इस्पात के रूपांतरण तापमान और प्रावस्थाएँ

रूपांतरण तापमानों का वास्तविक अर्थ

स्टील का रूपांतरण तापमान किसी ग्रेड के साथ दिया गया कोई सार्वभौमिक अंक नहीं होता। यह एक सीमा या प्रेक्षित घटना होती है, जो संघटन, तापीय इतिहास, नमूने के आकार, गर्म करने या ठंडा करने की दर, तथा एक संरचना के दूसरी संरचना में बदलने की क्रियाविधि पर निर्भर करती है। उद्धृत तापमान साम्यावस्था का वर्णन कर सकता है, गर्म करने के दौरान अभिक्रिया के आरंभ का, ठंडा करने के दौरान अभिक्रिया के आरंभ का, या उस बिंदु का जिस पर कोई विशेष मापन किसी परिवर्तन का पता लगाता है। ये मान परस्पर संबंधित अवश्य हैं, लेकिन इन्हें एक-दूसरे के स्थान पर प्रयोग नहीं किया जा सकता।

एक प्रावस्था ऐसी भौतिक रूप से विशिष्ट संरचना है जिसकी क्रिस्टल व्यवस्था और संघटन-सीमा निश्चित होती है। स्टील में austenite (γ) face-centred cubic, ferrite (α) body-centred cubic और cementite orthorhombic Fe₃C होती है, जैसा कि University of Cambridge द्वारा Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) में वर्णित किया गया है। एक संघटक ऐसा सूक्ष्मसंरचनात्मक समूह होता है जिसमें एक से अधिक प्रावस्थाएँ हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, pearlite ferrite और cementite से बना एक संघटक है। एक रूपांतरण उत्पाद वह संरचना है जो मूल प्रावस्था से बनती है: pearlite, bainite, martensite, proeutectoid ferrite और proeutectoid cementite वे प्रमुख उत्पाद हैं जिन्हें ASM द्वारा austenite रूपांतरणों के विवेचन में पहचाना गया है।

तापमान (°C)

यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि कोई तापमान किसी प्रावस्था के लुप्त होने को दर्शा सकता है, लेकिन अंतिम संघटक का नाम नहीं बताता। लगभग 0.8 wt% carbon और 723 °C पर, University of Cambridge की 2002 की Fe–C सामग्री के अनुसार, austenite eutectoid अभिक्रिया γ → α + Fe₃C से गुजरती है। यह समीकरण साम्यावस्था के उत्पादों—ferrite और cementite—को दर्शाता है। इसका अर्थ यह नहीं है कि लगभग 0.8 wt% carbon वाला प्रत्येक स्टील वास्तविक भट्ठी-चक्र के दौरान ठीक 723 °C पर समान संरचना बनाएगा।

साम्यावस्था सीमाएँ बनाम व्यावहारिक क्रांतिक तापमान

साम्यावस्था-संकेतन यह बताता है कि जब तंत्र के पास साम्यावस्था के निकट पहुँचने के लिए पर्याप्त समय हो, तब ऊष्मागतिक रूप से क्या स्थिर रहता है। Ae1 साम्यावस्था का eutectoid तापमान है: वह सीमा जिस पर निर्दिष्ट संघटन और दाब के अंतर्गत austenite तथा ferrite-plus-cementite मिश्रण सह-अस्तित्व में रह सकते हैं। Ae3 hypoeutectoid steel में austenite की ऊपरी साम्यावस्था सीमा है, जो austenite को austenite-plus-ferrite क्षेत्र से अलग करती है। Aecm hypereutectoid steel के लिए इसी प्रकार की ऊपरी सीमा है, जो austenite को austenite-plus-cementite क्षेत्र से अलग करती है। अधोलिखित “e” साम्यावस्था का संकेत देता है।

धीमे शीतन के लिए, तापन के क्रांतिक तापमान, शीतन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं। Strong evidence

संचालनात्मक तापमान सामान्यतः अलग संकेतन के साथ लिखे जाते हैं। Ac1 और Ac3 गर्म करते समय प्रेक्षित रूपांतरण तापमानों को दर्शाते हैं; Ar1 और Ar3 ठंडा करते समय प्रेक्षित तापमानों को दर्शाते हैं। “c” और “r” क्रमशः गर्म करने और ठंडा करने की स्थितियों को दर्शाते हैं, न कि नई साम्यावस्था प्रावस्थाओं को। गर्म करते समय, austenite का बनना Ae1 से ऊपर जाने तक आरंभ न हो, क्योंकि नाभिकन और विसरण में समय लगता है। ठंडा करते समय, ferrite, pearlite या cementite साम्यावस्था सीमा से नीचे जाने तक प्रकट न हो सकते हैं, क्योंकि अभिक्रिया के लिए अतिशीतलन आवश्यक होता है। ASM International की रिपोर्ट के अनुसार, धीमे ठंडा करने पर गर्म करने के क्रांतिक तापमान ठंडा करने के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं (2024)। यह अंतर हिस्टेरेसिस है, phase diagram की त्रुटि नहीं।

संघटन भी इन सीमाओं को बदलता है। Carbon austenite की स्थिरता तथा उन तापमानों को बदलता है जिन पर ferrite, pearlite, cementite और martensite बन सकते हैं। Alloying elements सीमाओं को स्थानांतरित करते हैं और अभिक्रिया की दरों में परिवर्तन करते हैं; उदाहरण के लिए, silicon रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, austenite में carbon की विलेयता घटाता है और iron carbide के विघटन को बढ़ावा देता है। शुद्ध iron का संदर्भ भी पहले से ही तापमान-निर्भर है: Cambridge के अनुसार face-centred cubic austenite लगभग 910–1400 °C पर और गलन तापमान लगभग 1539 °C पर होता है (2005)। इसलिए कोई steel grade शुद्ध iron से एक निश्चित “austenitising temperature” प्राप्त नहीं कर सकता।

गर्म करना, ठंडा करना, समतापीय धारण और सतत ठंडा करना

गर्म करने, ठंडा करने और धारण करने से अलग-अलग प्रश्न उत्पन्न होते हैं। गर्म करने पर प्रश्न यह होता है कि austenite बनने के लिए ferrite और cementite किस बिंदु तक पर्याप्त रूप से घुलते हैं। तापीय विलंब के कारण मोटे अवयव में भट्ठी का तापमान, सतह का तापमान और केंद्र का तापमान एक-दूसरे से काफी भिन्न हो सकते हैं। Pyrometer का पठन Ac1 को पार कर सकता है, जबकि केंद्र अभी उस तापमान तक न पहुँचा हो। इसके बाद, नाममात्र भट्ठी-कार्यक्रम समान होने पर भी अनुप्रस्थ काट का आकार प्रभावी तापीय पथ को बदल देता है।

ठंडा करने पर अभिक्रिया-पथ रूपांतरण उत्पाद निर्धारित करता है। धीमा ठंडा करना विसरण-नियंत्रित, पुनर्रचनात्मक उत्पाद देता है, जैसे proeutectoid ferrite और pearlite, जिससे carbon और iron परमाणुओं का पुनर्वितरण संभव होता है। अधिक तेज ठंडा करना इन अभिक्रियाओं को दबा देता है और bainite या martensite उत्पन्न कर सकता है। Cambridge के अनुसार, iron lattice के संदर्भ में bainite की वृद्धि विसरणरहित होती है और T₀ तापमान से नीचे ऊष्मागतिक रूप से संभव होती है, जहाँ समान संघटन वाले austenite की तुलना में bainite की मुक्त ऊर्जा कम होती है। Martensite एक विस्थापनात्मक, मूलतः विसरणरहित रूपांतरण है: इसके निर्माण के लिए carbon का लंबी दूरी तक जाना आवश्यक नहीं होता, यद्यपि carbon की मात्रा इसके आरंभिक तापमान को अत्यधिक प्रभावित करती है।

एक समतापीय रूपांतरण में austenite को उस तापमान तक तीव्रता से ठंडा करने के बाद चुने गए एक तापमान पर धारण किया जाता है। एक TTT diagram—time-temperature-transformation diagram—ऐसी धारण स्थितियों में उत्पादों के आरंभ और समाप्ति का समय दर्शाता है। इसकी C-curves pearlite और bainite जैसी समय-निर्भर अभिक्रियाओं को दर्शाती हैं, जबकि martensite-start तापमान, Ms, एक अऊष्मीय रूपांतरण को दर्शाता है, जो मुख्यतः प्राप्त तापमान द्वारा नियंत्रित होता है, न कि ऊष्मायन समय द्वारा। Mf martensite-finish तापमान है, यद्यपि ठंडा करना Mf से ऊपर रुक सकता है और retained austenite छोड़ सकता है। Cambridge की रिपोर्ट के अनुसार, carbon Ms, Mf और retained-austenite अंश को प्रभावित करता है (2012)।

इसके विपरीत, एक CCT diagram सतत ठंडा करने के दौरान होने वाले रूपांतरण को दर्ज करता है। ठंडा करने की दर यह निर्धारित करती है कि किन आरंभिक वक्रों को पार किया जाएगा और स्टील प्रत्येक अभिक्रिया-सीमा में कितने समय तक रहेगा। NIST का Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) दर्शाता है कि CCT diagram hardenability का अनुमान लगाने तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, strength, hardness, machinability और fatigue properties का पूर्वानुमान करने में सहायक हो सकता है। इसी कारण CCT मान Ae मान का विकल्प नहीं है। साम्यावस्था सीमाएँ अनुमत प्रावस्था-स्थिरता का वर्णन करती हैं; TTT और CCT diagrams यह वर्णन करते हैं कि विशेष तापीय पथों पर वास्तविक रूपांतरण उत्पाद कब प्रकट होते हैं।

लौह–कार्बन ढाँचा: प्रावस्थाएँ, क्रिस्टल संरचनाएँ और क्षेत्र

लौह–कार्बन आरेख साम्यावस्था का मानचित्र है, केवल तापमान देखने की तालिका नहीं। इसके क्षेत्र यह दर्शाते हैं कि किसी विशेष संघटन और तापमान पर कौन-सी प्रावस्थाएँ ऊष्मागतिकीय रूप से स्थिर हैं, यह मानते हुए कि विसरण के लिए पर्याप्त समय उपलब्ध है। वास्तविक इस्पात प्रायः अलग मार्ग का अनुसरण करता है: तापन और शीतलन की दरें रूपांतरण तापमानों को बदल देती हैं, मिश्रधातु तत्व प्रावस्था-स्थिरता को प्रभावित करते हैं, और तीव्र शीतलन विसरण-नियंत्रित उत्पादों के निर्माण को रोक सकता है। इसलिए समान नाममात्र ग्रेड में उसकी ऊष्मीय इतिहास के आधार पर फेराइट, परलाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट, अवशिष्ट ऑस्टेनाइट या इनका मिश्रण हो सकता है।

यह आरेख प्रावस्था को सूक्ष्मसंरचनात्मक घटक और रूपांतरण उत्पाद से भी अलग करता है। फेराइट, ऑस्टेनाइट और सीमेंटाइट प्रावस्थाएँ हैं। परलाइट द्वि-प्रावस्थीय घटक है। बैनाइट और मार्टेंसाइट रूपांतरण उत्पाद हैं, जिनकी संरचनाएँ और संघटन इस बात पर निर्भर करते हैं कि ऑस्टेनाइट किस प्रकार अपघटित होता है।

फेराइट, ऑस्टेनाइट और सीमेंटाइट

फेराइट, जिसे इस संदर्भ में पारंपरिक रूप से α लिखा जाता है, लौह-समृद्ध ठोस विलयन है, जिसकी क्रिस्टल संरचना अंतःकेंद्रित घनीय (BCC) होती है। BCC फेराइट में कार्बन की विलेयता बहुत कम होती है, क्योंकि उपलब्ध अंतःस्थलीय स्थान छोटे होते हैं और कार्बन के लिए उपयुक्त नहीं होते। सामान्य तापमानों पर निम्न-कार्बन इस्पातों में फेराइट सामान्यतः सतत या मैट्रिक्स प्रावस्था के रूप में पाया जाता है। इसकी अपेक्षाकृत कम कार्बन मात्रा और BCC जालक, मार्टेंसाइट की तुलना में इसकी कम कठोरता को समझाने में सहायक हैं।

