Acélátalakulási hőmérsékletek és fázisok

Mit jelentenek valójában az átalakulási hőmérsékletek?

Az acél átalakulási hőmérséklete nem egy, a minőségjel mellett feltüntetett univerzális szám. Olyan határérték vagy megfigyelt esemény, amely függ az összetételtől, a termikus előzményektől, a próbatest méretétől, a hevítés vagy hűtés sebességétől, valamint attól a mechanizmustól, amelynek révén az egyik szerkezet egy másikká alakul. A megadott hőmérséklet jelentheti az egyensúlyi állapotot, egy reakció kezdetét hevítés közben, egy reakció kezdetét hűtés közben, vagy azt a pontot, ahol egy adott mérési módszer változást érzékel. Ezek összefüggő értékek, de nem felcserélhetők.

A fázis olyan fizikailag elkülönülő szerkezet, amely meghatározott kristályrendeződéssel és összetételi tartománnyal rendelkezik. Az acélban az ausztenit (γ) lapközepes köbös, a ferrit (α) térközepes köbös, a cementit pedig ortorombos Fe₃C, amint azt a Cambridge-i Egyetem Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) című kiadványa ismerteti. A szövetelem olyan mikroszerkezeti egység, amely egynél több fázist is tartalmazhat. A perlit például ferritből és cementitből álló szövetelem. Az átalakulási termék a kiindulási fázisból létrejövő szerkezet: az ausztenit átalakulásainak ASM-féle tárgyalása szerint a perlit, a bainit, a martenzit, a proeutektoidos ferrit és a proeutektoidos cementit a fő átalakulási termékek.

Hőmérséklet (°C)

A különbségtétel azért fontos, mert egy hőmérséklet jelezheti egy fázis eltűnését anélkül, hogy megnevezné a végső szövetelemet. Körülbelül 0,8 tömegszázalék széntartalomnál és 723 °C-on az ausztenit az eutektoidos γ → α + Fe₃C reakción megy keresztül a Cambridge-i Egyetem 2002-es Fe–C anyaga szerint. Ez az egyenlet az egyensúlyi termékeket, a ferritet és a cementitet adja meg. Nem jelenti azt, hogy minden, megközelítőleg 0,8 tömegszázalék szenet tartalmazó acél pontosan 723 °C-on, egy tényleges kemenceciklus során ugyanazt a szerkezetet alakítja ki.

Egyensúlyi határvonalak és gyakorlati kritikus hőmérsékletek

Az egyensúlyi jelölés azt írja le, mi termodinamikailag stabil akkor, amikor a rendszernek elegendő idő áll rendelkezésére az egyensúly megközelítéséhez. Az Ae1 az egyensúlyi eutektoidos hőmérséklet: az a határ, amelynél az ausztenit, valamint a ferrit és cementit alkotta keverék együtt lehet jelen a megadott összetétel és nyomás mellett. Az Ae3 a hipoeutektoidos acél ausztenitjének felső egyensúlyi határa; elválasztja egymástól az ausztenitmezőt és az ausztenit–ferrit mezőt. Az Aecm a hipereutektoidos acél megfelelő felső határa; elválasztja az ausztenitet az ausztenit–cementit mezőtől. Az „e” alsó index az egyensúlyra utal.

Lassú hűtés esetén a melegítés során mért kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtés során mért értékeknél. Strong evidence

A technológiai hőmérsékleteket általában eltérő jelöléssel írják le. Az Ac1 és Ac3 a hevítés közben megfigyelt átalakulási hőmérsékletekre, az Ar1 és Ar3 pedig a hűtés közben megfigyelt értékekre utal. A „c” és az „r” a hevítési, illetve hűtési körülményeket jelzi, nem új egyensúlyi fázisokat. Hevítés közben előfordulhat, hogy az ausztenit csak az Ae1 túllépése után kezd kialakulni, mivel a csíraképződéshez és a diffúzióhoz idő szükséges. Hűtés közben a ferrit, a perlit vagy a cementit csak akkor jelenhet meg, amikor az acél az egyensúlyi határ alá hűlt, mivel a reakcióhoz túlhűlés szükséges. Az ASM International jelentése szerint lassú hűtés esetén a hevítési kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtési értékeknél (2024). Ez a különbség hiszterézis, nem pedig a fázisdiagram hibája.

Az összetétel szintén eltolja ezeket a határokat. A szén módosítja az ausztenit stabilitását, valamint azt, hogy milyen hőmérsékleten képződhet ferrit, perlit, cementit és martenzit. Az ötvözőelemek eltolják a határvonalakat és módosítják a reakciósebességeket; a szilícium például növeli az átalakulási hőmérséklettartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. A tiszta vasra vonatkozó referenciaértékek is hőmérsékletfüggők: Cambridge a lapközepes köbös ausztenit tartományát körülbelül 910–1400 °C-ra, az olvadási hőmérsékletet pedig körülbelül 1539 °C-ra teszi (2005). Ezért egy acélminőség nem örökölhet a tiszta vastól egyetlen rögzített „ausztenitesítési hőmérsékletet”.

Hevítés, hűtés, izotermus hőntartás és folyamatos hűtés

A hevítés, a hűtés és a hőntartás eltérő kérdéseket vet fel. Hevítéskor az a kérdés, hogy mikor oldódik fel a ferrit és a cementit olyan mértékben, hogy ausztenit képződhessen. A termikus késés miatt egy vastag alkatrész kemencehőmérséklete, felületi hőmérséklete és maghőmérséklete jelentősen eltérhet egymástól. A pirométer leolvasása átlépheti az Ac1 értéket, miközben a középső rész még nem érte el azt. A keresztmetszet mérete ezért akkor is módosítja a tényleges hőterjedési utat, ha a névleges kemenceprogram azonos.

Hűtéskor az átalakulási terméket a reakcióút határozza meg. A lassú hűtés diffúzióvezérelt, rekonstrukciós termékeket, például proeutektoidos ferritet és perlitet eredményez, lehetővé téve a szén- és vasatomok újraeloszlását. A gyorsabb hűtés visszaszorítja ezeket a reakciókat, és bainit vagy martenzit képződéséhez vezethet. Cambridge a bainit növekedését a vasrács szempontjából diffúziómentesként írja le; ez termodinamikailag a T₀-hőmérséklet alatt lehetséges, ahol a bainit szabadentalpiája kisebb, mint az azonos összetételű ausztenité. A martenzit elmozdulásos, lényegében diffúziómentes átalakulás: kialakulásához nem szükséges, hogy a szén nagy távolságokra vándoroljon, bár a széntartalom erősen befolyásolja a martenzitképződés kezdőhőmérsékletét.

Az izotermus átalakulás során az ausztenitet egy kiválasztott hőmérsékleten tartják, miután gyorsan erre a hőmérsékletre hűtötték. A TTT-diagram — idő–hőmérséklet–átalakulás diagram — azt mutatja meg, hogy ilyen hőntartási körülmények között mikor kezdődnek és mikor fejeződnek be az egyes átalakulások. C-görbéi olyan időfüggő reakciókat jelölnek, mint a perlit- és a bainitképződés, míg a martenzitképződés kezdőhőmérséklete, az Ms, athermikus átalakulást jelez, amelyet elsősorban az elért hőmérséklet, nem pedig egy inkubációs idő határoz meg. Az Mf a martenzitképződés befejező hőmérséklete, bár a hűtés az Mf fölött is megállhat, és visszamaradt ausztenitet hagyhat. Cambridge beszámolója szerint a szén befolyásolja az Ms és Mf értékét, valamint a visszamaradt ausztenit hányadát (2012).

A CCT-diagram ezzel szemben a folyamatos hűtés közben bekövetkező átalakulást rögzíti. A hűtési sebesség meghatározza, hogy mely kezdőgörbéket metszi a folyamat, és mennyi ideig marad az acél az egyes reakciótartományokban. A NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) című kiadványa bemutatja, hogy egy CCT-diagram segítségével megbecsülhető az edzhetőség, valamint előre jelezhető a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, a szilárdság, a keménység, a forgácsolhatóság és a kifáradási tulajdonságok. Ezért a CCT-érték nem helyettesíti az Ae-értéket. Az egyensúlyi határvonalak a megengedett fázisstabilitást írják le; a TTT- és CCT-diagramok pedig azt mutatják meg, hogy a tényleges átalakulási termékek mikor jelennek meg meghatározott termikus utak mentén.

A vas–szén rendszer kerete: fázisok, kristályszerkezetek és mezők

A vas–szén diagram egyensúlyi térkép, nem pedig hőmérsékleti értéktáblázat. Mezői azt azonosítják, hogy egy adott összetétel és hőmérséklet mellett mely fázisok termodinamikailag stabilak, feltéve, hogy a diffúzióhoz elegendő idő áll rendelkezésre. A tényleges acél gyakran más utat követ: a hevítési és hűtési sebesség eltolja az átalakulási hőmérsékleteket, az ötvözőelemek módosítják a fázisstabilitást, a gyors hűtés pedig elnyomhatja a diffúzióvezérelt termékek kialakulását. Ezért ugyanaz a névleges minőség ferritet, perlitet, bainitet, martenzitet, visszamaradt ausztenitet vagy ezek keverékét tartalmazhatja, hőelőéletétől függően.

A diagram emellett megkülönbözteti egymástól a fázist, a mikroszerkezeti alkotót és az átalakulási terméket. A ferrit, az ausztenit és a cementit fázisok. A perlit kétfázisú alkotó. A bainit és a martenzit olyan átalakulási termékek, amelyek szerkezete és összetétele attól függ, hogyan bomlik le az ausztenit.

