. Les spins des molécules deviennent aléatoires et l’aimantation cesse. La substance devient paramagnétique, ce qui signifie qu’elle n’est magnétisée que si le champ est appliqué par une source extérieure. Même alors, l’aimantation sera faible car elle repose sur des dipôles induits, et aucune force extérieure ne peut induire chaque dipôle dans chaque molécule, structure cristalline ou non. En fait, c’est l’attraction non linéaire qui donne aux ferromagnétiques leur force.
Il existe une substance très similaire à la cémentite appelée cohénite. C’est aussi du Fe3C, sauf qu’il forme un cristal en forme de tige et contient des traces de nickel et de cobalt. Il se produit naturellement dans les météorites, et sur Terre, il y a des endroits avec des gisements de fer très élevés, comme les traînées de flux de magma volcanique qui se produisent sur les gisements de charbon.