ऑस्टेनाइट, जिसे γ लिखा जाता है, की क्रिस्टल संरचना फलकीय-केंद्रित घनीय (FCC) होती है। FCC जालक बड़े और अधिक अनुकूल अंतःस्थलीय स्थान उपलब्ध कराता है, इसलिए इसमें फेराइट की तुलना में काफी अधिक कार्बन घुल सकता है। कार्बन धारण करने की यह क्षमता इस्पात के ऊष्मा-उपचार में केंद्रीय भूमिका निभाती है: ऑस्टेनाइटीकरण का उद्देश्य शीतलन से पहले कार्बन को γ में प्रविष्ट कराना होता है, ताकि यह निर्धारित हो सके कि आगे परलाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट या कोई अन्य मिश्रण बनेगा।

शुद्ध लौह के लिए, University of Cambridge की 2005 की Stainless Steels: Phase Equilibria सामग्री FCC ऑस्टेनाइट की सीमा लगभग 910–1400 °C बताती है। यह अंतराल शुद्ध लौह के लिए विशिष्ट है, इस्पात के लिए कोई सार्वभौमिक सीमा नहीं। शुद्ध लौह लगभग 1539 °C पर पिघलता है, जबकि कार्बन और अन्य मिश्रधातु-योग प्रावस्था-सीमाओं तथा रूपांतरण तापमानों को स्थानांतरित कर देते हैं।

सीमेंटाइट, Fe₃C, लौह का एक कार्बाइड है, जिसकी क्रिस्टल संरचना ऑर्थोरॉम्बिक होती है। यह एक यौगिक प्रावस्था है, जिसमें लगभग 6.67 wt% कार्बन होता है—जो सामान्य संरचनात्मक इस्पातों में कुल कार्बन मात्रा से बहुत अधिक है। सीमेंटाइट कठोर और भंगुर होता है, तथा इसकी मात्रा, आकृति, अंतराल और सततता यांत्रिक व्यवहार को बहुत अधिक प्रभावित करते हैं। Cambridge की Interpretation of the Microstructure of Steels सामग्री (2008) इन तीनों संरचनाओं की प्रत्यक्ष पहचान करती है: ऑस्टेनाइट FCC है, फेराइट BCC है और सीमेंटाइट ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C है।

ये नाम क्रिस्टल संरचनाओं का वर्णन करते हैं, केवल सूक्ष्मदर्शी में दिखाई देने वाली आकृति का नहीं। फेराइट का एक कण एक ही प्रावस्था होता है, भले ही उसमें दोष या विलेय पदार्थों की अल्प मात्रा मौजूद हो। फेराइट के भीतर स्थित सीमेंटाइट कण अलग प्रावस्था ही रहते हैं, क्योंकि उनका संघटन और क्रिस्टल संरचना भिन्न होती है।

यूटेक्टॉइड संघटन और अभिक्रिया[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

एक उपयोगी व्यवस्थित उदाहरण यूटेक्टॉइड बिंदु है। University of Cambridge की 2002 की Materials Science & Metallurgy सामग्री इस अभिक्रिया के लिए लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C देती है:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

दोनों मान अनुमानित और स्रोत-विशिष्ट हैं। प्रकाशित आरेखों में थोड़े भिन्न आँकड़े दिखाई दे सकते हैं, क्योंकि संदर्भ-अवस्थाएँ, प्रायोगिक आँकड़े, मिश्रधातु संबंधी मान्यताएँ या क्रांतिक तापमान को परिभाषित करने की प्रयुक्त परंपरा अलग हो सकती है। 0.8 wt% और 723 °C को सटीक स्थिरांक मानने की अपेक्षा स्वयं संकेत-पद्धति अधिक महत्वपूर्ण है।

यूटेक्टॉइड संघटन पर, साम्यावस्था वाले यूटेक्टॉइड तापमान से नीचे तापमान गिरने पर ऑस्टेनाइट फेराइट और सीमेंटाइट में रूपांतरित होता है। उपयुक्त शीतलन परिस्थितियों में ये प्रावस्थाएँ एक-दूसरे के क्रमिक प्लेटों या लैमेलाओं के रूप में व्यवस्थित होती हैं, जिन्हें परलाइट कहा जाता है। परलाइट कोई तीसरी क्रिस्टल संरचना नहीं है और न ही यह एकल प्रावस्था है। प्रत्येक फेराइट लैमेला BCC होती है; प्रत्येक सीमेंटाइट लैमेला ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C होती है। कॉलोनी-स्तर का यह प्रतिरूप दो प्रावस्थाओं की सहकारी वृद्धि से उत्पन्न रूपांतरण उत्पाद या सूक्ष्मसंरचनात्मक घटक है।

शीतलन दर लैमेलाओं के बीच के अंतराल और कभी-कभी स्वयं उत्पाद को भी बदल देती है। धीमा शीतलन कार्बन को अधिक लंबी दूरियों तक विसरित होने देता है और अपेक्षाकृत मोटे परलाइट के निर्माण की प्रवृत्ति रखता है। अधिक तेज शीतलन से सूक्ष्मतर परलाइट, बैनाइट या, यदि विसरण को काफी हद तक रोक दिया जाए, तो मार्टेंसाइट बन सकता है। ASM International ऑस्टेनाइट से बनने वाले प्रमुख उत्पादों में परलाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट, प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट और प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट को शामिल करता है।[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

इसी कारण “इस्पात का रूपांतरण तापमान” एक अपूर्ण अभिव्यक्ति है। साम्यावस्था आरेख Ae₁ जैसे मान देता है, जो साम्यावस्था का यूटेक्टॉइड तापमान है, जबकि तापन और शीतलन के दौरान Ac तथा Ar तापमान प्राप्त होते हैं, जो अलग हो सकते हैं। ASM की 2024 की Critical Temperature Ranges सामग्री में उल्लेख है कि धीमे शीतलन के दौरान तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं। समतापीय रूपांतरण आरेख किसी चयनित तापमान पर रखे जाने की अवस्था का वर्णन करते हैं; सतत-शीतलन रूपांतरण (CCT) आरेख बिना रुकावट के शीतलन का वर्णन करते हैं। NIST का 1990 का अध्ययन Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel दर्शाता है कि CCT आरेख से कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान कैसे लगाया जा सकता है तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता और थकान-गुणों का पूर्वानुमान कैसे किया जा सकता है।

सिलिकॉन स्थिर मानों के विरुद्ध एक अतिरिक्त चेतावनी प्रस्तुत करता है। ASM के अनुसार, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति बढ़ाता है। भट्ठी-चक्र आरंभ होने से पहले ही संघटन प्रावस्था-क्षेत्रों को बदल देता है।

प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट और प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट

यूटेक्टॉइड संघटन से कम कार्बन वाले इस्पात हाइपॉयूटेक्टॉइड इस्पात कहलाते हैं। ऑस्टेनाइट से शीतलन के दौरान शेष ऑस्टेनाइट के यूटेक्टॉइड संघटन तक पहुँचने से पहले ही फेराइट बनना आरंभ हो जाता है। इस प्रारंभिक फेराइट को प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट कहा जाता है। यूटेक्टॉइड तापमान पर अवशिष्ट ऑस्टेनाइट फिर परलाइट में रूपांतरित होता है। इसलिए अंतिम हाइपॉयूटेक्टॉइड संरचना में सामान्यतः प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट और परलाइट होते हैं, यद्यपि शीतलन दर और मिश्रधातु-योग से बैनाइट या मार्टेंसाइट भी उत्पन्न हो सकते हैं।

यूटेक्टॉइड संघटन से अधिक कार्बन वाले इस्पात हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पात कहलाते हैं। ऑस्टेनाइट से सबसे पहले सीमेंटाइट बनता है, सामान्यतः पूर्व-ऑस्टेनाइट कण-सीमाओं या अन्य अनुकूल स्थलों पर। इसे प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट कहा जाता है। शेष ऑस्टेनाइट का संघटन यूटेक्टॉइड हो जाता है और आगे शीतलन पर वह परलाइट में रूपांतरित होता है। परिणामी संरचना में सामान्यतः प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट और परलाइट होते हैं।

“प्रोयूटेक्टॉइड” शब्द का अर्थ है “यूटेक्टॉइड अभिक्रिया से पहले बना हुआ”, न कि “ऑस्टेनाइट के अस्तित्व में आने से पहले बना हुआ।” दोनों उत्पाद शीतलन के दौरान ऑस्टेनाइट से बनते हैं। उनकी मात्रा संघटन और प्रावस्था-क्षेत्रों से होकर गुजरने वाले मार्ग पर निर्भर करती है, जबकि उनकी आकृति-रचना नाभिकन, विसरण, कण-आकार और शीतलन दर पर निर्भर करती है। यदि शीतलन पर्याप्त तेज हो, तो यूटेक्टॉइड अपघटन को पार किया जा सकता है। Cambridge की 2008 की इस्पात-सूक्ष्मसंरचना संबंधी सामग्री इन पुनर्निर्माणात्मक, विसरण-नियंत्रित अभिक्रियाओं को विस्थापनात्मक रूपांतरणों से अलग करती है; परलाइट बनाने के लिए आवश्यक दीर्घ-दूरी रासायनिक विसरण के बिना भी मार्टेंसाइट बन सकता है। Cambridge के 2012 के Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel में दर्ज है कि कार्बन मार्टेंसाइट-आरंभ और मार्टेंसाइट-समापन तापमानों तथा अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के अंश को भी प्रभावित करता है।

तापन के दौरान ऑस्टेनाइट का निर्माण

ऑस्टेनाइट किसी एक सार्वभौमिक तापमान पर नहीं बनता। इसका निर्माण कार्बन की मात्रा, मिश्रधातु के योग, तापन दर, धारण समय तथा तापन से पहले मौजूद फेराइट–पर्लाइट या टेम्पर्ड संरचना पर निर्भर करता है। यह अवस्था फेस-केंद्रित घनीय γ-लोहा होती है; फेराइट बॉडी-केंद्रित घनीय α-लोहा होता है, जबकि सीमेंटाइट ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C होता है, जैसा कि कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) में वर्णित है। तापन से इन अवस्थाओं की क्रिस्टल संरचना और उनके बीच कार्बन का वितरण—दोनों बदलते हैं।

Ac1, Ac3 और Accm प्रतीक तापन के दौरान मापे या देखे जाने वाले व्यावहारिक क्रांतिक तापमानों को दर्शाते हैं। “c” तापन को दर्शाता है, जबकि “1” ऑस्टेनाइट निर्माण के आरंभ को चिह्नित करता है। इसलिए Ac1 वह तापमान है जिस पर फेराइट और पर्लाइट से, अथवा हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पात में पर्लाइट और सीमेंटाइट से, पहली बार ऑस्टेनाइट बनता है। Ac3 वह तापमान है जिस पर हाइपोयूटेक्टॉइड इस्पात में अंतिम प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट समाप्त हो जाता है। Accm हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पात के लिए इसी ऊपरी सीमा को दर्शाता है: इसके ऊपर सीमेंटाइट घोल में जा चुका होता है और अविलेय मिश्रधातु कार्बाइडों को छोड़कर संरचना पूर्णतः ऑस्टेनाइटिक होती है।

ये Ae1, Ae3 और Aecm के समान नहीं हैं। Ae संकेतांकन साम्यावस्था की दशाओं को दर्शाता है, जहाँ निश्चित संघटन और तापमान पर विसरण के माध्यम से अवस्थाओं के अनुपात को समायोजित होने दिया जाता है। Ac मान वास्तविक तापन-पथ का वर्णन करते हैं, इसलिए वे तापन दर, नमूने के आकार, प्रारंभिक दशा और मापन विधि के साथ बदलते हैं। ASM International के अनुसार, धीमे शीतलन की स्थिति में तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं (Critical Temperature Ranges, 2024)। इसलिए प्रकाशित Ac1 या Ac3 मान को इस्पात के संघटन और परीक्षण की दशा से संबद्ध करना आवश्यक है।

Ac1, Ac3 और Accm को पार करना

हाइपोयूटेक्टॉइड इस्पात में, जैसे किसी सामान्य निम्न-कार्बन संरचनात्मक ग्रेड में, प्रारंभिक संरचना में सामान्यतः फेराइट और पर्लाइट होते हैं। यूटेक्टॉइड संघटन के निकट, पर्लाइट के कॉलोनी-समूह Ac1 पर रूपांतरित होना शुरू करते हैं। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय की Materials Science & Metallurgy सामग्री (2002) के अनुसार, लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर साम्यावस्था की यूटेक्टॉइड अभिक्रिया γ → α + Fe₃C होती है। तापन इस अभिक्रिया को उलट देता है: पर्लाइट के भीतर फेराइट और सीमेंटाइट का उपभोग होकर ऑस्टेनाइट बनता है।