Ferrit, ausztenit és cementit

A ferrit, amelyet ebben az összefüggésben hagyományosan α-val jelölnek, vasban gazdag szilárd oldat, térközepes köbös (BCC) kristályszerkezettel. A szén oldhatósága a BCC ferritben nagyon kicsi, mivel a rendelkezésre álló rácsközi helyek kicsik, és kevéssé alkalmasak a szén befogadására. Közönséges hőmérsékleten a kis széntartalmú acélok gyakran ferritet tartalmaznak folytonos vagy mátrixfázisként. Viszonylag kis széntartalma és BCC-rácsa részben magyarázza a martenziténél kisebb keménységét.

Az ausztenit, amelyet γ-val jelölnek, lapközepes köbös (FCC) kristályszerkezetű. Az FCC-rács nagyobb és kedvezőbb rácsközi helyeket biztosít, ezért lényegesen több szenet képes oldani, mint a ferrit. Ez a szénmegkötő képesség központi szerepet játszik az acél hőkezelésében: az ausztenitesítés célja, hogy a hűtés előtt a szenet γ-fázisba juttassa, majd a hűtés határozza meg, hogy az perlit, bainit, martenzit vagy más keverék formájában alakul-e ki.

Tiszta vasban a Cambridge-i Egyetem 2005-ös Stainless Steels: Phase Equilibria című anyaga az FCC ausztenit tartományát körülbelül 910–1400 °C-ra teszi. Ez az intervallum tiszta vasra vonatkozik, és nem általános, minden acélra érvényes tartomány. A tiszta vas olvadáspontja körülbelül 1539 °C, miközben a szén és az ötvözőadalékok eltolják a fázishatárokat és az átalakulási hőmérsékleteket.

A cementit, Fe₃C, ortorombos kristályszerkezetű vas-karbid. Vegyületfázis, amely körülbelül 6,67 tömeg% szenet tartalmaz, vagyis jóval többet, mint amennyi a közönséges szerkezeti acélok teljes összetételében található. A cementit kemény és rideg, mennyisége, alakja, térköze és folytonossága pedig erősen befolyásolja a mechanikai viselkedést. A Cambridge-i Interpretation of the Microstructure of Steels című, 2008-as forrás közvetlenül azonosítja a három szerkezetet: az ausztenit FCC, a ferrit BCC, a cementit pedig ortorombos Fe₃C.

Ezek a megnevezések kristályszerkezeteket írnak le, nem egyszerűen a mikroszkópban látható megjelenést. Egy ferritszemcse egyetlen fázis, még akkor is, ha hibákat vagy kis koncentrációban oldott elemeket tartalmaz. A ferritben található cementitrészecskék továbbra is külön fázist alkotnak, mivel összetételük és kristályszerkezetük eltér.

Az eutektoidos összetétel és reakció[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Hasznos rendező példa az eutektoidos pont. A Cambridge-i Egyetem 2002-es Materials Science & Metallurgy című anyaga a reakcióra körülbelül 0,8 tömeg% szenet és 723 °C-ot ad meg:

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

Mindkét érték közelítő és forrásspecifikus. A közzétett diagramok kissé eltérő adatokat mutathatnak a referenciaállapotok, a kísérleti adatok, az ötvözési feltételezések vagy a kritikus hőmérséklet meghatározására használt konvenció miatt. Maga a jelölés fontosabb annál, mint hogy a 0,8 tömeg%-ot és a 723 °C-ot egzakt állandóként kezeljük.

Eutektoidos összetételnél az ausztenit a ferrit és a cementit irányába alakul át, amikor a hőmérséklet az egyensúlyi eutektoidos hőmérsékleten áthaladva csökken. Megfelelő hűtési körülmények között ezek a fázisok váltakozó lemezekbe vagy lamellákba rendeződnek; ezt perlitnek nevezzük. A perlit nem harmadik kristályszerkezet, és nem egyetlen fázis. Minden ferritlamella BCC szerkezetű, minden cementitlamella pedig ortorombos Fe₃C. A kolóniák szintjén megjelenő mintázat két fázis együttműködő növekedésével létrejövő átalakulási termék vagy mikroszerkezeti alkotó.

A hűtési sebesség módosítja a lamellák közötti távolságot, és esetenként magát a terméket is. A lassú hűtés lehetővé teszi, hogy a szén nagyobb távolságokon diffundáljon, és általában viszonylag durva perlitet eredményez. A gyorsabb hűtés finomabb perlitet vagy bainitet hozhat létre, illetve — ha a diffúzió nagyrészt gátolt — martenzitet. Az ASM International a ausztenitből képződő fő termékek között sorolja fel a perlitet, a bainitet, a martenzitet, a proeutektoidos ferritet és a proeutektoidos cementitet.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Ezért „az acél átalakulási hőmérséklete” hiányos megfogalmazás. Egy egyensúlyi diagram olyan értékeket ad meg, mint az Ae₁, vagyis az egyensúlyi eutektoidos hőmérséklet, míg a hevítés és a hűtés Ac-, illetve Ar-hőmérsékleteket eredményez, amelyek eltérhetnek egymástól. Az ASM 2024-es Critical Temperature Ranges című anyaga szerint lassú hűtés esetén a hevítéshez tartozó kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek, mint a hűtéshez tartozó értékek. Az izotermás átalakulási diagramok egy kiválasztott hőmérsékleten végzett hőntartást írnak le; a folyamatos hűtési átalakulási (CCT) diagramok a megszakítás nélküli hűtést ábrázolják. A NIST 1990-es Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel című tanulmánya bemutatja, hogy a CCT-diagram miként használható az átedzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleten kialakuló mikroszerkezet, szilárdság, keménység, forgácsolhatóság és kifáradási tulajdonságok előrejelzésére.

A szilícium további figyelmeztetést jelent a rögzített értékek használatával szemben. Az ASM szerint a szilícium növeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. Az összetétel már a kemenceciklus megkezdése előtt módosítja a mezőket.

Proeutektoidos ferrit és proeutektoidos cementit

Az eutektoidos összetételnél kevesebb szenet tartalmazó acélok hipoeutektoidos acélok. Ausztenitből történő hűtés során először ferrit képződik, még azelőtt, hogy a fennmaradó ausztenit elérné az eutektoidos összetételt. Ezt a korán kialakuló ferritet proeutektoidos ferritnek nevezzük. Az eutektoidos hőmérsékleten a maradék ausztenit perlitté alakul át. A végső hipoeutektoidos szerkezet ezért rendszerint proeutektoidos ferritet és perlitet tartalmaz, bár a hűtési sebesség és az ötvözés bainit vagy martenzit kialakulásához is vezethet.

Az eutektoidos összetételnél több szenet tartalmazó acélok hipereutektoidos acélok. A cementit először az ausztenitből képződik, általában a korábbi ausztenitszemcsék határain vagy más kedvező helyeken. Ezt proeutektoidos cementitnek nevezzük. A fennmaradó ausztenit összetétele eutektoidossá válik, majd további hűtés során perlitté alakul. Az így létrejövő szerkezet rendszerint proeutektoidos cementitet és perlitet tartalmaz.

A „proeutektoidos” szó jelentése: „az eutektoidos reakció előtt képződött”, nem pedig „az ausztenit kialakulása előtt képződött”. Mindkét termék az ausztenitből jön létre hűtés közben. Mennyiségük az összetételtől és a fázismezőkön át vezető úttól függ, morfológiájukat pedig a magképződés, a diffúzió, a szemcseméret és a hűtési sebesség határozza meg. Ha a hűtés elég gyors, az eutektoidos bomlás elkerülhető. A Cambridge 2008-as, az acél mikroszerkezetével foglalkozó anyaga megkülönbözteti ezeket a rekonstruktív, diffúzióvezérelt reakciókat a diszplacív átalakulásoktól; a martenzit kialakulhat anélkül a nagy távolságú kémiai diffúzió nélkül, amely a perlit létrehozásához szükséges. A szén emellett a martenzit kezdő- és végső átalakulási hőmérsékletét, valamint a visszamaradt ausztenit hányadát is befolyásolja, amint azt a Cambridge 2012-es Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel című anyaga rögzíti.

Az ausztenit képződése hevítés közben

Az ausztenit nem egyetlen, minden esetben érvényes hőmérsékleten jelenik meg. Képződése függ a széntartalomtól, az ötvözőadalékoktól, a hevítési sebességtől, a hőntartási időtől, valamint a hevítés előtt jelen lévő ferrit–perlit- vagy megeresztett szerkezettől. Maga a fázis lapközepes köbös γ-vas; a ferrit térközepes köbös α-vas, míg a cementit ortorombos Fe₃C, amint azt a Cambridge-i Egyetem Az acélok mikroszerkezetének értelmezése (2008) című anyaga ismerteti. A hevítés mind a kristályszerkezetet, mind a szén e fázisok közötti eloszlását megváltoztatja.

Az Ac1, Ac3 és Accm jelölések a hevítés közben mért vagy megfigyelt gyakorlati kritikus hőmérsékleteket írják le. A „c” a hevítésre utal, míg az „1” az ausztenitképződés kezdetét jelöli. Az Ac1 ezért az a hőmérséklet, amelyen ausztenit kezd képződni ferritből és perlitből, illetve hipereutektoidos acélban perlitből és cementitből. Az Ac3 az a hőmérséklet, amelyen a hipoeutektoidos acélban eltűnik az utolsó proeutektoidos ferrit. Az Accm ennek megfelelő felső határa hipereutektoidos acél esetében: e fölött a cementit oldatba ment, és a szerkezet teljesen ausztenites, az oldatlan ötvözött karbidok kivételével.

Ezek nem azonosak az Ae1, Ae3 és Aecm értékekkel. Az Ae jelölés egyensúlyi körülményekre vonatkozik, amikor a fázisarányok egy meghatározott összetételnél és hőmérsékleten diffúzió révén beállhatnak. Az Ac értékek valós hevítési folyamatot írnak le, ezért a hevítési sebességgel, a próbatest méretével, a kiindulási állapottal és a mérési módszerrel változnak. Az ASM International szerint lassú hűtés esetén a hevítés során meghatározott kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtés során mért értékeknél (Kritikus hőmérséklettartományok, 2024). Egy közzétett Ac1- vagy Ac3-értéket ezért mindig acélösszetételhez és vizsgálati körülményhez kell kötni.