यह रूपांतरण पूरी तरह तीक्ष्ण अग्रभाग के रूप में नहीं होता। ऑस्टेनाइट फेराइट–सीमेंटाइट अंतरापृष्ठों, पर्लाइट कॉलोनी-सीमाओं और अन्य उच्च-ऊर्जा स्थलों पर नाभिकित होता है। इसके बाद यह आसपास के फेराइट में बढ़ता है। प्रतिस्थापनी मिश्रधातु तत्वों की तुलना में कार्बन ऑस्टेनाइट के भीतर बहुत अधिक तेजी से विसरित होता है, इसलिए प्रारंभिक अवस्था में कार्बन की सांद्रता असमान हो जाती है। अंतिम फेराइट केवल तब घुलता है जब तापमान Ac3 की ओर बढ़ता है। Ac3 से नीचे मिश्रण में ऑस्टेनाइट और प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट होते हैं; Ac3 से ऊपर मैट्रिक्स ऑस्टेनाइट होती है।

हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पात अलग पथ का अनुसरण करता है। पर्लाइट Ac1 के बाद रूपांतरित होता है, लेकिन प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट पूर्व-ऑस्टेनाइट दाना-सीमाओं के आसपास या संरचना के भीतर बना रहता है। तापमान Accm से ऊपर जाने और सीमेंटाइट के पर्याप्त रूप से घुल जाने तक ऑस्टेनाइट पूरी तरह स्थापित नहीं होता। इसलिए Ac1 से कुछ ऊपर तापन करने पर ऑस्टेनाइट में सीमेंटाइट का पर्याप्त अंश बचा रह सकता है। उस अवस्था को “पूर्णतः ऑस्टेनिटीकृत” कहना गलत है।

शुद्ध लोहे के लिए कैम्ब्रिज के अवस्था-साम्य आँकड़े फेस-केंद्रित घनीय ऑस्टेनाइट की सीमा लगभग 910 से 1400 °C के बीच रखते हैं, जबकि गलनांक लगभग 1539 °C है। इस्पात शुद्ध लोहे की इन सीमाओं का अनुसरण नहीं करता: कार्बन और मिश्रधातु तत्व इन सीमाओं को स्थानांतरित करते हैं, और औद्योगिक तापन अक्सर साम्यावस्था से काफी दूर होता है। व्यावहारिक प्रश्न केवल यह नहीं है कि भट्ठी किसी मुद्रित तापमान तक पहुँची या नहीं। प्रश्न यह है कि क्या पूरे अनुप्रस्थ भाग में आवश्यक अवस्थाओं को रूपांतरित होने के लिए पर्याप्त समय मिला।

कार्बन का विलयन और कार्बाइड का पुनर्वितरण

कार्बन को सीमेंटाइट से निकलकर बढ़ते हुए ऑस्टेनाइट में विसरित होना आवश्यक है। सूक्ष्म पर्लाइटिक संरचना सामान्यतः मोटे पर्लाइट की तुलना में अधिक तेजी से रूपांतरित होती है, क्योंकि उसमें अधिक फेराइट–सीमेंटाइट अंतरापृष्ठ क्षेत्र और छोटे विसरण-पथ होते हैं। प्रारंभिक शीत-कार्य, दाने का आकार, पृथक्करण और पूर्व में किया गया टेम्परिंग उपचार भी नाभिकन स्थलों तथा विलयन-दरों को बदलते हैं।

Ac1 के बाद नवगठित ऑस्टेनाइट में उस तापमान पर साम्यावस्था के मान से कम कार्बन हो सकता है, जबकि घुल रहे सीमेंटाइट के निकट के क्षेत्रों में कार्बन अधिक हो सकता है। धारण करने से कार्बन का पुनर्वितरण संभव होता है। अपर्याप्त समय के कारण अविलेय सीमेंटाइट, कार्बन-गरीब ऑस्टेनाइट या स्थानीय संघटन-प्रवणताएँ बनी रह सकती हैं। अत्यधिक तापमान या धारण-समय से, घुलन पूरा हो जाने पर भी, पूर्व-ऑस्टेनाइट दाने बड़े हो सकते हैं।

मिश्रधातु कार्बाइड इस प्रक्रिया को धीमा कर देते हैं। क्रोमियम-, मोलिब्डेनम-, वैनेडियम-, नायोबियम- और टाइटेनियम-युक्त कार्बाइड साधारण Fe₃C को घोलने के लिए आवश्यक तापमान से काफी ऊपर तक स्थिर रह सकते हैं। उनका बने रहना जानबूझकर किया गया हो सकता है, लेकिन इसका अर्थ है कि नाममात्र का “ऑस्टेनिटाइज़िंग तापमान” यह सुनिश्चित नहीं करता कि कार्बन-युक्त प्रत्येक कण घोल में चला गया है। ढलाई और पूर्व प्रसंस्करण के दौरान कार्बन तथा प्रतिस्थापनी परमाणु भी पृथक हो जाते हैं, इसलिए एक ही अवयव के भीतर स्थानीय रूपांतरण तापमान अलग-अलग हो सकते हैं।

सिलिकॉन और मिश्रधातु तत्वों का प्रभाव

सिलिकॉन इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि किसी भी रूपांतरण तापमान के साथ संघटन का उल्लेख क्यों आवश्यक है। ASM International के अनुसार, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति बढ़ाता है। सिलिकॉन-मिश्रित इस्पातों में सीमेंटाइट की स्थिरता और कार्बन का विभाजन साधारण-कार्बन इस्पात से अलग होता है। इसके परिणामस्वरूप अधिक ऊँची व्यावहारिक तापन-सीमा, कार्बाइड के अलग प्रकार का विलयन और तापीय चक्र के दौरान ऑस्टेनाइट तथा अन्य घटकों के बीच कार्बन के वितरित बने रहने की अधिक प्रवृत्ति हो सकती है।

मैंगनीज सामान्यतः क्रांतिक रूपांतरण तापमानों को घटाता है और कठोरणीयता बढ़ाता है, जबकि निकेल ऑस्टेनाइट को स्थिर करता है तथा क्रोमियम, मोलिब्डेनम, वैनेडियम, नायोबियम और टाइटेनियम स्थिर कार्बाइड या नाइट्राइड बना सकते हैं। संयुक्त प्रभाव का अनुमान किसी एक तत्व को अलग करके नहीं लगाया जा सकता। तापन दर भी महत्वपूर्ण है: तीव्र तापन से प्रेक्षित Ac मान अधिक हो सकते हैं, क्योंकि विसरण और नाभिकन भट्ठी के तापमान की वृद्धि से पीछे रह जाते हैं।

परिणामी ऑस्टेनाइट बाद के रूपांतरण को नियंत्रित करता है। शीतलन के दौरान, संघटन और शीतलन-पथ के आधार पर, इससे पर्लाइट, बैनाइट, प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट, प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट या मार्टेन्साइट बन सकते हैं। NIST की Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel रिपोर्ट (1990) बताती है कि कठोरणीयता का अनुमान लगाने और कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता तथा थकान-गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए CCT आरेख का उपयोग क्यों किया जाता है। ऑस्टेनाइट का निर्माण प्रारंभिक अवस्था है, किसी एक अंतिम संरचना की गारंटी नहीं।

शीतलन उत्पाद: पर्लाइट, बेनाइट, मार्टेन्साइट और पूर्व-यूटेक्टॉइड प्रावस्थाएँ

ऑस्टेनाइट का शीतलन होने पर केवल एक ही अनिवार्य उत्पाद नहीं बनता। परिणाम कार्बन और मिश्रधातु की मात्रा, पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट कणिका-आकार, तापन दशा, शीतलन दर और प्रत्येक तापमान पर बिताए गए समय पर निर्भर करता है। ASM International, ऑस्टेनाइट रूपांतरण के प्रमुख उत्पादों के रूप में पर्लाइट, बेनाइट, मार्टेन्साइट, पूर्व-यूटेक्टॉइड फेराइट और पूर्व-यूटेक्टॉइड सीमेंटाइट की पहचान करता है। ये सभी नाम एक ही प्रकार की वस्तु का वर्णन नहीं करते: फेराइट और सीमेंटाइट प्रावस्थाएँ हैं, पर्लाइट और बेनाइट ऐसे रूपांतरण उत्पाद हैं जिनमें एक से अधिक प्रावस्थाएँ होती हैं, जबकि मार्टेन्साइट एक भिन्न क्रियाविधि से बनने वाली अतिसंतृप्त प्रावस्था है।

परिचित यूटेक्टॉइड अभिक्रिया इस भेद को स्पष्ट करती है। University of Cambridge की Materials Science & Metallurgy (2002) पुस्तक इस अभिक्रिया को लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर स्थित करती है:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

यहाँ γ फलक-केंद्रित घनीय ऑस्टेनाइट है, α काय-केंद्रित घनीय फेराइट है और Fe₃C समचतुर्भुजीय सीमेंटाइट है, जैसा कि Cambridge की Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) में वर्णित है। यह तापमान साम्यावस्था का संदर्भ है, कोई सार्वभौमिक संक्रमण-बिंदु नहीं। वास्तविक रूपांतरण तापीय पथ और संघटन के आधार पर इसके नीचे या ऊपर आरंभ हो सकता है।

पुनर्निर्माणात्मक, विसरण-नियंत्रित उत्पाद के रूप में पर्लाइट

पर्लाइट तब बनता है जब ऑस्टेनाइट सहकारी रूप से फेराइट और सीमेंटाइट की बारी-बारी से स्थित परतों में अपघटित होता है। कार्बन का पुनर्वितरण आवश्यक होता है: फेराइट केवल थोड़ी मात्रा में कार्बन घोल सकता है, जबकि सीमेंटाइट बहुत अधिक कार्बन समाहित कर सकता है। लौह जालक का भी पुनर्निर्माण होता है—ऑस्टेनाइट की फलक-केंद्रित घनीय व्यवस्था से काय-केंद्रित घनीय फेराइट संरचना में। इसलिए यह रूपांतरण मौजूदा जालक के केवल आकार-परिवर्तन के बजाय पुनर्निर्माणात्मक, विसरण-नियंत्रित रूपांतरण है।

इसमें सहकारी प्रकृति का महत्त्व है। फेराइट का निर्माण कार्बन को निकटवर्ती ऑस्टेनाइट में धकेलता है, जिससे स्थानीय कार्बन-सांद्रता बढ़ती है और उसके समीप सीमेंटाइट बनने में सहायता मिलती है। इसके विपरीत, सीमेंटाइट का निर्माण ऐसी परिस्थितियाँ उपलब्ध कराता है जो संलग्न फेराइट को बढ़ने देती हैं। परिणामस्वरूप बनने वाली कॉलोनियों में परतें होती हैं, जिनकी दूरी रूपांतरण तापमान पर बहुत अधिक निर्भर करती है। अधिक रूपांतरण तापमान पर सामान्यतः मोटा पर्लाइट बनता है; कम तापमान पर महीन पर्लाइट बनता है, क्योंकि उपलब्ध विसरण-दूरी कम होती है। शीतलन दर न केवल आरंभिक तापमान को बदलती है, बल्कि उत्पाद की परत-दूरी, मात्रा और आकृति-विज्ञान को भी बदलती है।

अल्प-यूटेक्टॉइड इस्पातों में, शेष ऑस्टेनाइट के यूटेक्टॉइड संघटन तक पहुँचने से पहले पूर्व-यूटेक्टॉइड फेराइट बनता है। यह पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट कणिकाओं की सीमाओं के साथ अधिमानतः बढ़ता है और अपरिवर्तित ऑस्टेनाइट से कार्बन हटाता है, जिससे वह ऑस्टेनाइट क्रमशः अधिक कार्बन-समृद्ध होता जाता है। अतियूटेक्टॉइड इस्पातों में इसके बजाय पूर्व-यूटेक्टॉइड सीमेंटाइट बनता है, जो सामान्यतः ऑस्टेनाइट कणिका-सीमाओं के साथ बनता है। इस दौरान शेष ऑस्टेनाइट पर्लाइट में रूपांतरित होने से पहले मूल मिश्रधातु की तुलना में कम कार्बन-समृद्ध हो जाता है। इसलिए अंतिम संरचना में केवल पर्लाइट के बजाय फेराइट तथा पर्लाइट, या सीमेंटाइट तथा पर्लाइट, दोनों हो सकते हैं।

Ae1, Ae3 और Aecm पद साम्यावस्था-सीमाओं का वर्णन करते हैं: Ae1 यूटेक्टॉइड सीमा है; उपयुक्त संघटन में Ae3 ऑस्टेनाइट को ऑस्टेनाइट तथा पूर्व-यूटेक्टॉइड फेराइट के मिश्रण से अलग करती है; और Aecm संगत सीमेंटाइट सीमा को दर्शाती है। तापन और शीतलन के क्रांतिक तापमानों का समान होना आवश्यक नहीं है। ASM International की Critical Temperature Ranges (2024) के अनुसार, धीमे शीतलन के लिए तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं। गतिकी और तापीय हिस्टेरेसिस प्रावस्था-आरेख की त्रुटियाँ नहीं हैं; वे रूपांतरण का अभिन्न भाग हैं।

बेनाइट और T₀ की अवस्था

सरलीकृत आरेखों में अक्सर अस्पष्ट रहने वाला मध्य क्षेत्र बेनाइट का होता है। लौह जालक के संदर्भ में इसका विकास विसरणरहित होता है: लौह परमाणु लंबी दूरी तक अलग-अलग विसरित होने के बजाय समन्वित विस्थापनात्मक ढंग से गति करते हैं। फिर भी कार्बन अप्रासंगिक नहीं हो जाता। प्रारंभिक जालक-परिवर्तन के दौरान बना अतिसंतृप्त फेराइट कार्बन का पुनर्वितरण करता है—इस्पात के संघटन और रूपांतरण की परिस्थितियों के आधार पर कार्बन सामान्यतः ऑस्टेनाइट में या कार्बाइड में चला जाता है। इसलिए बेनाइट न तो अधिक महीन परत-दूरी वाला पर्लाइट है और न ही अधिक ऊँचे तापमान पर बना मार्टेन्साइट।

T₀ तापमानT₀ तापमान वह तापमान जिस पर समान संघटन वाले ऑस्टेनाइट और बैनिटिक फेराइट की मुक्त ऊर्जा समान होती है; इसके नीचे निर्दिष्ट बैनिटिक रूपांतरण ऊष्मागतिकीय रूप से अनुमत होता है।

University of Cambridge की The Bainite Reaction (2024) बेनाइट के विकास को लौह जालक के संदर्भ में विसरणरहित बताती है और इसे T₀ तापमान से नीचे ऊष्मागतिकीय रूप से संभव मानती है। T₀ वह तापमान है जिस पर समान रासायनिक संघटन वाले ऑस्टेनाइट और बेनाइटीय फेराइट की मुक्त ऊर्जा समान होती है। T₀ से नीचे, अपरिवर्तित संघटन वाले बेनाइटीय फेराइट की मुक्त ऊर्जा ऑस्टेनाइट से कम होती है; इसलिए विस्थापनात्मक चरण ऊष्मागतिकीय रूप से अनुमत होता है। T₀ से ऊपर, समान संघटन वाले रूपांतरण के लिए यह प्रेरक शक्ति उपलब्ध नहीं होती।

इस अवस्था का अर्थ यह नहीं है कि प्रत्येक मिश्रधातु T₀ को पार करते ही बेनाइट में रूपांतरित हो जाती है। नाभिकन अवरोध, कार्बन का विभाजन, कार्बाइड अवक्षेपण, मिश्रधातु-योग, दोष और उपलब्ध समय—सभी इस अभिक्रिया को प्रभावित करते हैं। अंतिम बेनाइटीय संरचना में फेराइट और कार्बाइड शामिल हो सकते हैं। उसका स्वरूप इस बात पर निर्भर करता है कि कार्बाइड का निर्माण फेराइट प्लेटों के बीच होता है या संघटन और प्रसंस्करण के कारण दब जाता है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड को विघटित करने की प्रवृत्ति रखता है। ऐसे प्रभाव केवल किसी एक निश्चित तापमान को स्थानांतरित नहीं करते, बल्कि रूपांतरण-पथ और उत्पाद को बदलते हैं।

समय-तापमान-रूपांतरण आरेख इन गतिकीय सीमाओं को C-वक्रों के माध्यम से दर्शाता है। सतत-शीतलन-रूपांतरण आरेख अलग परिणाम देता है, क्योंकि रूपांतरण के दौरान नमूना लगातार तापमान-सीमा से गुजर रहा होता है। NIST की Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) में कहा गया है कि CCT आरेख कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगाने तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता और थकान-गुणों का पूर्वानुमान करने में सहायक हो सकता है। यही पूर्वानुमानात्मक उपयोग बताता है कि शीतलन दर को किसी एक “बेनाइट तापमान” से प्रतिस्थापित नहीं किया जा सकता।

विस्थापनात्मक, अतापीय रूपांतरण के रूप में मार्टेन्साइट

मार्टेन्साइट ऑस्टेनाइट जालक के समन्वित अपरूपण और फेरबदल से बनता है। यह विस्थापनात्मक होता है: लौह परमाणु लंबी दूरी तक होने वाले रासायनिक विसरण के बिना छोटी दूरियों तक गति करते हैं, जिसकी आवश्यकता पर्लाइट के निर्माण में होती है। कार्बन रूपांतरित जालक में फँस जाता है, जिससे अतिसंतृप्ति और विकृति उत्पन्न होती है। कार्बन इस्पात में परिणामी मार्टेन्साइट को सामान्यतः काय-केंद्रित चतुष्कोणीय संरचना के रूप में वर्णित किया जाता है, यद्यपि उसकी चतुष्कोणीयता कार्बन-सामग्री और टेम्परिंग के साथ बदलती है।

मार्टेन्साइट-आरंभ तापमान, Ms, पर मार्टेन्साइट बनना शुरू होता है, जब शीतलन-पथ नाभिकन के लिए पर्याप्त प्रेरक शक्ति उपलब्ध कराता है। इस रूपांतरण को अतापीय कहा जाता है, क्योंकि बनने वाली मात्रा मुख्यतः प्राप्त तापमान पर निर्भर करती है, किसी स्थिर तापमान पर रोके रखने की अवधि पर नहीं। इसलिए Ms एक रूपांतरण तापमान है, यह गारंटी नहीं कि समस्त ऑस्टेनाइट रूपांतरित हो चुका है। आगे शीतलन करने पर सामान्यतः अधिक मार्टेन्साइट बनता है, लेकिन कमरे के तापमान पर कुछ ऑस्टेनाइट शेष रह सकता है।[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, अर्थात् मार्टेन्साइट-समापन तापमान, पर भी यही सीमा लागू होती है। निर्दिष्ट परिस्थितियों में यह मार्टेन्साइटीय अभिक्रिया की प्रक्षेपित या मापी गई पूर्णता-सीमा को दर्शाता है; यह इस बात का पूर्ण आश्वासन नहीं है कि अवशिष्ट ऑस्टेनाइट अनुपस्थित है। Cambridge का Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) विशेष रूप से दर्शाता है कि कार्बन Ms, Mf और अवशिष्ट-ऑस्टेनाइट अंशों को प्रभावित करता है। मिश्रधातु-तत्व और पूर्ववर्ती रूपांतरण भी परिणाम को स्थानांतरित करते हैं।

तीव्र शीतलन पुनर्निर्माणात्मक उत्पादों को दबा सकता है और मार्टेन्साइट बनने की अनुमति दे सकता है, लेकिन “तीव्र” की परिभाषा ग्रेड पर निर्भर करती है। किसी इस्पात का CCT आरेख एक शीतलन दर पर Ms से पहले पर्लाइट या बेनाइट और दूसरी शीतलन दर पर मार्टेन्साइट दिखा सकता है। इसलिए प्रावस्था-चयन पूरे तापीय इतिहास का अनुसरण करता है: साम्यावस्था-तापमान संभावित अवस्थाओं की पहचान करते हैं, TTT आरेख समतापीय गतिकी का वर्णन करते हैं और CCT आरेख वास्तविक सतत शीतलन का वर्णन करते हैं। केवल तापमान कभी भी पूरी सूक्ष्मसंरचनात्मक कहानी नहीं बताता।

TTT आरेख: समतापीय रूपांतरण डेटा क्या दिखा सकता है और क्या नहीं

समय-तापमान-रूपांतरण (TTT) आरेख यह दर्ज करता है कि जब ऑस्टेनाइट को किसी चयनित तापमान तक ले जाकर वहाँ रोका जाता है, तब क्या होता है। यह निश्चित रूपांतरण तापमानों की कोई सार्वभौमिक सारणी नहीं है। वक्र किसी निर्दिष्ट इस्पात संघटन, ऑस्टेनाइटीकरण उपचार, पूर्ववर्ती कण आकार तथा रूपांतरण के आरंभ और समापन की प्रयोगात्मक परिभाषा पर लागू होते हैं।

आरेख बनाने के लिए, नमूने को पहले ऑस्टेनाइट क्षेत्र में इतना गर्म किया जाता है कि आवश्यक γ संरचना उत्पन्न हो जाए। इसके बाद उसे तेजी से चुने हुए धारण-तापमान तक शमन किया जाता है। तापमान गिरने के दौरान रूपांतरण से बचने के लिए शमन पर्याप्त तीव्र होना चाहिए। धारण-तापमान पर नमूने को समतापीय रूप से रखा जाता है, जबकि उसकी बदलती संरचना का पता डाइलेटोमेट्री, धातुवैज्ञानिक परीक्षण, चुंबकीय प्रतिक्रिया या किसी अन्य मापन द्वारा लगाया जाता है। जिस समय रूपांतरण का पता पहली बार लगाया जा सके, उसे आरंभ-बिंदु के रूप में अंकित किया जाता है; जिस समय चयनित अंश के पूर्ण रूप से रूपांतरित होने का निर्णय किया जाता है, उसे समापन-बिंदु के रूप में अंकित किया जाता है। अनेक तापमानों पर यह प्रक्रिया दोहराने से परिचित वक्र प्राप्त होते हैं।

परिणाम रूपांतरण-उत्पादों, प्रावस्थाओं और तापमानों को अलग-अलग दर्शाता है। ऑस्टेनाइट एक प्रावस्था है: कार्बन और मिश्रधातु तत्वों वाला फलक-केंद्रित घन γ लौह। पर्लाइट और बेनाइट रूपांतरण-उत्पाद हैं, जिनमें सामान्यतः अलग-अलग व्यवस्थाओं में फेराइट तथा कार्बाइड होते हैं। मार्टेंसाइट भी एक रूपांतरण-उत्पाद है, जो जालक में विस्थापनात्मक परिवर्तन द्वारा ऑस्टेनाइट से बनता है। यूटेक्टॉइड अभिक्रिया में, लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर, कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय (2002) के वर्णन के अनुसार ऑस्टेनाइट γ → α + Fe₃C में बदलता है। कैम्ब्रिज फेराइट को शरीर-केंद्रित घन तथा सीमेंटाइट को ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C के रूप में पहचानता है।

C-वक्रों को पढ़ना

ऊर्ध्वाधर अक्ष पर तापमान और क्षैतिज अक्ष पर सामान्यतः लघुगणकीय समय दर्शाया जाता है। इस्पात को ऑस्टेनाइटीकृत करके तेजी से आरेख के किसी बिंदु तक ठंडा किया जाता है और फिर क्षैतिज रूप से रोका जाता है। यदि वह क्षैतिज रेखा 650 °C पर पहली बार किसी रूपांतरण-आरंभ वक्र को काटती है, तो उस प्रतिच्छेदन तक बीता समय, पता लगाए जा सकने वाले रूपांतरण से पहले की ऊष्मायन अवधि होता है। धारण जारी रखने पर संरचना संबंधित समापन-वक्र की ओर बढ़ती है। दोनों वक्रों के बीच का क्षेत्र अपरिवर्तित ऑस्टेनाइट और रूपांतरण-उत्पाद के मिश्रण को दर्शाता है, न कि ठीक-ठीक परिभाषित तापमान वाली किसी एकल प्रावस्था को।