Az Ac1, Ac3 és Accm átlépése

Egy hipoeutektoidos acél, például egy tipikus kis széntartalmú szerkezeti acél, kiindulási szerkezete rendszerint ferritet és perlitet tartalmaz. Az eutektoidos összetétel közelében a perlitkolóniák az Ac1 hőmérsékleten kezdenek átalakulni. Körülbelül 0,8 tömeg% szénnél és 723 °C-on az egyensúlyi eutektoidos reakció γ → α + Fe₃C, a Cambridge-i Egyetem Anyagtudomány és kohászat című anyaga (2002) szerint. A hevítés ezt a reakciót megfordítja: a perlitben lévő ferrit és cementit elfogy az ausztenit képződése során.

Az átalakulás nem tökéletesen éles front mentén megy végbe. Az ausztenit a ferrit–cementit határfelületeken, a perlitkolóniák határain és más nagy energiájú helyeken csírázik. Ezután belenő a környező ferritbe. Mivel a szén az auszteniten keresztül sokkal gyorsabban diffundál, mint a helyettesítéses ötvözőelemek, a korai szakaszban a szénkoncentráció egyenetlenné válik. A maradék ferrit csak akkor oldódik fel, amikor a hőmérséklet az Ac3 felé emelkedik. Ac3 alatt a keverék ausztenitből és proeutektoidos ferritből áll; Ac3 fölött a mátrix ausztenit.

A hipereutektoidos acél más úton alakul át. A perlit az Ac1 után átalakul, de a proeutektoidos cementit megmarad a korábbi ausztenitszemcsék határainál vagy a szerkezetben. Az ausztenites szerkezet csak akkor alakul ki teljesen, amikor a hőmérséklet átlépi az Accm értéket, és a cementit megfelelő mértékben feloldódott. Az Ac1 fölé történő, csekély mértékű hevítés ezért jelentős cementittartalmú ausztenitet hagyhat maga után. Ezt az állapotot „teljesen ausztenitesítettnek” nevezni helytelen.

Tiszta vas esetében a Cambridge-i fázisegyensúlyi adatok szerint a lapközepes köbös ausztenit körülbelül 910 és 1400 °C között stabil, az olvadás pedig körülbelül 1539 °C-on következik be. Az acél nem követi a tiszta vas ezen határait: a szén és az ötvözőelemek eltolják a határértékeket, az ipari hevítés pedig gyakran jelentősen eltér az egyensúlyi körülményektől. A gyakorlati kérdés nem egyszerűen az, hogy a kemence elérte-e a megadott hőmérsékletet. Azt kell megvizsgálni, hogy a szükséges fázisoknak volt-e elegendő idejük a teljes keresztmetszetben végbemenő átalakuláshoz.

A szén oldódása és a karbidok újraeloszlása

A szénnek ki kell lépnie a cementitből, és diffundálnia kell a növekvő auszteniten keresztül. A finom perlit rendszerint gyorsabban alakul át, mint a durva perlit, mivel nagyobb ferrit–cementit határfelülettel és rövidebb diffúziós távolságokkal rendelkezik. A korábbi hidegalakítás, a szemcseméret, a szegregáció és egy korábbi megeresztési kezelés szintén megváltoztatja a csírázási helyeket és az oldódási sebességet.

Az Ac1 után a frissen képződött ausztenit kevesebb szenet tartalmazhat, mint az adott hőmérsékleten érvényes egyensúlyi érték, miközben az oldódó cementit közelében lévő tartományok széntartalma nagyobb. A hőntartás lehetővé teszi a szén újraeloszlását. Az elégtelen idő oldatlan cementitet, szénben szegény ausztenitet vagy helyi összetételi gradienseket hagyhat vissza. A túl magas hőmérséklet vagy a túl hosszú hőntartás megnövelheti a korábbi ausztenitszemcsék méretét még akkor is, ha az oldódás már teljesen végbement.

Az ötvözött karbidok lassítják a folyamatot. A krómot, molibdént, vanádiumot, nióbiumot és titánt tartalmazó karbidok jóval a közönséges Fe₃C feloldásához szükséges hőmérséklet fölött is stabilak maradhatnak. Fennmaradásuk lehet szándékos, ez azonban azt jelenti, hogy a névleges „ausztenitesítési hőmérséklet” nem garantálja, hogy minden széntartalmú részecske oldatba került. A szén és a helyettesítéses atomok az öntés és a korábbi megmunkálás során szintén szegregálódnak, ezért egyetlen alkatrészen belül is eltérhetnek a helyi átalakulási hőmérsékletek.

A szilícium és az ötvözőadalékok hatása

A szilícium jól szemlélteti, miért kell minden átalakulási hőmérséklethez megadni az összetételt is. Az ASM International szerint a szilícium növeli az átalakulási hőmérséklettartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. A szilíciummal ötvözött acélokban ezért a cementit stabilitása és a szén megoszlása eltér a szénacélokétól. Ennek eredménye lehet a magasabb gyakorlati hevítési határ, a karbidok módosult oldódása, valamint az a nagyobb hajlam, hogy a hőciklus során a szén az ausztenit és más alkotók között megosztva maradjon.

A mangán általában csökkenti a kritikus átalakulási hőmérsékleteket és növeli az átedzhetőséget, míg a nikkel stabilizálja az ausztenitet; a króm, a molibdén, a vanádium, a nióbium és a titán pedig stabil karbidokat vagy nitrideket képezhet. Az együttes hatás egyetlen elem elszigetelt vizsgálatából nem vezethető le. A hevítési sebesség is számít: gyors hevítés esetén a megfigyelt Ac-értékek magasabbak lehetnek, mert a diffúzió és a csírázás késik a kemence hőmérsékletéhez képest.

A létrejövő ausztenit szabályozza a későbbi átalakulást. Hűtés során az összetételtől és a hűtési úttól függően perlit, bainit, proeutektoidos ferrit, proeutektoidos cementit vagy martenzit alakulhat ki belőle. A NIST Az SAE 1141 acél folyamatos hűtési átalakulási jellemzői című jelentése (1990) bemutatja, miért használják a CCT-diagramot az átedzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, a szilárdság, a keménység, a megmunkálhatóság és a kifáradási tulajdonságok előrejelzésére. Az ausztenitképződés a kiindulási állapot, nem pedig bármely meghatározott végső szerkezet garanciája.

Hűtési termékek: perlit, bainit, martenzit és proeutektoidos fázisok

Az ausztenitnek nincs egyetlen elkerülhetetlen hűtési terméke. Az eredmény a szén- és ötvözőtartalomtól, a korábbi ausztenitszemcse méretétől, a hevítési állapottól, a hűtési sebességtől és az egyes hőmérsékleteken eltöltött időtől függ. Az ASM International a perlitot, a bainitot, a martenzitet, a proeutektoidos ferritet és a proeutektoidos cementitet az ausztenit átalakulásának fő termékeiként azonosítja. Ezek az elnevezések nem mind ugyanazt a fajta dolgot írják le: a ferrit és a cementit fázisok, a perlit és a bainit egynél több fázist tartalmazó átalakulási termékek, a martenzit pedig más mechanizmussal létrejövő túltelített fázis.

A jól ismert eutektoidos reakció szemlélteti ezt a különbséget. A Cambridge-i Egyetem Materials Science & Metallurgy (2002) című kiadványa a reakciót hozzávetőleg 0,8 tömegszázalék szénnél és 723 °C-on adja meg:

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

Amint azt a Cambridge Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) című kiadványa leírja, γ a lapközepes köbös ausztenit, α a térközepes köbös ferrit, a Fe₃C pedig a rombos cementit. A hőmérséklet egyensúlyi referenciaérték, nem pedig univerzális átkapcsolási pont. A tényleges átalakulás ettől alacsonyabb vagy magasabb hőmérsékleten is megkezdődhet, a termikus útvonaltól és az összetételtől függően.

A perlit mint rekonstruktív, diffúzióvezérelt termék

A perlit akkor képződik, amikor az ausztenit együttműködő módon váltakozó ferrit- és cementitlemezekké bomlik. A szénnek újra kell rendeződnie: a ferrit csak kis mennyiségű szenet képes oldani, míg a cementit jóval többet tartalmazhat. A vasrács szintén átrendeződik az ausztenit lapközepes köbös elrendeződéséből a ferrit térközepes köbös szerkezetébe. Ez tehát rekonstruktív, diffúzióvezérelt átalakulás, nem pedig a meglévő rács egyszerű alakváltozása.

Az együttműködő jelleg fontos szerepet játszik. A ferrit képződése a szenet a közeli ausztenitbe szorítja ki, növelve annak helyi szénkoncentrációját, és elősegítve, hogy mellette cementit képződjön. A cementit képződése pedig olyan feltételeket teremt, amelyek lehetővé teszik a szomszédos ferrit növekedését. Az így létrejövő telepek lemezkéket tartalmaznak, amelyek távolsága erősen függ az átalakulási hőmérséklettől. A magasabb átalakulási hőmérsékletek általában durvább perlitet eredményeznek, az alacsonyabb hőmérsékletek pedig finomabb perlitet, mivel rövidebb a rendelkezésre álló diffúziós távolság. A hűtési sebesség nemcsak a kezdőhőmérsékletet változtatja meg, hanem a termék lemezkéinek távolságát, térfogathányadát és morfológiáját is.

A hipoeutektoidos acélokban a proeutektoidos ferrit még azelőtt képződik, hogy a fennmaradó ausztenit elérné az eutektoidos összetételt. Elsősorban a korábbi ausztenitszemcsék határain növekszik, és szenet von el az átalakulatlan ausztenitből, így az ausztenit fokozatosan széndúsabbá válik. A hipereutektoidos acélokban ezzel szemben proeutektoidos cementit képződik, rendszerint az ausztenitszemcsék határain, miközben a fennmaradó ausztenit az eredeti ötvözethez képest szegényebbé válik szénben, mielőtt perlitté alakulna. A végső szerkezet ezért ferritet és perlitet, illetve cementitet és perlitet is tartalmazhat, nem csak perlitet.