वक्र सामान्यतः किसी मध्यवर्ती तापमान पर कम समय की ओर मुड़ते हैं और एक “नोज़” बनाते हैं। इस नोज़ के निकट रूपांतरण सबसे तेज होता है, क्योंकि प्रेरक बल पर्याप्त होता है, जबकि परमाणुओं की गति अभी भी पर्याप्त तीव्र रहती है। अधिक तापमानों पर कम प्रेरक बल नाभिकन को धीमा करता है; कम तापमानों पर घटा हुआ प्रसरण वृद्धि-प्रक्रिया को धीमा करता है। इसलिए नोज़ किसी समय-तापमान दशा को दर्शाता है, किसी एक क्रांतिक तापमान को नहीं।

संबंधित सीमा से ऊपर क्षैतिज धारण करने पर मोटा पर्लाइट बन सकता है; कम तापमान पर धारण करने से संघटन और आरेख के आधार पर अधिक महीन पर्लाइट या बेनाइट बन सकता है। वास्तविक सीमाएँ कार्बन, मैंगनीज़, क्रोमियम, मोलिब्डेनम, सिलिकॉन, पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट कण आकार और ऑस्टेनाइटीकरण की प्रक्रिया के साथ बदलती हैं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को ऊपर उठाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति उत्पन्न करता है। गर्म करने और ठंडा करने के क्रांतिक तापमान भी आवश्यक नहीं कि समान हों: ASM International (2024) के अनुसार, धीमी शीतलन के अंतर्गत गर्म करने के क्रांतिक तापमान, ठंडा करने के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं।

TTT वक्र को सीधे ऐसे घटक पर लागू नहीं किया जा सकता जो निरंतर ठंडा होता है। भट्ठी, तेल-स्नान, वेल्ड या मोटा खंड क्षैतिज धारण के बजाय ढलानयुक्त तापमान-समय पथ का अनुसरण करता है। उस पथ के दौरान पदार्थ उन तापमानों से गुजर सकता है जहाँ रूपांतरण आरंभ होता है, लेकिन उपलब्ध समय लगातार बदलता रहता है। इस समस्या के लिए निरंतर-शीतलन-रूपांतरण (CCT) आरेख उपयुक्त साधन है। SAE 1141 इस्पात पर NIST (1990) के अध्ययन में कठोरणक्षमता का अनुमान लगाने तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता और थकान-गुणों का पूर्वानुमान करने के लिए CCT डेटा का उपयोग किया गया है। TTT आरेख फिर भी मार्गदर्शन दे सकता है, लेकिन उसे निरंतर शीतलन पर लागू करने के लिए प्रमाणीकरण आवश्यक है, जो प्रायः परिकलित शीतलन वक्रों या प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित CCT डेटा द्वारा किया जाता है।

पुनर्निर्माणात्मक और विस्थापनात्मक रूपांतरण क्षेत्र

अनेक इस्पात आरेखों में अलग-अलग C-वक्र केवल एक ही घटना के अलग-अलग नाम नहीं, बल्कि अलग-अलग तंत्रों को दर्शाते हैं। पुनर्निर्माणात्मक रूपांतरणों में परमाणुओं को अंतरापृष्ठों को पार करके प्रसरण-आधारित प्रक्रियाओं के माध्यम से पुनर्व्यवस्थित होना पड़ता है। पर्लाइट इसका मानक उदाहरण है: कार्बन के विभाजन के दौरान फेराइट और सीमेंटाइट बनते हैं, जबकि लौह-जालक ऑस्टेनाइटीक क्षेत्रों से फेराइटीक क्षेत्रों में बदलता है। यूटेक्टॉइड अभिक्रिया से पहले बनने वाला प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट या प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट भी इसी प्रसरण-नियंत्रित परिवार का भाग है।

बेनाइट एक अलग क्षेत्र में स्थित होता है। कैम्ब्रिज के बेनाइट अभिक्रिया (2024) के अनुसार, लौह-जालक के संदर्भ में बेनाइट की वृद्धि प्रसरणरहित होती है और T₀ तापमान से नीचे ऊष्मागतिकीय रूप से संभव होती है, जहाँ समान संघटन वाले बेनाइट की मुक्त ऊर्जा ऑस्टेनाइट से कम होती है। इसलिए इस रूपांतरण में लौह-जालक का विस्थापनात्मक परिवर्तन तथा कार्बन का पुनर्वितरण या अवक्षेपण—दोनों प्रक्रियाएँ सम्मिलित होती हैं, जो अंतिम बेनाइटीय संरचना निर्धारित करती हैं। इसे केवल “महीन पर्लाइट” नहीं माना जाना चाहिए।

मार्टेंसाइट तब बनता है जब ऑस्टेनाइट को इतना तेजी से ठंडा किया जाता है कि पुनर्निर्माणात्मक रूपांतरण दब जाएँ। इसके निर्माण के दौरान दीर्घ-पल्लीय प्रसरण लगभग नहीं होता और जालक समन्वित विस्थापन द्वारा बदलता है। इसलिए मार्टेंसाइट क्षेत्र को सामान्य समय-निर्भर C-वक्रों के बजाय तापमानों द्वारा दर्शाया जाता है।

Ms, Mf और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट

Ms, अर्थात मार्टेंसाइट-आरंभ तापमान, वह तापमान है जिस तक ऑस्टेनाइट को ठंडा करने पर मार्टेंसाइट बनना शुरू होता है। संबंधित सीमा में यह रूपांतरण अतापीय होता है: बनने वाली मात्रा मुख्यतः प्राप्त तापमान पर निर्भर करती है, किसी स्थिर तापमान पर धारण-समय पर नहीं। Mf, अर्थात मार्टेंसाइट-समापन तापमान, वह नाममात्र तापमान है जिस पर परिभाषित मार्टेंसाइटीय रूपांतरण पूर्ण माना जाता है।

Mf कमरे के तापमान से नीचे हो सकता है। ऐसी स्थिति में कमरे के तापमान तक ठंडा करने पर कुछ ऑस्टेनाइट अपरिवर्तित रह जाता है। यह अवशिष्ट ऑस्टेनाइट है, न कि केवल तापमान देखकर चुनी गई कोई अलग साम्यावस्था-प्रावस्था। यह संघटन और शीतलन-पथ का परिणाम है, तथा बाद के टेम्परिंग, सेवा या विरूपण के दौरान इसकी मात्रा बदल सकती है।

कार्बन इन तीनों मात्राओं पर प्रबल प्रभाव डालता है। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय की TTT सामग्री (2012) दर्शाती है कि कार्बन Ms, Mf और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के अंश को प्रभावित करता है: कार्बन बढ़ने पर सामान्यतः Ms और Mf घटते हैं तथा दिए गए शीतलन-उपचार के बाद बची हुई ऑस्टेनाइट की मात्रा बढ़ती है। मिश्रधातु तत्व और पूर्ववर्ती प्रसंस्करण भी परिणाम बदलते हैं। इसलिए किसी आरेख पर Ms से चिह्नित रेखा उसी इस्पात और उसकी परीक्षण-स्थितियों से संबंधित होती है; उसे बिना आलोचनात्मक जाँच के किसी अन्य ग्रेड या घटक पर आरोपित नहीं किया जा सकता।

CCT आरेख और औद्योगिक शीतलन-पथों की वास्तविकता

रूपांतरण-सीमाओं के माध्यम से सतत शीतलन

समय-तापमान-रूपांतरण (TTT) आरेख यह दर्शाता है कि जब ऑस्टेनाइट को किसी चयनित तापमान पर बनाए रखा जाता है, तब क्या होता है। यह स्थिति समतापीय अभिक्रियाओं के अध्ययन के लिए उपयोगी है, लेकिन यह किसी इस्पात घटक का सामान्य तापीय इतिहास नहीं है। फोर्जिंग डाई से बाहर निकलते ही लगातार ऊष्मा खोती है। रोल किए गए उत्पाद बदलते हुए तापमान-क्षेत्र से होकर ठंडे होते हैं। सामान्यीकृत और तापानुशीतित इस्पात भट्ठी या वायु-शीतलन के दौरान रूपांतरण-सीमाओं से गुजरते हैं, जबकि शमन किए गए भाग प्रायः मार्टेंसाइट-आरंभ तापमान, Ms, तक पहुँचने से पहले इन सीमाओं को तीव्रता से पार कर जाते हैं।

इसलिए सतत-शीतलन-रूपांतरण (CCT) आरेख प्रायः अधिक व्यावहारिक मानचित्र होता है। इसमें रूपांतरण-आरंभ और रूपांतरण-समापन सीमाओं को लगातार घटते तापमान के विरुद्ध अंकित किया जाता है। आरेख पर खींचा गया शीतलन-वक्र यह दर्शाता है कि ऑस्टेनाइट उस तापमान-सीमा में कब प्रवेश करता है और कितनी देर तक रहता है, जिसमें कोई विशेष उत्पाद बन सकता है। वक्र फेराइट-आरंभ क्षेत्र में प्रवेश कर सकता है, पर्लाइट-निर्माण क्षेत्र में आगे बढ़ सकता है, बैनाइट क्षेत्र से गुजर सकता है और अंततः Ms को पार कर सकता है, जिससे शेष ऑस्टेनाइट मार्टेंसाइट में बदल जाता है। परिणामस्वरूप अंतिम संरचना किसी एक नामित प्रावस्था या रूपांतरण-उत्पाद के बजाय एक मिश्रण हो सकती है।

यह भेद महत्वपूर्ण है, क्योंकि फेराइट, पर्लाइट, बैनाइट और मार्टेंसाइट एक ही तंत्र से नहीं बनते। हाइपोयूटेक्टॉइड या हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पातों में यूटेक्टॉइड अभिक्रिया से पहले प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट या सीमेंटाइट बन सकता है। यूटेक्टॉइड संघटन के निकट, अर्थात लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर, University of Cambridge की Materials Science & Metallurgy सामग्री (2002) के अनुसार ऑस्टेनाइट γ → α + Fe₃C रूपांतरण से गुजरता है। यहाँ α फेराइट है और Fe₃C सीमेंटाइट है। Cambridge की Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) ऑस्टेनाइट को फेस-केंद्रित घनीय, फेराइट को काय-केंद्रित घनीय और सीमेंटाइट को ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C के रूप में पहचानती है।

कम तापमानों पर बैनाइट ऐसे रूपांतरण द्वारा बन सकता है जो लौह-जालक के संदर्भ में विसरणरहित होता है, हालांकि कार्बन का पुनर्वितरण इस अभिक्रिया और उसके उत्पादों के लिए महत्वपूर्ण बना रहता है। Cambridge की The Bainite Reaction (2024) में कहा गया है कि T₀ तापमान से नीचे बैनाइट का विकास ऊष्मागतिकीय रूप से संभव है, क्योंकि समान संघटन वाले ऑस्टेनाइट की तुलना में बैनाइट की मुक्त ऊर्जा कम होती है। यदि शीतलन पर्याप्त तीव्र हो, तो विसरण-नियंत्रित उत्पादों को दरकिनार किया जा सकता है। इसके बाद ऑस्टेनाइट जालक विस्थापनात्मक रूप से मार्टेंसाइट में बदलता है और यह परिवर्तन Ms पर आरंभ होता है। मार्टेंसाइट-निर्माण अतापनिक होता है; इसलिए बनने वाली मात्रा मुख्यतः इस बात पर निर्भर करती है कि तापमान Ms से कितना नीचे गिरता है, न कि किसी एक तापमान पर बनाए रखने की अवधि पर।

CCT वक्र भी “इस्पात” का कोई सार्वभौमिक गुण नहीं है। ऑस्टेनाइटीकरण तापमान, धारण-अवधि, पूर्ववर्ती फेराइट-पर्लाइट या बैनाइट संरचना, कण-आकार, मिश्रधातु-सामग्री और शीतलन माध्यम—सभी परिणाम को प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को ऊपर उठाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति बढ़ाता है। गर्म करने और ठंडा करने के दौरान मापे गए क्रांतिक तापमान भी आवश्यक नहीं कि समान हों। ASM International की Critical Temperature Ranges (2024) के अनुसार, धीमे शीतलन में गर्म करने वाले क्रांतिक तापमान, ठंडा करने के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं।

SAE 1141 का उदाहरण

National Institute of Standards and Technology की रिपोर्ट Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) एक उपयोगी अनुप्रयुक्त उदाहरण प्रस्तुत करती है। SAE 1141 पुनःसल्फरीकृत मध्यम-कार्बन इस्पात है, जिसे सामान्यतः SAE/AISI 1141 ग्रेड-निर्देशन से पहचाना जाता है। इसमें मिलाया गया सल्फर मुक्त-कर्तन व्यवहार में सुधार करता है, लेकिन यह ग्रेड अब भी कार्बन-सामग्री, ऑस्टेनाइट की स्थिति, शीतलन-दर और अनुप्रस्थ काट की ज्यामिति के बीच पूर्ण पारस्परिक प्रभाव से प्रभावित होता है।