Az Ae1, Ae3 és Aecm jelölések egyensúlyi határvonalakat írnak le: az Ae1 az eutektoidos határ, az Ae3 megfelelő összetételeknél az ausztenitet választja el az ausztenitből és proeutektoidos ferritből álló tartománytól, az Aecm pedig a megfelelő cementithatárt jelöli. A hevítés és a hűtés kritikus hőmérsékletei nem feltétlenül egyeznek meg. Az ASM International Critical Temperature Ranges (2024) című kiadványa szerint lassú hűtés esetén a hevítés kritikus hőmérsékletei hozzávetőleg 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtési értékeknél. A kinetika és a termikus hiszterézis nem a fázisdiagram hibái; az átalakulás részét képezik.

A bainit és a T₀-feltétel

A bainit azt a köztes tartományt foglalja el, amelyet az egyszerűsített diagramok gyakran elfednek. Növekedése a vasrács szempontjából diffúziómentes: a vasatomok összehangolt, elmozdulásos módon mozognak, nem pedig egyenként, nagy távolságokon át diffundálnak. A szén azonban nem válik irrelevánssá. A kezdeti rácsváltozás során kialakuló túltelített ferritnek újra kell rendeznie a szenet, amely rendszerint az ausztenitbe vagy karbidba oszlik meg az acél összetételétől és az átalakulási feltételektől függően. A bainit ezért sem nem finomabb lemezközű perlit, sem nem magasabb hőmérsékleten képződő martenzit.

T₀-hőmérsékletT₀-hőmérséklet Az a hőmérséklet, amelyen azonos összetételű ausztenit és bainites ferrit szabadentalpiája egyenlő; ez alatt a meghatározott bainites átalakulás termodinamikailag megengedett.

A Cambridge-i Egyetem The Bainite Reaction (2024) című kiadványa a bainit növekedését a vasrács szempontjából diffúziómentesként írja le, amely termodinamikailag a T₀-hőmérséklet alatt lehetséges. A T₀ az a hőmérséklet, amelyen azonos kémiai összetételű ausztenit és bainites ferrit szabadenergiája megegyezik. T₀ alatt azonos összetétel esetén a bainites ferrit szabadenergiája alacsonyabb az auszteniténél, ezért az elmozdulásos lépés termodinamikailag megengedett. T₀ felett az azonos összetételű átalakulásnak nincs ilyen hajtóereje.

Ez a feltétel nem jelenti azt, hogy minden ötvözet bainitté alakul, amint átlépi a T₀-t. A reakciót a magképződési akadályok, a szén megoszlása, a karbidkiválás, az ötvözőadalékok, a hibák és a rendelkezésre álló idő egyaránt befolyásolják. A végső bainites szerkezet ferritet és karbidokat tartalmazhat, megjelenése pedig attól függ, hogy a karbidképződés a ferritlemezek között megy-e végbe, vagy az összetétel és a feldolgozás elnyomja azt. A szilícium például növeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját; ezek a hatások nem egyszerűen egyetlen rögzített hőmérsékletet tolnak el, hanem az átalakulás útját és termékét változtatják meg.

Az idő–hőmérséklet–átalakulási diagram ezeket a kinetikai korlátokat C-görbékkel jeleníti meg. A folyamatos hűtési átalakulási diagram eltérő választ ad, mivel a próbatest az átalakulás közben folyamatosan halad a hőmérsékleti tartományon keresztül. A NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) című kiadványa megjegyzi, hogy egy CCT-diagram segítségével megbecsülhető az edzhetőség, valamint előre jelezhető a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, a szilárdság, a keménység, a megmunkálhatóság és a kifáradási tulajdonságok. Ez a prediktív alkalmazás magyarázza, hogy a hűtési sebesség miért nem helyettesíthető egyetlen „bainithőmérséklettel”.

A martenzit mint elmozdulásos, atermikus átalakulás

A martenzit az ausztenitrács összehangolt nyírásával és elmozdulásával képződik. Elmozdulásos átalakulásról van szó: a vasatomok kis távolságokon mozognak, a perlit képződéséhez szükséges nagy hatótávolságú kémiai diffúzió nélkül. A szén a megváltozott rácsban reked, ami túltelítettséget és torzulást eredményez. Szénacélban a létrejövő martenzitet rendszerint térközepes tetragonális szerkezetként írják le, bár tetragonalitása a széntartalommal és a megeresztéssel változik.

A martenzitképződés a martenzit-start hőmérsékleten, Ms-nél kezdődik, amikor a hűtési útvonal elegendő hajtóerőt biztosít a magképződéshez. Az átalakulást azért nevezik atermikusnak, mert a képződött mennyiség elsősorban az elért hőmérséklettől, nem pedig egy rögzített hőmérsékleten tartás időtartamától függ. Az Ms ezért átalakulási hőmérséklet, nem pedig annak garanciája, hogy az összes ausztenit átalakult. A további hűtés általában több martenzitet hoz létre, de szobahőmérsékleten maradhat vissza ausztenit.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Az Mf, vagyis a martenzit-finish hőmérsékletére ugyanez a korlátozás vonatkozik. Meghatározott feltételek mellett a martenzites reakció extrapolált vagy mért befejeződési tartományát jelöli, nem pedig abszolút ígéretet arra, hogy visszamaradt ausztenit nincs jelen. A Cambridge Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) című kiadványa konkrétan bemutatja, hogy a szén hatással van az Ms- és Mf-hőmérsékletre, valamint a visszamaradt ausztenit térfogathányadára. Az ötvözőelemek és a korábbi átalakulások szintén eltolják az eredményt.

A gyors hűtés elnyomhatja a rekonstruktív termékek képződését, és lehetővé teheti a martenzit kialakulását, de hogy mi számít „gyorsnak”, az acélminőségtől függ. Egy acél CCT-diagramja az egyik hűtési sebességnél perlitet vagy bainitet mutathat az Ms előtt, egy másiknál pedig martenzitet. A fáziskiválasztást tehát a teljes termikus előélet határozza meg: az egyensúlyi hőmérsékletek azonosítják a lehetséges állapotokat, a TTT-diagramok az izoterm kinetikát írják le, a CCT-diagramok pedig a tényleges folyamatos hűtést. Önmagában a hőmérséklet soha nem mondja el a mikroszerkezeti történet egészét.

TTT-diagramok: mit mutathatnak meg, és mit nem mutathatnak meg az izotermás átalakulási adatok?

Az idő–hőmérséklet–átalakulás (TTT-)diagram azt rögzíti, mi történik, amikor az ausztenitet egy kiválasztott hőmérsékletre juttatják, majd ott tartják. Nem univerzális, rögzített átalakulási hőmérsékleteket tartalmazó táblázat. A görbék a megadott acélösszetételre, ausztenitesítő hőkezelésre, kezdeti szemcseméretre, valamint az átalakulás kezdetének és befejeződésének kísérleti meghatározására érvényesek.

A diagram elkészítéséhez a próbatestet először olyan mértékben felhevítik az ausztenites tartományba, hogy létrejöjjön a kívánt γ-szerkezet. Ezután gyorsan lehűtik egy kiválasztott tartási hőmérsékletre. A lehűtésnek meg kell akadályoznia az átalakulást a hőmérsékletcsökkenés során. A tartási hőmérsékleten a próbatestet izotermásan tartják, miközben változó szerkezetét dilatometriával, metallográfiával, mágneses válasz mérésével vagy más mérési módszerrel detektálják. Azt az időpontot, amikor az átalakulás érzékelhetővé válik, kezdőpontként ábrázolják; azt az időpontot pedig, amikor a kiválasztott hányad átalakulását befejezettnek ítélik, befejező pontként tüntetik fel. Az eljárás sok hőmérsékleten történő megismétlésével jönnek létre az ismert görbék.

Az eredmény elkülöníti egymástól az átalakulási termékeket, a fázisokat és a hőmérsékleteket. Az ausztenit fázis: szenet és ötvözőelemeket tartalmazó, lapközepes köbös γ-vas. A perlit és a bainit átalakulási termékek, amelyek rendszerint különböző elrendeződésű ferritből és karbidból állnak. A martenzit szintén átalakulási termék, amely az ausztenitből elmozdulásos rácsváltozással jön létre. Az eutektoidos reakcióban, körülbelül 0,8 tömeg% széntartalomnál és 723 °C-on, az ausztenit a γ → α + Fe₃C reakció szerint alakul át, amint azt a Cambridge-i Egyetem (2002) leírja. Cambridge a ferritet térközepes köbös szerkezetűként, a cementitet pedig ortorombos Fe₃C-ként azonosítja.

A C-görbék értelmezése

A függőleges tengelyen a hőmérséklet, a vízszintes tengelyen pedig rendszerint a logaritmikus idő szerepel. Az acélt ausztenitesítik, gyorsan lehűtik a diagram egy pontjáig, majd vízszintesen tartják. Ha ez a vízszintes egyenes 650 °C-on metszi először az átalakulás kezdetét jelző görbét, akkor a metszéspontig eltelt idő az inkubációs idő, vagyis az érzékelhető átalakulást megelőző időszak. A további tartás során a szerkezet a megfelelő befejező görbe felé halad. A két görbe közötti tartomány az át nem alakult ausztenit és az átalakulási termék keverékét jelenti, nem pedig egyetlen, pontosan meghatározott hőmérséklethez tartozó fázist.

A görbék köztes hőmérsékleten rendszerint a rövid időtartamok felé hajlanak, és „orrot” alkotnak. Az átalakulás e közelében a leggyorsabb, mivel a hajtóerő jelentős, miközben az atommozgás még kellően gyors. Magasabb hőmérsékleten a kis hajtóerő lassítja a magképződést; alacsonyabb hőmérsékleten a csökkent diffúzió lassítja a növekedési folyamatot. Az orr ezért idő–hőmérséklet-feltételt jelez, nem pedig egyetlen kritikus hőmérsékletet.

A megfelelő tartomány feletti vízszintes tartás durva perlitet eredményezhet; alacsonyabb hőmérsékleten finomabb perlit vagy bainit képződhet, az összetételtől és a diagramtól függően. A pontos határok a szén, a mangán, a króm, a molibdén és a szilícium mennyiségével, a korábbi ausztenitszemcse-mérettel, valamint az ausztenitesítési gyakorlattal változnak. A szilícium például a magasabb hőmérsékletek felé tolja el az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. A hevítési és a hűtési kritikus hőmérsékleteknek még egymással sem kell egybeesniük: az ASM International (2024) szerint lassú hűtés esetén a hevítési kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtési értékeknél.

A TTT-görbe nem alkalmazható közvetlenül olyan alkatrészre, amely folyamatosan hűl. Egy kemence, olajfürdő, hegesztési varrat vagy vastag keresztmetszet nem vízszintes tartási szakaszt, hanem ferde hőmérséklet–idő pályát követ. E pálya során az anyag áthaladhat olyan hőmérsékleteken, ahol az átalakulás megkezdődik, azonban a rendelkezésre álló idő folyamatosan változik. Ehhez a feladathoz a folyamatos hűtéses átalakulási (CCT-)diagram a megfelelő eszköz. Az SAE 1141 acélt vizsgáló NIST-tanulmány (1990) CCT-adatokat használ az edzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, szilárdság, keménység, megmunkálhatóság és kifáradási tulajdonságok előrejelzésére. A TTT-diagram továbbra is adhat támpontot, de folyamatos hűtésre történő alkalmazását alá kell támasztani, gyakran számított hűlési görbékkel vagy kísérletileg meghatározott CCT-adatokkal.

Rekonstruktív és elmozdulásos átalakulási tartományok

A sok acél-diagramon látható különálló C-görbék különböző mechanizmusokat tükröznek, nem csupán ugyanazon esemény eltérő elnevezéseit. A rekonstruktív átalakulások során az atomoknak át kell haladniuk a határfelületeken, és diffúzióval járó folyamatok révén át kell rendeződniük. A perlit a szokásos példa: a ferrit és a cementit úgy alakul ki, hogy a szén megoszlik, miközben a vasrács ausztenitesből ferrites tartományokká változik. A proeutektoidos ferrit és a proeutektoidos cementit szintén ebbe a diffúzióvezérelt csoportba tartozik, amikor az eutektoidos reakció előtt képződik.

A bainit más tartományt foglal el. Cambridge The Bainite Reaction című munkája (2024) szerint a bainit növekedése a vasrács szempontjából diffúziómentes, és termodinamikailag a T₀-hőmérséklet alatt lehetséges, ahol az azonos összetételű bainit szabadentalpiája kisebb az auszteniténél. Az átalakulás ezért a vasrács elmozdulásos változását olyan szén-újraeloszlási vagy -kiválási folyamatokkal kapcsolja össze, amelyek meghatározzák a végső bainites szerkezetet. Nem szabad egyszerűen „finom perlitként” kezelni.

A martenzit akkor képződik, amikor az ausztenitet kellően gyorsan hűtik ahhoz, hogy a rekonstruktív átalakulások elnyomódjanak. A rács összehangolt elmozdulással változik meg, a képződés során lényegében nincs hosszú távú diffúzió. A martenzites tartományt ezért hőmérsékletek, nem pedig a szokásos időfüggő C-görbék jelölik.

Ms, Mf és a visszamaradt ausztenit

Ms, vagyis a martenzitképződés kezdőhőmérséklete akkor érhető el, amikor az ausztenit hűtése lehetővé teszi a martenzit képződésének megkezdődését. Az átalakulás a releváns tartományban atermikus: a képződött mennyiség elsősorban az elért hőmérséklettől függ, nem pedig az állandó hőmérsékleten végzett tartási időtől. Mf, vagyis a martenzitképződés befejező hőmérséklete az a névleges hőmérséklet, amelyen a meghatározott martenzites átalakulás befejeződik.

Az Mf a szobahőmérséklet alatt is lehet. Ebben az esetben a szobahőmérsékletre történő lehűtés után az ausztenit egy része változatlan marad. Ez visszamaradt ausztenit, nem pedig egy egyszerű hőmérséklet-lekérdezéssel kiválasztott, különálló egyensúlyi fázis. Kialakulása az összetétel és a hűlési pálya következménye, mennyisége pedig a későbbi megeresztés, üzemi igénybevétel vagy alakváltozás során változhat.

A szén mindhárom mennyiségre erős hatást gyakorol. A Cambridge-i Egyetem TTT-anyaga (2012) bemutatja, hogy a szén hatással van az Ms-re, az Mf-re és a visszamaradt ausztenit hányadára: a széntartalom növekedése általában csökkenti az Ms- és Mf-értéket, és növeli az adott hűtési kezelés után megmaradó ausztenit hányadát. Az ötvözőelemek és a korábbi feldolgozás szintén módosítják az eredményt. Ezért az egyik diagramon Ms-sel jelölt vonal az adott acélhoz és annak vizsgálati körülményeihez tartozik; nem másolható át kritikátlanul egy másik acélminőségre vagy alkatrészre.

CCT-diagramok és az ipari hűtési utak valósága

Folyamatos hűtés az átalakulási tartományokon keresztül

Az idő–hőmérséklet–átalakulás (TTT) diagram azt írja le, mi történik, amikor az ausztenitet egy kiválasztott hőmérsékleten tartják. Ez a feltétel hasznos az izoterm reakciók vizsgálatához, de nem ez egy acélalkatrész szokásos termikus története. A kovácsdarabok a szerszámból kikerülve folyamatosan hőt veszítenek. A hengerelt termékek változó hőmérséklet-mezőn keresztül hűlnek. A normalizált és lágyított acélok kemencében vagy levegőn történő hűtés közben áthaladnak az átalakulási tartományokon, míg az edzett alkatrészek gyakran gyorsan keresztezik ezeket a tartományokat, mielőtt elérnék a martenzitképződés kezdőhőmérsékletét, az Ms-t.

Ezért a folyamatos hűtéses átalakulási (CCT) diagram gyakran gyakorlatiasabb térkép. Az átalakulás kezdetét és végét jelző határvonalakat folyamatosan csökkenő hőmérséklettel szemben ábrázolják. A diagramra rajzolt hűlési görbe megmutatja, hogy az ausztenit mikor és mennyi ideig tartózkodik abban a hőmérséklet-tartományban, amelyben egy adott termék kialakulhat. A görbe beléphet a ferritképződés kezdő tartományába, folytatódhat a perlites átalakulásban, áthaladhat a bainitképződési tartományon, végül pedig keresztezheti az Ms-t, így a fennmaradó ausztenit martenzitté alakul. A végső szövetszerkezet ezért keverék is lehet, nem csupán egyetlen elnevezett fázis vagy átalakulási termék.

A különbségtétel azért fontos, mert a ferrit, a perlit, a bainit és a martenzit nem azonos mechanizmussal képződik. A proeutektoidos ferrit vagy cementit a hipoeutektoidos, illetve hipereutektoidos acélokban az eutektoidos reakció előtt is kialakulhat. Az eutektoidos összetétel közelében, megközelítőleg 0,8 tömeg% szénnél és 723 °C-on, az ausztenit a Cambridge-i Egyetem Materials Science & Metallurgy című, 2002-es anyaga szerint a γ → α + Fe₃C reakción megy keresztül. Ebben az α a ferrit, az Fe₃C pedig a cementit. A Cambridge-i Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) az ausztenitet lapközepes köbös, a ferritet térközepes köbös, a cementitet pedig ortorombos Fe₃C szerkezetűként azonosítja.

Alacsonyabb hőmérsékleten bainit képződhet olyan átalakulással, amely a vasrácsra nézve diffúziómentes, bár a szén újraeloszlása továbbra is fontos az átalakulás és termékei szempontjából. A Cambridge-i The Bainite Reaction (2024) szerint a bainit növekedése a T₀-hőmérséklet alatt termodinamikailag lehetséges, ahol a bainit szabadentalpiája alacsonyabb, mint az azonos összetételű ausztenité. Ha a hűtés kellően gyors, a diffúzió által vezérelt termékek elkerülhetők. Ekkor az ausztenit rácsa elmozdulásos mechanizmussal martenzitté változik, az átalakulás pedig az Ms-nél kezdődik. A martenzitképződés atermikus, ezért a kialakuló mennyiség főként attól függ, hogy a hőmérséklet mennyivel süllyed az Ms alá, nem pedig attól, hogy mennyi ideig tartják az anyagot egy adott hőmérsékleten.

A CCT-görbe sem az „acél” univerzális tulajdonsága. Az ausztenitesítés hőmérséklete, a tartási idő, a korábbi ferrit-perlites vagy bainites szerkezet, a szemcseméret, az ötvözőtartalom és a hűtőközeg mind befolyásolja az eredményt. A szilícium például növeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. Még a hevítés és a hűtés során mért kritikus hőmérsékletek sem feltétlenül esnek egybe: az ASM International Critical Temperature Ranges (2024) című kiadványa szerint lassú hűtés esetén a hevítési kritikus hőmérsékletek hozzávetőleg 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtési értékeknél.

Az SAE 1141 példája

A National Institute of Standards and Technology Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) című jelentése hasznos gyakorlati példát nyújt. Az SAE 1141 újrakénezett, közepes széntartalmú acél, amelyet általában az SAE/AISI 1141 anyagminőség-jelöléssel adnak meg. A kén hozzáadása javítja az automata megmunkálhatóságot, de az anyagminőség továbbra is érzékenyen reagál a széntartalom, az ausztenit állapota, a hűtési sebesség és a keresztmetszeti geometria együttes hatására.