NIST के कार्य में CCT आँकड़ों का उपयोग ऑस्टेनाइट के शीतलन-पथों को कमरे के तापमान पर बनने वाली संरचना से जोड़ने के लिए किया गया है, न कि ग्रेड के लिए एक ही रूपांतरण तापमान निर्धारित करने के लिए। अपेक्षाकृत धीमा पथ निम्न तापमानों तक पहुँचने से पहले फेराइट और पर्लाइट क्षेत्रों को काट सकता है। अधिक तीव्र पथ इनमें से कुछ या सभी अभिक्रियाओं को दबा सकता है, बैनाइट क्षेत्र में प्रवेश कर सकता है, अथवा Ms को पार करके मार्टेंसाइट बनाने तक विसरणात्मक रूपांतरण से बच सकता है। यदि शीतलन-वक्र एक से अधिक आरंभ-क्षेत्रों को काटता है, तो परिणामी इस्पात में प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट के साथ पर्लाइट, पर्लाइट के साथ बैनाइट, बैनाइट के साथ मार्टेंसाइट या कई उत्पाद एक साथ उपस्थित हो सकते हैं। शीतलन रुकने पर जो ऑस्टेनाइट रूपांतरित नहीं हुआ हो, वह अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के रूप में बना रह सकता है।

यह अंतिम अंश कोई गौण विवरण नहीं है। Cambridge की Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) में विशेष रूप से बताया गया है कि कार्बन Ms, मार्टेंसाइट-समापन तापमान Mf और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के अंश को प्रभावित करता है। यदि इस्पात को केवल Mf से ऊपर के तापमान तक ठंडा किया जाए, तो कुछ ऑस्टेनाइट शेष रह सकता है। बाद में वह उपयोग के दौरान, मशीनिंग में या आगे के ताप-उपचार के दौरान रूपांतरित हो सकता है, जिससे आयाम और प्रतिबल बदल सकते हैं।

NIST का SAE 1141 अध्ययन व्यावहारिक बिंदु को सीधे स्पष्ट करता है: इस्पात के CCT आरेख का उपयोग कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगाने तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता और थकान-गुणों का पूर्वानुमान करने के लिए किया जा सकता है। ये पूर्वानुमान अनुमान मात्र हैं; इन्हें वास्तविक तापीय चक्र और अनुप्रस्थ काट की जाँच का विकल्प नहीं माना जा सकता। सतह का शीतलन-वक्र रूपांतरण-सीमाओं के बहुत बाईं ओर से गुजर सकता है, जबकि केंद्र अधिक धीरे ठंडा होकर फेराइट और पर्लाइट बना सकता है। इसलिए उसी भाग में कठोर मार्टेंसाइटिक बाहरी परत और अपेक्षाकृत नरम मिश्रित केंद्र दोनों हो सकते हैं।

कठोरीकरण-क्षमता, अनुप्रस्थ काट का आकार और गुणों का पूर्वानुमान

कठोरीकरण-क्षमता को अक्सर कठोरता समझ लिया जाता है। ये दो अलग-अलग माप हैं। कठोरता किसी विशिष्ट अवस्था में दाब-चिह्न या विकृति के प्रति प्रतिरोध को दर्शाती है। कठोरीकरण-क्षमता, निर्धारित ऑस्टेनाइटीकरण उपचार और शीतलन-स्थिति के अंतर्गत, इस्पात के मार्टेंसाइट बनाने की क्षमता तथा उस गहराई को दर्शाती है जहाँ तक वह ऐसा कर सकता है। उच्च कठोरीकरण-क्षमता वाले इस्पात के लिए कठोरता का कोई एक सार्वभौमिक मान निर्धारित नहीं होता। उसकी कठोरता अब भी कार्बन-सामग्री, मार्टेंसाइट-अंश, टेम्परिंग और स्थानीय शीतलन-दर पर निर्भर करती है।

अनुप्रस्थ काट का आकार उस शीतलन-दर को बदल देता है। कोई पतली छड़ अपनी पूरी अनुप्रस्थ काट में इतनी तेजी से ठंडी हो सकती है कि फेराइट और पर्लाइट का निर्माण टल जाए। मोटी फोर्जिंग में केंद्र पर संचित ऊष्मा शीतलन-वक्र को धीमा कर देती है, जिससे वक्र उन रूपांतरण-आरंभ क्षेत्रों में प्रवेश कर सकता है जिन्हें सतह पार कर जाती है। परिणामस्वरूप केंद्र में बैनाइट या पर्लाइट हो सकता है, जबकि सतह में मार्टेंसाइट उपस्थित हो। यह तापीय प्रवणता आयतन-परिवर्तन और रूपांतरण-प्रतिबल में भी अंतर उत्पन्न करती है, जो विकृति, शमन-दरार और अवशिष्ट प्रतिबल में योगदान दे सकता है।

इसलिए CCT की व्याख्या वास्तविक प्रक्रिया से आरंभ होनी चाहिए: ऑस्टेनाइटीकरण तापमान और अवधि, भट्ठी या डाई के साथ संपर्क, स्थानांतरण-विलंब, शीतलन माध्यम, हलचल, भाग की अभिविन्यास और स्थानीय अनुप्रस्थ काट की मोटाई। इसके बाद अनुमानित उत्पाद गुणों तक पहुँचने का आधार प्रदान करते हैं। बिना टेम्पर किए गए मार्टेंसाइट की तुलना में फेराइट और मोटा पर्लाइट सामान्यतः सामर्थ्य और कठोरता घटाते हैं, जबकि मशीननीयता में सुधार करते हैं। बैनाइट का स्थान मध्यवर्ती होता है और वह परिस्थितियों पर अत्यधिक निर्भर रहता है। मार्टेंसाइट कठोरता और सामर्थ्य बढ़ाता है, लेकिन टेम्परिंग न किए जाने पर दृढ़ता घटा सकता है। मिश्रण और प्रवणताएँ थकान को भी प्रभावित करती हैं, क्योंकि स्थानीय कठोरता, अवशिष्ट प्रतिबल, अंतःस्थापन और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट दरार के आरंभ तथा प्रसार को बदलते हैं। केवल तापमान-सारणी से इन प्रभावों को समझा नहीं जा सकता। शीतलन-पथ से समझा जा सकता है।

स्टील और प्रक्रियाओं के बीच रूपांतरण तापमान क्यों बदलते हैं

रूपांतरण तापमान “स्टील” के लिए कोई सार्वभौमिक संदर्भ-मूल्य नहीं है। यह उस स्थिति को दर्शाता है जिसमें किसी निर्दिष्ट संघटन और तापीय पथ के लिए कोई विशेष फेज़ परिवर्तन संभव या पता लगाने योग्य बनता है। परिणाम इस बात पर भी निर्भर करता है कि आरेख साम्यावस्था, समतापीय होल्ड या सतत शीतलन का वर्णन करता है। पर्लाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट, प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट और प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट अलग-अलग रूपांतरण उत्पाद हैं; ये किसी एक तापमान के परस्पर विनिमेय नाम नहीं हैं।

कार्बन मात्रा और मिश्रधातु रसायन

कार्बन साम्यावस्था की सीमाओं और शीतलन के दौरान बनने वाले उत्पादों—दोनों को बदलता है। लौह–कार्बन तंत्र में यूटेक्टॉइड अभिक्रिया लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर होती है:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय की Materials Science & Metallurgy (2002) में ऑस्टेनाइट के फेराइट और सीमेंटाइट में रूपांतरित होने की यह अभिक्रिया दी गई है। ऑस्टेनाइट फेस-सेंटर्ड क्यूबिक, फेराइट बॉडी-सेंटर्ड क्यूबिक और सीमेंटाइट ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C होता है, जैसा कि कैम्ब्रिज की Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) में वर्णित है। कार्बन मात्रा बदलने पर यूटेक्टॉइड संघटन और तापमान बदलते हैं तथा यह भी बदलता है कि यूटेक्टॉइड अभिक्रिया से पहले कौन-सा फेज़ दिखाई देगा। हाइपॉयूटेक्टॉइड स्टीलों में प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट बन सकता है; हाइपरयूटेक्टॉइड स्टीलों में प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट बन सकता है।

कार्बन उस तापमान को भी बदलता है जिस पर मार्टेंसाइट बनना शुरू होता है, Ms, तथा उस तापमान को भी जिस पर मार्टेंसिटिक रूपांतरण काफी हद तक पूरा हो जाता है, Mf। कैम्ब्रिज के Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) में विशेष रूप से बताया गया है कि कार्बन Ms, Mf और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के अंश को प्रभावित करता है। कार्बन बढ़ने पर सामान्यतः Ms और Mf घटते हैं। यदि Mf कमरे के तापमान से नीचे चला जाए, तो कुछ ऑस्टेनाइट बिना रूपांतरित हुए रह सकता है। यह अवशिष्ट ऑस्टेनाइट इस बात का प्रमाण नहीं है कि स्टील किसी एक निश्चित “हार्डनिंग तापमान” तक नहीं पहुँच पाया; यह संघटन और शीतलन के अंतिम तापमान को दर्शाता है।

तंत्र का महत्व है। पर्लाइट और प्रोयूटेक्टॉइड उत्पादों के निर्माण के लिए कार्बन का पुनर्वितरण आवश्यक होता है और ये विसरण-नियंत्रित होते हैं। मार्टेंसाइट तीव्र विस्थापनात्मक परिवर्तन द्वारा बनता है, जिससे सीमेंटाइट बनने के लिए आवश्यक दीर्घ-पल्लवित कार्बन विसरण के बिना लौह जालक रूपांतरित हो सकता है। बैनाइट का वर्णन इन दोनों के बीच का है: कैम्ब्रिज की The Bainite Reaction (2024) में कहा गया है कि लौह जालक के संबंध में इसका विकास विसरणरहित होता है और यह T₀ तापमान से नीचे ऊष्मागतिक रूप से संभव है, जहाँ समान संघटन वाले बैनाइट की मुक्त ऊर्जा ऑस्टेनाइट से कम होती है।

मिश्रधातु मिलाने से इन संबंधों में बदलाव आ सकता है, लेकिन उनके प्रभावों को एकसमान नहीं माना जाना चाहिए। सिलिकॉन इसका एक प्रलेखित उदाहरण है। ASM International के अनुसार, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति बढ़ाता है। इसलिए सिलिकॉन-युक्त स्टीलों की व्याख्या बिना संशोधन वाले साधारण-कार्बन लौह–कार्बन आरेख से नहीं की जा सकती। इससे प्रत्येक मिश्रधातु तत्त्व के लिए एक ही सुधार लागू करने का औचित्य सिद्ध नहीं होता: प्रत्येक तत्त्व फेज़ स्थिरता, विसरण, कार्बाइड रसायन या इनके संयोजन को अलग-अलग ढंग से बदलता है।

तापन और शीतलन हिस्टेरेसिस

तापन के दौरान दर्ज किया गया तापमान शीतलन के दौरान दर्ज किए गए तापमान के बराबर होना आवश्यक नहीं है। तापन के समय फेराइट और सीमेंटाइट को घुलना तथा ऑस्टेनाइट को नाभिकित होकर विकसित होना पड़ता है; इसके लिए ऊष्मीय सक्रियण और समय आवश्यक हैं। शीतलन के दौरान ऑस्टेनाइट एक अलग नाभिकीकरण और विकास प्रक्रिया से अपघटित होता है। इसलिए भट्ठी तापमान धीरे-धीरे बदलने पर भी रूपांतरण में हिस्टेरेसिस दिखाई देता है।

ASM International की Critical Temperature Ranges (2024) में कहा गया है कि धीमी-शीतलन स्थितियों में तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं। यह एक परिमाणित स्रोत-दावा है, न कि प्रत्येक भट्ठी चक्र या मिश्रधातु के लिए सार्वभौमिक भत्ता। तेज़ तापन से प्रकट ओवरशूट बढ़ सकता है, क्योंकि विसरण और नाभिकीकरण मापे गए तापमान से पीछे रह जाते हैं। तीव्र क्वेंचिंग पर्लाइट और बैनाइट के निर्माण को पर्याप्त समय तक दबा सकती है, जिससे मार्टेंसाइट बन सके, जबकि समतापीय होल्ड ऐसे तापमान पर रूपांतरण उत्पन्न कर सकता है जो सतत-शीतलन आरेख के प्रारंभ-बिंदु के अनुरूप न हो।