A NIST vizsgálatában a CCT-adatokat arra használják, hogy az ausztenit hűlési útját összekapcsolják a szobahőmérsékleten kialakuló szerkezettel, nem pedig arra, hogy az anyagminőséghez egyetlen átalakulási hőmérsékletet rendeljenek. Egy viszonylag lassú hűlési út a ferrit- és perlitképződési tartományokat is keresztezheti, mielőtt elérné az alacsonyabb hőmérsékleteket. A gyorsabb hűlési út elnyomhatja ezen reakciók egy részét vagy egészét, beléphet a bainitképződési tartományba, vagy elkerülheti a diffúziós átalakulást egészen addig, amíg keresztezi az Ms-t és martenzit képződik. Ha a hűlési görbe egynél több átalakuláskezdeti tartományt keresztez, a kialakuló acél proeutektoidos ferritet és perlitet, perlitet és bainitet, bainitet és martenzitet, illetve több terméket együttesen is tartalmazhat. A hűtés leállásakor át nem alakult ausztenit visszamaradó ausztenitként fennmaradhat.

Ez utóbbi hányad nem jelentéktelen részlet. A Cambridge-i Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) kifejezetten azonosítja a szén hatását az Ms-re, a martenzitképződés befejező hőmérsékletére, az Mf-re, valamint a visszamaradó ausztenit hányadára. Ha az acélt csak az Mf fölötti hőmérsékletre hűtik, bizonyos mennyiségű ausztenit megmaradhat. Ez később az üzemelés, a megmunkálás vagy egy további hőkezelés során átalakulhat, megváltoztatva a méreteket és a feszültségi állapotot.

A SAE 1141-ről készült NIST-vizsgálat közvetlenül rámutat a gyakorlati lényegre: az acél CCT-diagramja felhasználható az edzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleten kialakuló mikroszerkezet, szilárdság, keménység, megmunkálhatóság és kifáradási tulajdonságok előrejelzésére. Ezek az előrejelzések becslések; nem helyettesítik a tényleges hőciklus és a keresztmetszet ellenőrzését. A felületi hűlési görbe jóval az átalakulási határvonalaktól balra haladhat, miközben a középpont lassabban hűl, és ferrit, valamint perlit képződik benne. Ugyanazon alkatrésznek ezért kemény martenzites kérge és lágyabb, kevert szerkezetű magja lehet.

Edzhetőség, keresztmetszeti méret és a tulajdonságok előrejelzése

Az edzhetőséget gyakran összekeverik a keménységgel. A két fogalom eltérő jellemzőt jelöl. A keménység egy adott állapotban a benyomódással vagy alakváltozással szembeni ellenállást írja le. Az edzhetőség azt fejezi ki, hogy az acél meghatározott ausztenitesítési hőkezelés és hűtési feltételek mellett képes-e martenzitet képezni, illetve milyen mélységig képes erre. A nagy edzhetőségű acélhoz nem rendelhető egyetlen univerzális keménységérték. A keménység továbbra is függ a széntartalomtól, a martenzit hányadától, a megeresztéstől és a helyi hűlési sebességtől.

A keresztmetszeti méret megváltoztatja ezt a hűlési sebességet. Egy vékony rúd teljes keresztmetszetében elég gyorsan hűlhet ahhoz, hogy elkerülje a ferrit- és perlitképződést. Egy vastag kovácsdarabban a középpontban tárolt hő lelassítja a hűlési görbét, így a görbe beléphet olyan átalakuláskezdeti tartományokba, amelyeket a felület elkerül. A középpontban ezután bainit vagy perlit lehet jelen, miközben a felület martenzitet tartalmaz. Ez a hőmérséklet-gradiens a térfogatváltozás és az átalakulási feszültség különbségeit is létrehozza, ami hozzájárulhat a vetemedéshez, az edzési repedésekhez és a maradó feszültségek kialakulásához.

A CCT-értelmezésnek ezért a tényleges technológiai folyamatból kell kiindulnia: az ausztenitesítés hőmérsékletéből és idejéből, a kemencével vagy a szerszámmal való érintkezésből, az áthelyezés közbeni késedelemből, a hűtőközegből, a keverésből, az alkatrész helyzetéből és a helyi keresztmetszeti vastagságból. A megjósolt termékek ezután utat adnak a tulajdonságok meghatározásához. A ferrit és a durva perlit általában csökkenti a szilárdságot és a keménységet, miközben a nem megeresztett martenzithez képest javítja a megmunkálhatóságot; a bainit köztes és erősen a körülményektől függő helyet foglal el; a martenzit növeli a keménységet és a szilárdságot, de megeresztés nélkül csökkentheti a szívósságot. A kevert szerkezetek és a gradiensek a kifáradást is befolyásolják, mivel a helyi keménység, a maradó feszültség, a zárványok és a visszamaradó ausztenit módosítják a repedésindulást és a repedésterjedést. Egy hőmérsékletérték kikeresése ezeket a hatásokat nem képes megragadni. Egy hűlési út igen.

Miért változnak az átalakulási hőmérsékletek az acélok és az eljárások között?

Az átalakulási hőmérséklet nem az „acél” univerzális táblázati értéke. Olyan feltételt jelöl, amely mellett egy meghatározott összetételű anyagban és meghatározott hőmérsékleti úton egy adott fázisátalakulás lehetővé válik vagy kimutathatóvá válik. Az eredmény attól is függ, hogy az ábra egyensúlyi állapotot, izoterm hőntartást vagy folyamatos hűtést ír-e le. A perlit, a bainit, a martenzit, a proeutektoidos ferrit és a proeutektoidos cementit különböző átalakulási termékek, nem pedig egyetlen hőmérséklet egymással felcserélhető elnevezései.

A széntartalom és az ötvözet kémiai összetétele

A szén az egyensúlyi határvonalakat és a hűtés során kialakuló termékeket egyaránt módosítja. A vas–szén rendszerben az eutektoidos reakció körülbelül 0,8 tömegszázalék széntartalomnál és 723 °C-on megy végbe:

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

A Cambridge-i Egyetem Materials Science & Metallurgy (2002) című kiadványa ezt a reakciót az ausztenit ferritté és cementitté történő átalakulásaként adja meg. Az ausztenit lapközepes köbös, a ferrit térközepes köbös, a cementit pedig ortorombos Fe₃C szerkezetű, amint azt a Cambridge Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) című kiadványa ismerteti. A széntartalom megváltoztatja az eutektoidos összetételt és hőmérsékletet, valamint azt is, hogy melyik fázis jelenik meg az eutektoidos reakció előtt. A hipereutektoidnál kisebb széntartalmú acélokban proeutektoidos ferrit, a hipereutektoidos acélokban pedig proeutektoidos cementit képződhet.

A szén módosítja azt a hőmérsékletet is, amelyen a martenzitképződés megkezdődik (Ms), valamint azt a hőmérsékletet, amelyen a martenzites átalakulás lényegében befejeződik (Mf). A Cambridge Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) kifejezetten megállapítja, hogy a szén hatással van az Ms és Mf értékére, valamint a visszamaradt ausztenit hányadára. A széntartalom növelése általában csökkenti az Ms és Mf értékét. Ha az Mf a szobahőmérséklet alá esik, az ausztenit egy része átalakulatlanul maradhat. Ez a visszamaradt ausztenit nem azt bizonyítja, hogy az acél nem érte el egyetlen, rögzített „edzési hőmérsékletet”; az anyag összetételét és a hűtés végpontját tükrözi.

A mechanizmus meghatározó. A perlit és a proeutektoidos termékek kialakulásához a szén újraeloszlása szükséges, ezért ezek diffúzióvezérelt átalakulások. A martenzit gyors, elmozdulásos változással alakul ki, amely lehetővé teszi a vasrács átalakulását anélkül, hogy a cementitképződéshez szükséges hosszú távú széndiffúzió végbemenne. A bainit köztes leírást képvisel: a Cambridge The Bainite Reaction (2024) című kiadványa szerint növekedése a vasrács szempontjából diffúziómentes, és termodinamikailag a T₀ hőmérséklet alatt lehetséges, ahol az azonos összetételű bainit szabadenergiája kisebb az auszteniténél.

Az ötvözőelemek módosíthatják ezeket az összefüggéseket, hatásukat azonban nem szabad azonosnak tekinteni. Erre dokumentált példa a szilícium. Az ASM International szerint a szilícium növeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. Következésképpen a szilíciumot tartalmazó acélok nem értelmezhetők módosítás nélküli, egyszerű vas–szén diagram alapján. Ez azonban nem indokolja, hogy minden ötvözőelemre egyetlen korrekciót alkalmazzunk: az egyes elemek a fázisstabilitást, a diffúziót, a karbidok kémiáját vagy ezek kombinációját módosítják.

A hevítési és hűtési hiszterézis

A hevítés során mért hőmérsékletnek nem kell megegyeznie a hűtés során mért hőmérséklettel. Hevítéskor a ferritnek és a cementitnek fel kell oldódnia, az ausztenitnek pedig ki kell csíráznia és növekednie kell; ehhez hőaktiváció és idő szükséges. Hűtéskor az ausztenit eltérő csíraképződési és növekedési folyamat révén bomlik le. Az átalakulás ezért akkor is hiszterézist mutat, ha a kemence lassan változtatja a hőmérsékletet.

Az ASM International Critical Temperature Ranges (2024) című kiadványa szerint lassú hűtési körülmények között a hevítéshez tartozó kritikus hőmérsékletek körülbelül 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtés során mérteknél. Ez egy számszerűsített forrásállítás, nem pedig minden kemenceciklusra vagy ötvözetre érvényes univerzális korrekció. A gyorsabb hevítés növelheti a látszólagos túllendülést, mivel a diffúzió és a csíraképződés késik a mért hőmérséklethez képest. A gyors edzés elegendő ideig gátolhatja a perlit és a bainit kialakulását ahhoz, hogy martenzit képződjön, míg az izoterm hőntartás olyan hőmérsékleten is létrehozhat átalakulást, amely nem felelne meg a folyamatos hűtési diagram kezdőpontjának.

Ez a különbség választja el az olyan egyensúlyi hőmérsékleteket, mint az Ae1, Ae3 és Aecm, a hevítés és hűtés során mért gyakorlati Ac és Ar hőmérsékletektől. A TTT-diagram az ausztenitesítés utáni izoterm hőntartás során bekövetkező átalakulást írja le. A CCT-diagram folyamatosan változó hőmérsékletet követ. A NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) című kiadványa CCT-adatokat használ az edzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleten kialakuló mikroszerkezet, szilárdság, keménység, forgácsolhatóság és kifáradási tulajdonságok előrejelzésére. A CCT-görbe ezért technológiai térkép, nem pedig a fázisegyensúlyi adatok helyettesítője.

A korábbi ausztenitszemcse-méret, az idő és a hőmérséklet-gradiensek

Az ausztenitesítési idő többet változtat, mint amit a hőmérő leolvasása sugall. Az elegendően hosszú hőntartás feloldhatja a karbidokat, homogenizálhatja a széntartalmat, és lehetővé teheti az ausztenitszemcsék növekedését. Az elégtelen idő oldatlan karbidot, illetve szénben gazdag és szénben szegény régiókat hagyhat vissza, ezért ugyanazon alkatrész különböző részei eltérő átalakulási hajlammal kezdik meg a hűlést. A túl hosszú hőntartás rendszerint durvább korábbi ausztenitszemcséket eredményez, ami csökkenti a csíraképződéshez rendelkezésre álló teljes szemcsehatárfelületet, és gyakran késlelteti a diffúziós átalakulásokat.

A korábbi ausztenitszemcse-méret ezért a kinetikát módosítja, nem pedig új egyensúlyi összetételt hoz létre. A finom szemcsék több csíraképződési helyet biztosítanak, és hűtés közben elősegíthetik a ferrit vagy a perlit korábbi kialakulását. A durva szemcsék növelhetik az edzhetőséget azáltal, hogy késleltetik ezeket a szemcsehatárokon képződő termékeket, így az ausztenit nagyobb hányada érheti el a bainites vagy martenzites átalakuláshoz szükséges feltételeket. A pontos eltolódás a széntartalomtól, az ötvözet kémiai összetételétől, a szemcsehatárok állapotától és a hűtési sebességtől függ.

A tényleges alkatrészek hőmérsékletváltozása ritkán követi egyenletesen a kemence programját. Egy vastag keresztmetszet a felületéről hőt ad le, miközben a magja meleg marad, ezért a keresztmetszet különböző részein eltérő hűtési sebességek alakulnak ki. A kemence hőmérsékletének egyenletessége, a töltet elrendezése, a készülékekkel való érintkezés és a felületi oxidáció tovább módosítja a tényleges hőmérsékleti előzményeket. A felület áthaladhat a perlit- vagy bainittartományon, miközben a mag még e tartomány felett van; később pedig a mag a felületénél lassabb hűtés mellett alakulhat át. Ezért egyetlen névleges hőkezelés különböző helyeken ferritet, perlitet, bainitet, martenzitet és visszamaradt ausztenitet eredményezhet. A hőmérséklet számít, de a hőmérsékleten keresztül megtett út határozza meg, hogy melyik átalakulási termék jelenik meg.

Olvasási szabványok, minőségjelölések és az átalakulási terminológia

SAE 1141 és a minőségspecifikus diagramok korlátai

Az átalakulási diagram egy adott összetételhez és meghatározott termikus úthoz tartozó feljegyzés, nem pedig univerzális hőmérséklet-táblázat. A SAE 1141 jelölésű CCT-diagram arra a kémiára, ausztenitesítő hőkezelésre, próbatestméretre és vizsgálati módszerre vonatkozik, amelyekkel az adott diagramot létrehozták. Nem szabad „a szénacél diagramjaként” átnevezni, még kevésbé minősítés nélkül alkalmazni gyengén ötvözött acélra, rozsdamentes acélra vagy szerszámacélra.

A különbség azért fontos, mert az ötvözőelemek módosítják a fázisstabilitást, a diffúziós sebességeket, a karbidképződést és az átalakulási kinetikát. A szén megváltoztatja az ausztenit–martenzit átalakulási tartományát és a visszamaradt ausztenit hányadát; a Cambridge-i Egyetem 2012-es Az acél idő–hőmérséklet–átalakulási diagramja című anyaga kifejezetten az Ms, Mf és a visszamaradt ausztenit hányadára gyakorolt hatásokat azonosítja. Az ASM International 2024-es Kritikus hőmérséklet-tartományok című kiadványa szerint a szilícium magasabbra emeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. A nikkel, a króm, a molibdén és a mangán eltolhatja az átalakulási görbéket, valamint késleltetheti a diffúziós termékek kialakulását. Egy rozsdamentes acélminőség olyan ferrit-, ausztenit- vagy intermetallikus fázistereket is tartalmazhat, amelyek hiányoznak egy egyszerű szénacél diagramjáról, míg a szerszámacélok olyan ötvözött karbidokat képezhetnek, amelyek mind az egyensúlyi, mind a megfigyelt átalakulási termékeket módosítják.

Még a jól ismert, csak vasat tartalmazó referencia is összetételspecifikus. Cambridge 2005-ös Rozsdamentes acélok: fázisegyensúlyok című anyaga a lapközepes köbös ausztenitet tiszta vasban hozzávetőlegesen 910–1400 °C között helyezi el, és hozzávetőlegesen 1539 °C-os olvadási hőmérsékletet ad meg. Ezek az értékek nem határozzák meg a SAE 1141 kritikus hőmérsékleteit. A NIST 1990-es A SAE 1141 acél folyamatos hűtés alatti átalakulási jellemzői című kiadványa bemutatja a minőségspecifikus CCT-diagram megfelelő használatát: az edzhetőség becslését, valamint a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, a szilárdság, a keménység, a forgácsolhatóság és a kifáradási tulajdonságok előrejelzését meghatározott hűtési feltételek mellett.

A hivatkozott hőmérséklethez ezért a bizonyítékot is hozzá kell rendelni. Fel kell tüntetni a minőségjelölést és a szabványt, az összetétel alapját — névleges összetétel, olvadékelemzés vagy mért összetétel —, továbbá a kiindulási mikroszerkezetet, az ausztenitesítési hőmérsékletet és a hőntartási időt, a fűtési vagy hűtési sebességet, a próbatest geometriáját, a diagram típusát és a mérési módszert. A dilatometriás vizsgálat, a differenciális termikus analízis, az elektromos ellenállás mérése és a metallográfiai megszakítás eltérő látszólagos kezdő- és befejező hőmérsékleteket eredményezhet.

Az Ae, Ac, Ar, Ms, Mf és Aecm jelölések

Az Ae előtag egyensúlyi átalakulási hőmérsékletet jelöl. Így az Ae1 az eutektóidos határ egyensúlyi feltételek mellett, míg az Ae3 az ausztenitből hipoutektóidos acélban kialakuló ferrithez kapcsolódó felső határ. Az Aecm a szénben dús oldalon található egyensúlyi ausztenit–cementit határt jelöli. A „cm” alsó index a cementitre, vagyis a Fe₃C-re utal.

A hozzávetőlegesen eutektóidos összetétel 0,8 tömegszázalék szén. Körülbelül 723 °C-on a Cambridge-i Egyetem 2002-es Anyagtudomány és metallurgia című anyaga a γ → α + Fe₃C reakciót adja meg. Itt a γ az ausztenit, az α pedig a ferrit. Ez az egyenlet az egyensúlyi állapotban jelen lévő fázisokat írja le; nem jelenti azt, hogy minden, 723 °C-on lehűtött acélban perlit képződik.

Az Ac előtag a hevítés közben mért kritikus hőmérsékletre, míg az Ar a hűtés közben mért kritikus hőmérsékletre utal. Az Ac1 és az Ar1 eltérhet egymástól, mivel a csíraképződés, az oldódás, a diffúzió és a termikus késés a sebességtől és a kiindulási szerkezettől függ. Az ASM International beszámolója szerint lassú hűtés esetén a hevítéskor mért kritikus hőmérsékletek hozzávetőlegesen 33 °C-kal magasabbak lehetnek, mint a hűtéskor mért értékek. Az Ms a martenzitképződés kezdő hőmérséklete hűtés közben, az Mf pedig a martenzitképződés befejező hőmérséklete. A martenzit diszplacív, nagyrészt diffúziómentes termék; az Mf alá történő elégtelen lehűtés visszamaradt ausztenitet hagyhat maga után. A TTT-diagramok rendszerint feltüntetik az Ms értékét, míg a CCT-diagramok azt mutatják, hogyan metszi a folyamatos hűtés a perlit-, bainit- és martenzittartományokat.

Fázisok, szerkezeti alkotók és a mikroszerkezet leírása

A fázis az anyag fizikailag és kémiailag elkülönülő része, amely meghatározott szerkezettel és összetételtartománnyal rendelkezik. Cambridge 2008-as Az acélok mikroszerkezetének értelmezése című anyaga az ausztenitet lapközepes köbös, a ferritet térközepes köbös, a cementitet pedig ortorombos Fe₃C szerkezetűként azonosítja. Egy egyensúlyi diagram fázistere megjósolja, hogy egy adott összetétel és hőmérséklet mellett mely fázisok stabilak. Nem fénykép, és nem határozza meg a részecskeméretet, a térközt, a morfológiát vagy az átalakulás sebességét.

A szerkezeti alkotó egy megfigyelt mikroszerkezeti termék vagy aggregátum. A perlit rendszerint ferrit–cementit aggregátum; a bainit ferrites tartományokat és egy sajátos átalakulási mechanizmus révén létrejött karbidelrendeződéseket tartalmaz; a martenzit pedig túltelített, átalakult ferrit jellegzetes morfológiával és széntartalommal. Az ASM International a perlitet, a bainitet, a martenzitet, a proeutektoidos ferritet és a proeutektoidos cementitet az ausztenit fő átalakulási termékei közé sorolja izotermális és folyamatos hűtési feltételek mellett egyaránt. Cambridge 2024-es A bainitreakció című anyaga szerint a bainit növekedése a vasrács tekintetében diffúziómentes, és termodinamikailag T₀ alatt lehetséges, ahol a bainit szabadentalpiája alacsonyabb, mint az azonos összetételű ausztenité.

A jelentésekben ezért el kell különíteni a számított fázistereket a mért szerkezeti alkotóktól. Meg kell adni, hogy a forrás egyensúlyi Fe–C vagy Fe–Fe₃C diagram, TTT-diagram vagy CCT-diagram, majd azonosítani kell, hogyan detektálták az átalakulást, és hogyan vizsgálták a végső szerkezetet. A polírozott és maratott kép, a röntgendiffrakciós eredmény, a dilatometriás görbe és a keménységprofil eltérő kérdésekre ad választ. A hőmérséklet e háttér nélkül hiányos jelölés.

Az ábrától a mikroszerkezetig: fegyelmezett értelmezési munkafolyamat

Az átalakulási diagram nem hőmérséklet-keresőtábla. Meghatározott összetételhez, próbaanyag-állapothoz, hevítési vagy hűtési programhoz és kísérleti módszerhez tartozó térkép. Ezért a fegyelmezett kérdés nem az, hogy „Milyen fázis képződik 700 °C-on?”, hanem az, hogy „Milyen anyag van jelen, milyen utat járt be, és mely átalakulási mechanizmusoknak volt idejük működni?”

Az összetétellel és a tervezett hőúttal kell kezdeni

Kezdje az acél jelölésének és kémiai összetételének rögzítésével. A „szénacél” megnevezés megbízható előrejelzéshez túl tág. Egy egyszerű szénacélból készült eutektoidos acél másképpen viselkedik, mint az SAE 1141, és mindkettő eltér az olyan ötvözött minőségektől, amelyek krómot, molibdént, nikkelt, mangánt vagy szilíciumot tartalmaznak. Rögzítse a szén- és ötvözőelem-tartalmat, a kiindulási állapotot, az ismert szemcseméretet, a szelvényvastagságot, az ausztenitesítési hőmérsékletet, a hőntartási időt, valamint a hevítési és hűtési sebességeket.

A jelölést azokban az esetekben, amikor a döntések eredménye ettől függ, ellenőrizni kell a tényleges adaganalízissel. A kémiai összetétel kis változásai eltolhatják az átalakulási hőmérsékleteket, és módosíthatják az átalakulási termékek arányát. A szilícium például növeli az átalakulási hőmérséklet-tartományt, csökkenti a szén oldhatóságát az ausztenitben, és elősegíti a vas-karbid disszociációját. Még a hőmérsékletváltozás iránya is számít: az ASM International adatai szerint lassú hűtés esetén a hevítéskor mért kritikus hőmérsékletek hozzávetőleg 33 °C-kal magasabbak lehetnek a hűtéskor mért értékeknél.

Ezután osztályozza a hőkezelési folyamatot. Az egyensúlyi számítás rendkívül lassú változásokat és elegendő időt feltételez ahhoz, hogy a fázisok megközelítsék egyensúlyi összetételüket. Az izoterm kezelés során az acélt gyorsan egy kiválasztott hőmérsékletre hozzák, majd azon hőntartják; ezt az állapotot egy TTT-diagram ábrázolja. Folyamatos hűtésű kezelés során a hőmérséklet változik, és ezt CCT-diagram ábrázolja. A kemencében történő hűtés, a levegőn történő hűtés, az olajos edzés és a vizes edzés folyamatos hőutak, nem pedig izoterm hőntartások, még akkor sem, ha végső hőmérsékletük hasonló.

Az ismert Fe–C-diagram hasznos határvonalakat ad meg, de nem jósol meg minden ipari mikroszerkezetet. Tiszta vasban a térközepes köbös ausztenit hozzávetőleg 910 és 1400 °C között stabil, a tiszta vas olvadáspontja pedig hozzávetőleg 1539 °C a Cambridge-i Egyetem Stainless Steels: Phase Equilibria (2005) című kiadványa szerint. Ezek az értékek ötvözött acélra változatlanul nem alkalmazhatók. Körülbelül 0,8 tömegszázalék széntartalomnál és 723 °C-on az eutektoidos reakció γ → α + Fe₃C, de egy valódi acélban az eutektoidos alkotóelem képződése előtt proeutektoidos ferrit vagy cementit is jelen lehet.

Az útvonal követése TTT- vagy CCT-adatokon keresztül

Válassza a folyamathoz illeszkedő diagramot. TTT-diagramon jelölje ki az ausztenitesítési állapotot, gyorsan lépjen a hőntartási hőmérsékletre, majd olvassa le az átalakulás kezdetét és végét a hőntartás során. CCT-diagramon rajzolja be vagy válassza ki a tényleges hűtési görbét, és azonosítsa az egyes tartományokat, amelyeken áthalad. Ne vigye át közvetlenül a TTT-diagramon megadott kezdési időt CCT-kezelésre; az acél az átalakulás közben folyamatosan változó hőmérséklet-tartományon halad át.

Írja le kifejezetten a sorrendet. Egy hipoeutektoidos acélban először proeutektoidos ferrit képződhet az ausztenitből, amelyet perlit követ. Egy hipereutektoidos acélban a perlit előtt proeutektoidos cementit képződhet. Az a hűtési görbe, amely elkerüli a perlittartományt, beléphet a bainittartományba, majd keresztezheti az Ms értéket, vagyis a martenzitképződés kezdeti hőmérsékletét. A végső szerkezet ezért különböző arányban ferritet, perlitet, bainitet, martenzitet és visszamaradt ausztenitet tartalmazhat.

Ezek a megnevezések különböző jellegű dolgokat is leírnak. A ferrit, az ausztenit és a cementit fázisok: a Cambridge-i Egyetem Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) című kiadványa ezeket rendre térközepes köbös ferritként, lapközepes köbös ausztenitként és ortorombos Fe₃C-ként azonosítja. A perlit és a bainit jellegzetes fáziselrendeződésű átalakulási termékek, míg a martenzit diszplacív átalakulási termék. Egy átalakulási hőmérséklet határvonalat vagy eseményt jelöl, nem pedig egy garantáltan kialakuló végső alkotóelemet.

A mechanizmus számít. A rekonstrukciós átalakulások atomos diffúziót igényelnek, és ferritet, perlitet vagy cementitet hozhatnak létre, ha a hőút elegendő időt biztosít a szén újraeloszlásához. A martenzit az e reakciókhoz szükséges nagy távolságú kémiai diffúzió nélkül képződik. A bainitre a rácsváltozás és a szén újraeloszlásának eltérő kombinációja jellemző; a Cambridge-i Egyetem The Bainite Reaction (2024) című kiadványa szerint a bainit növekedése a vasrács szempontjából diffúziómentes, és termodinamikailag a T₀-hőmérséklet alatt lehetséges.

A martenzit nem automatikusan az utolsó termék. Ha az Ms szobahőmérséklet alatt van, vagy ha a hűtés az ausztenit teljes kimerülése előtt megszakad, visszamaradt ausztenit maradhat jelen. A Cambridge TTT-anyaga (2012) kifejezetten azonosítja a szenet mint az Ms-t, a martenzitképződés befejezési hőmérsékletét (Mf), valamint a visszamaradt ausztenit arányát befolyásoló tényezőt. Így az „edzett acél” vegyes szerkezetet is jelenthet, nem feltétlenül 100% martenzitet.

Az előrejelzések ellenőrzése mikroszkópiával és tulajdonságvizsgálattal

Az ábrából kapott eredményt tekintse előrejelzésnek. Ellenőrizze reprezentatív próbatest készítésével, az acélhoz megfelelő módszerrel végzett polírozással és maratással, majd a szerkezet optikai mikroszkópos, pásztázó elektronmikroszkópos vagy más megfelelő vizsgálatával. A metallográfia feltárhatja a ferrit morfológiáját, a perlitlamellák távolságát, a bainitkötegeket, a martenzitterületeket, a karbidhálózatokat, a dekarbonizációt és a szegregációt, bár egyes alkotóelemek gondos értelmezést igényelnek, mivel a maratási kontraszt nem közvetlen fázisjelölés.

Mérje a keménységet meghatározott helyeken, és adja meg a skálát, a terhelést és a mintavételi tervet. Az alkalmazástól függően egészítse ki a vizsgálatot szakító-, ütő-, fárasztó-, méret- vagy visszamaradt-ausztenit-mérésekkel. A keménység önmagában nem képes minden keveréket megkülönböztetni, és nem alkalmas a szívósság megállapítására.

Egy acél CCT-diagramja használható az edzhetőség becslésére, valamint a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, szilárdság, keménység, megmunkálhatóság és kifáradási tulajdonságok előrejelzésére. Limited evidence

A NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) című jelentése szemlélteti a CCT-adatok gyakorlati célját: egy ilyen diagram segítségével becsülhető az edzhetőség, és előre jelezhető a szobahőmérsékleti mikroszerkezet, a szilárdság, a keménység, a megmunkálhatóság és a fárasztó tulajdonságok. A „megjósol” azonban továbbra is a kulcsszó. Egy diagram adatkészlete meghatározott összetételhez, szemcseállapothoz, próbatestmérethez és vizsgálati eljáráshoz tartozik. Ha a hiba következménye jelentős, kövesse nyomon a hőutat, rögzítse az előre jelzett sorrendet, majd hasonlítsa össze a mikroszkópos és mért tulajdonságokkal, mielőtt elfogadná az átalakulási modellt.

Hivatkozások

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