यह अंतर Ae1, Ae3 और Aecm जैसे साम्यावस्था तापमानों को तापन और शीतलन के दौरान मापे जाने वाले व्यावहारिक Ac तथा Ar तापमानों से अलग करता है। TTT आरेख ऑस्टेनाइज़िंग के बाद समतापीय होल्ड के दौरान होने वाले रूपांतरण का वर्णन करता है। CCT आरेख लगातार बदलते तापमान का अनुसरण करता है। NIST का Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगाने तथा कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता और थकान गुणों का पूर्वानुमान करने के लिए CCT आँकड़ों का उपयोग करता है। इसलिए CCT वक्र एक प्रक्रिया-मानचित्र है, फेज़-साम्यावस्था आँकड़ों का विकल्प नहीं।

पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट दाने का आकार, समय और तापीय प्रवणताएँ

ऑस्टेनाइज़िंग का समय थर्मामीटर की रीडिंग से अधिक चीज़ों को बदलता है। पर्याप्त देर तक होल्ड करने पर कार्बाइड घुल सकते हैं, कार्बन समांगी हो सकता है और ऑस्टेनाइट के दाने बढ़ सकते हैं। अपर्याप्त समय से कुछ अघुलित कार्बाइड या कार्बन-समृद्ध और कार्बन-अल्प क्षेत्र रह सकते हैं, जिससे एक ही घटक के अलग-अलग भाग अलग रूपांतरण-प्रवृत्तियों के साथ शीतलन शुरू करते हैं। अत्यधिक समय से सामान्यतः पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट के मोटे दाने बनते हैं, जिससे नाभिकीकरण के लिए उपलब्ध कुल दाना-सीमा क्षेत्र घटता है और अक्सर विसरण-आधारित रूपांतरणों में विलंब होता है।

इस प्रकार पूर्ववर्ती ऑस्टेनाइट के दाने का आकार नए साम्यावस्था संघटन का निर्माण करने के बजाय गतिकी को बदलता है। महीन दाने अधिक नाभिकीकरण-स्थल प्रदान करते हैं और शीतलन के दौरान फेराइट या पर्लाइट के पहले बनने को बढ़ावा दे सकते हैं। मोटे दाने उन दाना-सीमा-नाभिकित उत्पादों में विलंब करके कठोरीकरण-क्षमता बढ़ा सकते हैं, जिससे ऑस्टेनाइट का अधिक अंश बैनाइटिक या मार्टेंसिटिक परिस्थितियों तक पहुँच सकता है। वास्तविक बदलाव कार्बन, मिश्रधातु रसायन, दाना-सीमा की स्थिति और शीतलन-दर पर निर्भर करता है।

वास्तविक घटक शायद ही कभी पूरे भट्ठी कार्यक्रम का समान रूप से अनुसरण करते हैं। मोटा खंड अपनी सतह से ऊष्मा खोता है, जबकि उसका कोर गर्म बना रहता है; इससे पूरे खंड में अलग-अलग शीतलन-दर उत्पन्न होती हैं। भट्ठी के तापमान की एकरूपता, भार की व्यवस्था, फिक्स्चर के साथ संपर्क और सतही ऑक्सीकरण वास्तविक तापीय इतिहास को और प्रभावित करते हैं। सतह पर्लाइट या बैनाइट क्षेत्र से गुजर सकती है, जबकि कोर अभी भी उसके ऊपर के तापमान पर हो; बाद में कोर सतह की तुलना में धीमी शीतलन-दर के अंतर्गत रूपांतरित हो सकता है। इस प्रकार एक ही नाममात्र ऊष्मा-उपचार से अलग-अलग स्थानों पर फेराइट, पर्लाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट बन सकते हैं। तापमान महत्वपूर्ण है, लेकिन तापमान के माध्यम से अपनाया गया पथ यह निर्धारित करता है कि कौन-सा रूपांतरण उत्पाद दिखाई देगा।

रीडिंग मानक, ग्रेड-निर्देशन और रूपांतरण संबंधी पारिभाषिक शब्दावली

SAE 1141 और ग्रेड-विशिष्ट आरेखों की सीमाएँ

रूपांतरण आरेख किसी संघटन और निर्धारित तापीय पथ का अभिलेख होता है, कोई सार्वभौमिक तापमान-सारणी नहीं। SAE 1141 के रूप में पहचाना गया CCT आरेख उस रासायनिक संघटन, ऑस्टेनिटाइज़िंग उपचार, नमूना-आकार और परीक्षण-विधि पर लागू होता है, जिनका उपयोग आरेख तैयार करने में किया गया था। इसे “कार्बन-इस्पात आरेख” के रूप में पुनःनामित नहीं किया जाना चाहिए; और तो और, बिना उचित अर्हता के इसे निम्न-मिश्रधातु इस्पात, स्टेनलेस इस्पात या टूल इस्पात पर लागू नहीं करना चाहिए।

यह भेद महत्वपूर्ण है, क्योंकि मिश्रधातु तत्व चरण-स्थिरता, विसरण-दर, कार्बाइड-निर्माण और रूपांतरण-गतिकी को बदल देते हैं। कार्बन ऑस्टेनाइट-से-मार्टेंसाइट सीमा और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट के अंश को बदलता है; University of Cambridge के 2012 के Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel में Ms, Mf और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट-अंशों पर इन प्रभावों की विशेष पहचान की गई है। ASM International के 2024 के Critical Temperature Ranges के अनुसार, सिलिकॉन रूपांतरण-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति रखता है। निकेल, क्रोमियम, मोलिब्डेनम और मैंगनीज़ रूपांतरण-वक्रों को स्थानांतरित कर सकते हैं तथा विसरण-आधारित उत्पादों के निर्माण में विलंब कर सकते हैं। किसी स्टेनलेस ग्रेड में फेराइट, ऑस्टेनाइट या अंतरधात्विक चरण-क्षेत्र भी हो सकते हैं, जो साधारण-कार्बन आरेख में अनुपस्थित होते हैं; वहीं टूल इस्पात में मिश्रधातु कार्बाइड बन सकते हैं, जो साम्यावस्था और देखे गए रूपांतरण-उत्पादों—दोनों को बदलते हैं।

यहाँ तक कि परिचित केवल-लौह संदर्भ भी संघटन-विशिष्ट है। Cambridge के 2005 के Stainless Steels: Phase Equilibria में शुद्ध लौह में फलक-केंद्रित घनीय ऑस्टेनाइट को लगभग 910–1400 °C पर स्थित बताया गया है और लगभग 1539 °C का गलन-तापमान दिया गया है। ये मान SAE 1141 के क्रांतिक तापमानों को परिभाषित नहीं करते। NIST के 1990 के Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel में ग्रेड-विशिष्ट CCT आरेख का उचित उपयोग दिखाया गया है: निर्दिष्ट शीतलन-स्थितियों के अंतर्गत कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगाना और कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता तथा थकान-गुणों का पूर्वानुमान करना।

इसलिए उद्धृत किए गए तापमान के साथ उसका प्रमाण भी संलग्न होना चाहिए। ग्रेड-निर्देशन और मानक, संघटन का आधार—नाममात्र, हीट-विश्लेषण या मापा गया संघटन—साथ ही प्रारंभिक सूक्ष्मसंरचना, ऑस्टेनिटाइज़िंग तापमान और होल्ड-समय, तापन या शीतलन-दर, नमूना-ज्यामिति, आरेख का प्रकार और मापन-विधि बतानी चाहिए। डाइलेटोमेट्री, विभेदी तापीय विश्लेषण, विद्युत-प्रतिरोध मापन और मेटालोग्राफिक इंटरप्शन से अलग-अलग प्रत्यक्ष आरंभिक और अंतिम तापमान प्राप्त हो सकते हैं।

Ae, Ac, Ar, Ms, Mf और Aecm संकेत-पद्धति

Ae उपसर्ग साम्यावस्था में होने वाले रूपांतरण-तापमान को दर्शाता है। इसलिए Ae1 साम्यावस्था की स्थितियों में यूटेक्टॉइड सीमा है, और Ae3 हाइपोयूटेक्टॉइड इस्पात में ऑस्टेनाइट से फेराइट बनने से संबंधित ऊपरी सीमा है। Aecm कार्बन-समृद्ध पक्ष पर साम्यावस्था वाली ऑस्टेनाइट–सीमेंटाइट सीमा को दर्शाता है। उपसूचक “cm” सीमेंटाइट, Fe₃C, को संदर्भित करता है।

लगभग यूटेक्टॉइड संघटन 0.8 wt% कार्बन है। लगभग 723 °C पर University of Cambridge की 2002 की Materials Science & Metallurgy सामग्री में अभिक्रिया γ → α + Fe₃C दी गई है। यहाँ γ ऑस्टेनाइट और α फेराइट है। यह समीकरण साम्यावस्था में उपस्थित चरणों का वर्णन करता है; यह नहीं बताता कि 723 °C से होकर ठंडा किए जाने वाले प्रत्येक इस्पात में पर्लाइट बनेगा।

Ac उपसर्ग तापन के दौरान मापे गए क्रांतिक तापमान को दर्शाता है, जबकि Ar शीतलन के दौरान मापे गए तापमान को। Ac1 और Ar1 अलग हो सकते हैं, क्योंकि नाभिकन, विलेयन, विसरण और तापीय विलंब दर तथा पूर्ववर्ती संरचना पर निर्भर करते हैं। ASM International के अनुसार, धीमे शीतलन के अंतर्गत तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं। Ms शीतलन के दौरान मार्टेंसाइट-आरंभ तापमान है और Mf मार्टेंसाइट-समापन तापमान। मार्टेंसाइट एक विस्थापनात्मक और अधिकांशतः विसरण-रहित उत्पाद है; Mf से नीचे अपर्याप्त शीतलन होने पर अवशिष्ट ऑस्टेनाइट बच सकता है। TTT आरेखों में सामान्यतः Ms अंकित होता है, जबकि CCT आरेख यह दिखाते हैं कि सतत शीतलन पर्लाइट, बेनाइट और मार्टेंसाइट क्षेत्रों को किस प्रकार प्रतिच्छेद करता है।

चरण, संघटक और सूक्ष्मसंरचना का प्रतिवेदन

चरण किसी पदार्थ का भौतिक और रासायनिक रूप से विशिष्ट भाग होता है, जिसकी संरचना और संघटन की सीमा परिभाषित होती है। Cambridge के 2008 के Interpretation of the Microstructure of Steels में ऑस्टेनाइट को फलक-केंद्रित घनीय, फेराइट को काय-केंद्रित घनीय और सीमेंटाइट को ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C बताया गया है। साम्यावस्था आरेख का कोई चरण-क्षेत्र किसी दिए गए संघटन और तापमान पर स्थिर चरणों का पूर्वानुमान करता है। वह कोई छायाचित्र नहीं होता और न ही कण-आकार, अंतराल, आकृति-विज्ञान या रूपांतरण-दर निर्दिष्ट करता है।

संघटक किसी देखे गए सूक्ष्मसंरचनात्मक उत्पाद या समुच्चय को कहते हैं। पर्लाइट सामान्यतः फेराइट–सीमेंटाइट समुच्चय होता है; बेनाइट में फेराइटिक क्षेत्र और एक विशिष्ट रूपांतरण-तंत्र से निर्मित कार्बाइड-विन्यास होते हैं; मार्टेंसाइट अतिसंतृप्त रूपांतरित फेराइट होता है, जिसकी विशिष्ट आकृति-विज्ञान और कार्बन-अवस्था होती है। ASM International पर्लाइट, बेनाइट, मार्टेंसाइट, प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट और प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट को ऑस्टेनाइट-रूपांतरण के प्रमुख उत्पादों के रूप में मानता है—समतापीय और सतत-शीतलन, दोनों स्थितियों में। Cambridge के 2024 के The Bainite Reaction के अनुसार, लौह-जालिका के संदर्भ में बेनाइट की वृद्धि विसरण-रहित होती है और T₀ से नीचे ऊष्मागतिक रूप से संभव होती है, जहाँ समान संघटन वाले ऑस्टेनाइट की तुलना में बेनाइट की मुक्त ऊर्जा कम होती है।

इसलिए प्रतिवेदनों में परिकलित चरण-क्षेत्रों और मापे गए संघटकों को अलग-अलग प्रस्तुत किया जाना चाहिए। यह स्पष्ट करें कि स्रोत साम्यावस्था वाले Fe–C या Fe–Fe₃C आरेख, TTT आरेख या CCT आरेख में से कौन-सा है; फिर यह बताएं कि रूपांतरण का पता कैसे लगाया गया और अंतिम संरचना की जाँच किस प्रकार की गई। पॉलिश की गई और एच की गई छवि, X-ray diffraction परिणाम, डाइलेटोमेट्रिक वक्र और कठोरता-प्रोफ़ाइल अलग-अलग प्रश्नों के उत्तर देते हैं। इस संदर्भ के बिना दिया गया तापमान-मान अधूरा निर्देशन है।

आरेख से सूक्ष्मसंरचना तक: अनुशासित व्याख्या की कार्यप्रणाली

परिवर्तन-आरेख केवल तापमान देखने की सारणी नहीं होता। यह निर्दिष्ट संघटन, नमूने की स्थिति, तापन या शीतलन अनुसूची और प्रयोगात्मक विधि के लिए एक मानचित्र होता है। इसलिए अनुशासित प्रश्न यह नहीं है कि “700 °C पर कौन-सा प्रावस्था बनता है?”, बल्कि यह है कि “कौन-सा पदार्थ उपस्थित है, उसने किस मार्ग का अनुसरण किया, और किन परिवर्तन-तंत्रों को क्रियाशील होने के लिए पर्याप्त समय मिला?”

संघटन और अभिप्रेत तापीय मार्ग से शुरुआत करें

इस्पात का ग्रेड-नाम और उसका रासायनिक संघटन दर्ज करके शुरुआत करें। विश्वसनीय पूर्वानुमान के लिए “कार्बन इस्पात” बहुत व्यापक श्रेणी है। साधारण-कार्बन यूटेक्टॉइड इस्पात का व्यवहार SAE 1141 से भिन्न होता है, और दोनों ही क्रोमियम, मोलिब्डेनम, निकेल, मैंगनीज या सिलिकॉन वाले मिश्रधातु-ग्रेडों से भिन्न होते हैं। कार्बन और मिश्रधातु-तत्वों की मात्रा, प्रारंभिक स्थिति, ज्ञात होने पर कणिका-आकार, अनुप्रस्थ काट की मोटाई, ऑस्टेनाइटीकरण तापमान, धारण-समय तथा तापन और शीतलन की दरें दर्ज करें।

जहाँ निर्णय परिणाम पर निर्भर करते हों, वहाँ ग्रेड-नाम का वास्तविक ताप-विश्लेषण से मिलान किया जाना चाहिए। रासायनिक संघटन में छोटे परिवर्तन भी परिवर्तन-तापमानों को खिसका सकते हैं और परिवर्तन-उत्पादों के अंशों को बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन परिवर्तन-तापमान सीमा को बढ़ाता है, ऑस्टेनाइट में कार्बन की विलेयता घटाता है और लौह कार्बाइड के विघटन की प्रवृत्ति बढ़ाता है। तापीय विचलन की दिशा भी महत्त्वपूर्ण होती है: ASM International के अनुसार, धीमे शीतलन के दौरान तापन के क्रांतिक तापमान शीतलन के मानों से लगभग 33 °C अधिक हो सकते हैं।

इसके बाद तापीय प्रक्रिया का वर्गीकरण करें। साम्यावस्था-गणना अत्यंत धीमे परिवर्तनों और प्रावस्थाओं को अपनी साम्यावस्था-संरचनाओं के निकट पहुँचने के लिए पर्याप्त समय की धारणा पर आधारित होती है। समतापीय उपचार में इस्पात को तेजी से चुने हुए तापमान तक लाकर वहीं धारण किया जाता है; यही स्थिति TTT आरेख द्वारा दर्शाई जाती है। सतत-शीतलन उपचार में बदलते तापमान का अनुसरण किया जाता है और इसे CCT आरेख द्वारा दर्शाया जाता है। भट्ठी-शीतलन, वायु-शीतलन, तेल-शमन और जल-शमन सतत मार्ग होते हैं, समतापीय धारण नहीं, भले ही उनके अंतिम तापमान समान हों।

परिचित Fe–C आरेख उपयोगी सीमाएँ प्रदान करता है, लेकिन यह प्रत्येक औद्योगिक सूक्ष्मसंरचना का पूर्वानुमान नहीं करता। कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के स्टेनलेस स्टील: प्रावस्था-साम्यावस्थाएँ (2005) के अनुसार, शुद्ध लोहे में लगभग 910 से 1400 °C तक अंतःकेंद्रित घनीय ऑस्टेनाइट स्थिर रहता है और शुद्ध लोहा लगभग 1539 °C पर पिघलता है। ये आँकड़े मिश्रधातुयुक्त इस्पात पर अपरिवर्तित रूप से लागू नहीं होते। लगभग 0.8 wt% कार्बन और 723 °C पर यूटेक्टॉइड अभिक्रिया γ → α + Fe₃C होती है, लेकिन वास्तविक इस्पात में यूटेक्टॉइड संघटक बनने से पहले प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट या सीमेंटाइट उपस्थित हो सकता है।

TTT या CCT आँकड़ों के माध्यम से मार्ग का अनुकरण करें

ऐसा आरेख चुनें जो प्रक्रिया से मेल खाता हो। TTT आरेख पर ऑस्टेनाइटीकरण की स्थिति निर्धारित करें, तेजी से धारण-तापमान तक जाएँ और फिर धारण के दौरान परिवर्तन के आरंभ तथा समाप्ति को पढ़ें। CCT आरेख पर वास्तविक शीतलन-वक्र बनाएँ या चुनें और उसके द्वारा पार किए गए प्रत्येक क्षेत्र की पहचान करें। TTT का आरंभ-समय सीधे CCT उपचार पर लागू न करें; परिवर्तन के दौरान इस्पात तापमानों की एक सीमा से होकर गुजर रहा होता है।

क्रम को स्पष्ट रूप से लिखें। हाइपोयूटेक्टॉइड इस्पात में पहले ऑस्टेनाइट से प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट बन सकता है और उसके बाद पर्लाइट। हाइपरयूटेक्टॉइड इस्पात में पर्लाइट बनने से पहले प्रोयूटेक्टॉइड सीमेंटाइट बन सकता है। जो शीतलन-वक्र पर्लाइट क्षेत्र से बच जाता है, वह बैनाइट क्षेत्र में प्रवेश कर सकता है और फिर Ms, अर्थात् मार्टेंसाइट-आरंभ तापमान, को पार कर सकता है। परिणामस्वरूप अंतिम संरचना में फेराइट, पर्लाइट, बैनाइट, मार्टेंसाइट और अवशिष्ट ऑस्टेनाइट अलग-अलग अनुपातों में उपस्थित हो सकते हैं।

ये नाम विभिन्न प्रकार की वस्तुओं का भी वर्णन करते हैं। फेराइट, ऑस्टेनाइट और सीमेंटाइट प्रावस्थाएँ हैं: कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय का इस्पात की सूक्ष्मसंरचना की व्याख्या (2008) इन्हें क्रमशः अंतःकेंद्रित घनीय फेराइट, फलकीय-केंद्रित घनीय ऑस्टेनाइट और ऑर्थोरॉम्बिक Fe₃C के रूप में पहचानता है। पर्लाइट और बैनाइट प्रावस्थाओं की विशिष्ट व्यवस्थाओं वाले परिवर्तन-उत्पाद हैं, जबकि मार्टेंसाइट विस्थापनात्मक परिवर्तन-उत्पाद है। कोई परिवर्तन-तापमान किसी सीमा या घटना को दर्शाता है, न कि निश्चित अंतिम संघटक को।

तंत्र महत्त्वपूर्ण होता है। पुनर्निर्माणात्मक परिवर्तनों के लिए परमाणु-विसरण आवश्यक होता है और जब मार्ग कार्बन के पुनर्वितरण के लिए पर्याप्त समय देता है, तब वे फेराइट, पर्लाइट या सीमेंटाइट उत्पन्न कर सकते हैं। मार्टेंसाइट उन अभिक्रियाओं के लिए आवश्यक दीर्घ-पल्लीय रासायनिक विसरण के बिना बनता है। बैनाइट में जालक-परिवर्तन और कार्बन-पुनर्वितरण का अलग संयोजन होता है; कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय का द बैनाइट अभिक्रिया (2024) बताता है कि लौह-जालक के संदर्भ में बैनाइट की वृद्धि विसरण-रहित होती है और T₀ तापमान से नीचे ऊष्मागतिक रूप से संभव होती है।

मार्टेंसाइट स्वतः अंतिम उत्पाद नहीं होता। यदि Ms कमरे के तापमान से नीचे हो, या यदि ऑस्टेनाइट के पूर्णतः समाप्त होने से पहले शीतलन रुक जाए, तो अवशिष्ट ऑस्टेनाइट बच सकता है। कैम्ब्रिज का TTT संबंधी स्रोत (2012) विशेष रूप से बताता है कि कार्बन Ms, मार्टेंसाइट-समापन तापमान Mf और अवशिष्ट-ऑस्टेनाइट अंशों को प्रभावित करता है। इसलिए “शमित इस्पात” का अर्थ मिश्रित संरचना भी हो सकता है, न कि अनिवार्य रूप से 100% मार्टेंसाइट।

सूक्ष्मदर्शिकी और गुण-परीक्षण द्वारा पूर्वानुमानों का सत्यापन करें

आरेख से प्राप्त परिणाम को पूर्वानुमान मानें। इसकी पुष्टि के लिए प्रतिनिधि नमूना तैयार करें, इस्पात के अनुकूल विधि से उसे पॉलिश और अभिकर्मक द्वारा एच करें, तथा प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शिकी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शिकी या किसी अन्य उपयुक्त तकनीक से संरचना की जाँच करें। धातुवैज्ञानिक परीक्षण से फेराइट की आकृति-विज्ञान, पर्लाइट का अंतराल, बैनाइट के गुच्छे, मार्टेंसाइट क्षेत्र, कार्बाइड-जाल, डीकार्बरीकरण और पृथक्करण का पता चल सकता है, हालांकि कुछ संघटकों की सावधानीपूर्वक व्याख्या आवश्यक होती है क्योंकि एचिंग-कॉन्ट्रास्ट किसी प्रावस्था का प्रत्यक्ष लेबल नहीं होता।

निर्धारित स्थानों पर कठोरता मापें और स्केल, भार तथा नमूना-ग्रहण योजना की रिपोर्ट दें। जहाँ अनुप्रयोग इसकी माँग करे, वहाँ तनन, आघात, थकान, आयामी या अवशिष्ट-ऑस्टेनाइट मापन भी जोड़ें। केवल कठोरता से प्रत्येक मिश्रण में भेद नहीं किया जा सकता और न ही दृढ़ता स्थापित की जा सकती है।

इस्पात के निरंतर शीतन-रूपांतरण (सीसीटी) आरेख का उपयोग कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगाने और कमरे के तापमान पर सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीनेबिलिटी तथा थकान गुणधर्मों का पूर्वानुमान लगाने के लिए किया जा सकता है। Limited evidence

NIST की रिपोर्ट SAE 1141 इस्पात की सतत-शीतलन परिवर्तन विशेषताएँ (1990) CCT आँकड़ों के व्यावहारिक उद्देश्य को दर्शाती है: ऐसा आरेख कठोरीकरण-क्षमता का अनुमान लगा सकता है और कमरे के तापमान की सूक्ष्मसंरचना, सामर्थ्य, कठोरता, मशीननीयता तथा थकान-गुणों का पूर्वानुमान कर सकता है। यहाँ “पूर्वानुमान” ही कार्यकारी शब्द है। किसी आरेख का आँकड़ा-समुच्चय विशिष्ट संघटन, कणिका-स्थिति, नमूने के आकार और परीक्षण-प्रक्रिया से संबंधित होता है। जब त्रुटि का परिणाम महत्त्वपूर्ण हो, तब तापीय मार्ग का अनुकरण करें, पूर्वानुमानित क्रम दर्ज करें और परिवर्तन-मॉडल को स्वीकार करने से पहले उसकी तुलना सूक्ष्मदर्शिकी तथा मापे गए गुणों से करें।

संदर्भ

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf