Transformatietemperaturen en -fasen van staal

Wat transformatietemperaturen daadwerkelijk betekenen

Een transformatietemperatuur van staal is geen universeel getal dat naast een staalkwaliteit staat afgedrukt. Het is een grens of een waargenomen gebeurtenis die afhankelijk is van de samenstelling, de thermische voorgeschiedenis, de afmetingen van het proefstuk, de verwarmings- of afkoelsnelheid en het mechanisme waarmee de ene structuur in een andere verandert. De vermelde temperatuur kan het evenwicht beschrijven, het begin van een reactie tijdens het verwarmen, het begin van een reactie tijdens het afkoelen, of het punt waarop een bepaalde meting een verandering detecteert. Dit zijn onderling gerelateerde waarden, maar ze zijn niet uitwisselbaar.

Een fase is een fysisch onderscheiden structuur met een bepaalde kristalrangschikking en een bepaald samenstellingsbereik. In staal is austeniet (γ) vlakgecentreerd kubisch, ferriet (α) lichaamsgecentreerd kubisch en cementiet orthorombisch Fe₃C, zoals beschreven door de University of Cambridge in Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Een microstructuurbestanddeel is een microstructurele groepering die meer dan één fase kan bevatten. Perliet is bijvoorbeeld een bestanddeel dat uit ferriet en cementiet bestaat. Een transformatieproduct is de structuur die uit de oorspronkelijke fase wordt gevormd: perliet, bainiet, martensiet, pro-eutectoïd ferriet en pro-eutectoïd cementiet zijn de voornaamste producten die in de behandeling van austeniettransformaties door ASM worden geïdentificeerd.

Temperatuur (°C)

Het onderscheid is belangrijk omdat een temperatuur het verdwijnen van een fase kan markeren zonder het uiteindelijke bestanddeel te benoemen. Bij ongeveer 0,8 gew.% koolstof en 723 °C ondergaat austeniet de eutectoïde reactie γ → α + Fe₃C, volgens het Fe–C-materiaal van de University of Cambridge uit 2002. Die vergelijking vermeldt de evenwichtsproducten, ferriet en cementiet. Dat betekent niet dat elk staal met ongeveer 0,8 gew.% koolstof tijdens een werkelijke oven cyclus bij exact 723 °C dezelfde structuur vormt.

Evenwichtsgrenzen versus praktische kritische temperaturen

Evenwichtsnotatie beschrijft wat thermodynamisch stabiel is wanneer het systeem voldoende tijd heeft om het evenwicht te benaderen. Ae1 is de eutectoïde evenwichtstemperatuur: de grens waarbij austeniet en het mengsel van ferriet en cementiet naast elkaar kunnen bestaan bij de gespecificeerde samenstelling en druk. Ae3 is de bovenste evenwichtsgrens voor austeniet in hypoeutectoïd staal, die het austenietgebied scheidt van het gebied met austeniet en ferriet. Aecm is de overeenkomstige bovenste grens voor hypereutectoïd staal, die het austenietgebied scheidt van het gebied met austeniet en cementiet. Het subscript „e” duidt op evenwicht.

Bij langzaam afkoelen kunnen kritische temperaturen bij het verwarmen ongeveer 33 °C hoger zijn dan de waarden bij het afkoelen. Strong evidence

Operationele temperaturen worden gewoonlijk met een andere notatie geschreven. Ac1 en Ac3 verwijzen naar transformatietemperaturen die tijdens het verwarmen worden waargenomen; Ar1 en Ar3 verwijzen naar de temperaturen die tijdens het afkoelen worden waargenomen. De letters „c” en „r” geven verwarmings- en afkoelomstandigheden aan, en geen nieuwe evenwichtfasen. Tijdens het verwarmen begint austeniet mogelijk pas te vormen wanneer het materiaal Ae1 overschrijdt, omdat kiemvorming en diffusie tijd vereisen. Tijdens het afkoelen verschijnen ferriet, perliet of cementiet mogelijk pas wanneer het staal onder de evenwichtsgrens komt, omdat de reactie onderkoeling vereist. ASM International rapporteert dat bij langzaam afkoelen de kritische verwarmingstemperaturen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoelen (2024). Dat verschil is hysterese en geen fout in het fasediagram.

Ook de samenstelling verschuift deze grenzen. Koolstof verandert de stabiliteit van austeniet en de temperaturen waarbij ferriet, perliet, cementiet en martensiet kunnen worden gevormd. Legeringselementen verschuiven de grenzen en veranderen de reactiesnelheden; silicium verhoogt bijvoorbeeld het transformatietemperatuurbereik, verlaagt de oplosbaarheid van koolstof in austeniet en bevordert de dissociatie van ijzercarbide. Zelfs het referentiepunt van zuiver ijzer is al temperatuurafhankelijk: Cambridge situeert vlakgecentreerd kubisch austeniet bij ongeveer 910–1400 °C en de smelttemperatuur bij ongeveer 1539 °C (2005). Een staalkwaliteit kan daarom niet één vaste „austenitiseertemperatuur” van zuiver ijzer overnemen.

Verwarmen, afkoelen, isotherm houden en continu afkoelen

Verwarmen, afkoelen en houden leiden tot verschillende vragen. Bij het verwarmen gaat het erom wanneer ferriet en cementiet voldoende oplossen om austeniet te vormen. Door thermische vertraging kunnen de oventemperatuur, de oppervlaktetemperatuur en de kerntemperatuur van een dik onderdeel aanzienlijk van elkaar verschillen. Een pyrometeraflezing kan Ac1 overschrijden terwijl het midden dat nog niet heeft gedaan. De doorsnedeafmeting verandert daardoor het effectieve thermische pad, zelfs wanneer het nominale ovenprogramma identiek is.

Bij het afkoelen bepaalt het reactiepad het transformatieproduct. Langzaam afkoelen levert diffusiegestuurde, reconstructieve producten zoals pro-eutectoïd ferriet en perliet op, waarbij koolstof- en ijzeratomen zich kunnen herverdelen. Sneller afkoelen onderdrukt deze reacties en kan bainiet of martensiet vormen. Cambridge beschrijft de groei van bainiet als diffusieloos met betrekking tot het ijzerrooster en thermodynamisch mogelijk onder de T₀-temperatuur, waarbij bainiet een lagere vrije energie heeft dan austeniet met dezelfde samenstelling. Martensiet is een displacieve, in wezen diffusieloze transformatie: voor de vorming ervan hoeft koolstof geen grote afstanden af te leggen, hoewel het koolstofgehalte de begintemperatuur ervan sterk beïnvloedt.

Bij een isotherme transformatie wordt austeniet op één gekozen temperatuur gehouden nadat het snel tot die temperatuur is afgekoeld. Een TTT-diagram—een tijd-temperatuur-transformatiediagram—laat zien wanneer producten onder dergelijke houdomstandigheden beginnen en eindigen te vormen. De C-curven vertegenwoordigen tijdsafhankelijke reacties zoals perliet en bainiet, terwijl de martensietstarttemperatuur, Ms, een athermische transformatie markeert die voornamelijk wordt bepaald door de bereikte temperatuur en niet door een incubatietijd. Mf is de martensieteindtemperatuur, hoewel het afkoelen boven Mf kan stoppen en behouden austeniet kan achterlaten. Cambridge rapporteert dat koolstof invloed heeft op Ms, Mf en de fractie behouden austeniet (2012).

Een CCT-diagram registreert daarentegen transformaties tijdens continu afkoelen. De afkoelsnelheid bepaalt welke startcurven worden gekruist en hoe lang het staal in elk reactiegebied verblijft. Het Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel van NIST (1990) toont aan dat een CCT-diagram de hardbaarheid kan schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, de sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen kan voorspellen. Daarom is een CCT-waarde geen vervanging voor een Ae-waarde. Evenwichtsgrenzen beschrijven de toegestane fasestabiliteit; TTT- en CCT-diagrammen beschrijven wanneer werkelijke transformatieproducten langs specifieke thermische paden verschijnen.

Het ijzer-koolstofraamwerk: fasen, kristalstructuren en gebieden

Het ijzer-koolstofdiagram is een evenwichtskaart, geen tabel waarin men temperaturen kan opzoeken. De gebieden geven aan welke fasen thermodynamisch stabiel zijn bij een bepaalde samenstelling en temperatuur, uitgaande van voldoende tijd voor diffusie. Werkelijk staal volgt vaak een ander traject: verwarmings- en afkoelsnelheden verschuiven de transformatietemperaturen, legeringselementen veranderen de fasestabiliteit en snelle afkoeling kan diffusiegecontroleerde producten onderdrukken. Dezelfde nominale staalsoort kan daarom ferriet, perliet, bainiet, martensiet, achtergebleven austeniet of mengsels daarvan bevatten, afhankelijk van zijn thermische voorgeschiedenis.

Het diagram maakt ook onderscheid tussen een fase, een microstructureel bestanddeel en een transformatieproduct. Ferriet, austeniet en cementiet zijn fasen. Perliet is een tweefasig bestanddeel. Bainiet en martensiet zijn transformatieproducten waarvan de structuren en samenstellingen afhangen van de manier waarop austeniet ontleedt.

Ferriet, austeniet en cementiet

Ferriet, in deze context conventioneel aangeduid als α, is een ijzerrijke vaste oplossing met een lichaamsgecentreerde kubische (BCC) kristalstructuur. Koolstof heeft een zeer lage oplosbaarheid in BCC-ferriet, omdat de beschikbare interstitiële plaatsen klein zijn en zich slecht lenen voor koolstof. Bij normale temperaturen bevatten koolstofarme staalsoorten doorgaans ferriet als continue fase of matrixfase. Het relatief lage koolstofgehalte en het BCC-rooster helpen de lagere hardheid ervan ten opzichte van martensiet te verklaren.

Austeniet, aangeduid als γ, heeft een vlakgecentreerde kubische (FCC) kristalstructuur. Het FCC-rooster biedt grotere en gunstiger gelegen interstitiële plaatsen, waardoor het aanzienlijk meer koolstof oplost dan ferriet. Deze capaciteit om koolstof vast te houden is essentieel voor de warmtebehandeling van staal: bij het austenitiseren probeert men koolstof in γ op te nemen, waarna de afkoeling bepaalt of perliet, bainiet, martensiet of een ander mengsel ontstaat.

Voor zuiver ijzer vermeldt het materiaal Stainless Steels: Phase Equilibria van de University of Cambridge uit 2005 FCC-austeniet bij ongeveer 910–1400 °C. Dat interval is specifiek voor zuiver ijzer en is geen universeel bereik voor staal. Zuiver ijzer smelt bij ongeveer 1539 °C, terwijl koolstof en legeringstoevoegingen de fasegrenzen en transformatietemperaturen verschuiven.

Cementiet, Fe₃C, is een ijzercarbide met een orthorombische kristalstructuur. Het is een verbindingsfase die ongeveer 6,67 gewichtsprocent koolstof bevat, aanzienlijk meer dan het totale gehalte in gewone constructiestaalsoorten. Cementiet is hard en bros, en de hoeveelheid, vorm, onderlinge afstand en continuïteit ervan beïnvloeden het mechanische gedrag sterk. De bron Interpretation of the Microstructure of Steels van Cambridge uit 2008 identificeert de drie structuren rechtstreeks: austeniet is FCC, ferriet is BCC en cementiet is orthorombisch Fe₃C.

Deze aanduidingen beschrijven kristalstructuren en niet alleen het uiterlijk onder een microscoop. Een ferrietkorrel is één fase, ook als die defecten of kleine concentraties opgeloste stoffen bevat. Cementietdeeltjes in ferriet blijven een afzonderlijke fase, omdat hun samenstelling en kristalstructuur verschillen.

De eutectoïde samenstelling en reactie[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Een bruikbaar ordenend voorbeeld is het eutectoïde punt. Het materiaal Materials Science & Metallurgy van de University of Cambridge uit 2002 geeft voor de reactie ongeveer 0,8 gewichtsprocent koolstof en 723 °C:

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

Beide waarden zijn benaderingen en bronafhankelijk. Gepubliceerde diagrammen kunnen enigszins afwijkende waarden tonen als gevolg van referentietoestanden, experimentele gegevens, aannames over de legering of de gebruikte conventie voor het definiëren van een kritische temperatuur. De notatie zelf is belangrijker dan het behandelen van 0,8 gewichtsprocent en 723 °C als exacte constanten.

Bij de eutectoïde samenstelling transformeert austeniet in ferriet en cementiet wanneer de temperatuur door de evenwichtseutectoïde temperatuur daalt. Onder geschikte afkoelomstandigheden rangschikken deze fasen zich in afwisselende platen of lamellen, die perliet worden genoemd. Perliet is geen derde kristalstructuur en ook geen afzonderlijke fase. Elke ferrietlamel is BCC; elke cementietlamel is orthorombisch Fe₃C. Het patroon op kol स?ոնի-niveau is een transformatieproduct of microstructureel bestanddeel dat ontstaat door coöperatieve groei van twee fasen.

De afkoelsnelheid verandert de lamelafstand en soms ook het product zelf. Langzame afkoeling geeft koolstof de mogelijkheid over grotere afstanden te diffunderen en leidt doorgaans tot relatief grof perliet. Snellere afkoeling kan fijner perliet of bainiet opleveren, of — wanneer diffusie grotendeels wordt verhinderd — martensiet. ASM International rekent perliet, bainiet, martensiet, pro-eutectoïde ferriet en pro-eutectoïde cementiet tot de belangrijkste producten die uit austeniet ontstaan.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Daarom is “de transformatietemperatuur van staal” een onvolledige uitdrukking. Een evenwichtsdiagram levert waarden zoals Ae₁, de evenwichtseutectoïde temperatuur, terwijl verwarming en afkoeling Ac- en Ar-temperaturen opleveren die van elkaar kunnen verschillen. ASM’s Critical Temperature Ranges uit 2024 vermeldt dat bij langzame afkoeling de kritische temperaturen bij verwarming ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoeling. Isotherme transformatiediagrammen beschrijven een verblijf bij een geselecteerde temperatuur; continue-koeltransformatiediagrammen (CCT-diagrammen) beschrijven ononderbroken afkoeling. De NIST-studie Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel uit 1990 laat zien hoe een CCT-diagram de hardbaarheid kan schatten en de microstructuur, sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen bij kamertemperatuur kan voorspellen.

Silicium vormt een verdere waarschuwing tegen vaste waarden. ASM vermeldt dat silicium het bereik van de transformatietemperaturen verhoogt, de oplosbaarheid van koolstof in austeniet verlaagt en de neiging heeft ijzercarbide te dissociëren. De samenstelling verandert de gebieden al voordat de ovenkringloop begint.

Pro-eutectoïde ferriet en pro-eutectoïde cementiet

Staalsoorten met minder koolstof dan de eutectoïde samenstelling zijn hypo-eutectoïde staalsoorten. Tijdens het afkoelen vanuit austeniet vormt ferriet zich eerst, voordat het resterende austeniet de eutectoïde samenstelling bereikt. Dit vroege ferriet wordt pro-eutectoïd ferriet genoemd. Bij de eutectoïde temperatuur transformeert het resterende austeniet vervolgens in perliet. Een uiteindelijke hypo-eutectoïde structuur bevat daarom doorgaans pro-eutectoïd ferriet plus perliet, hoewel de afkoelsnelheid en legeringselementen ook bainiet of martensiet kunnen doen ontstaan.

Staalsoorten met meer koolstof dan de eutectoïde samenstelling zijn hyper-eutectoïde staalsoorten. Cementiet vormt zich eerst uit austeniet, meestal langs eerdere austenietkorrelgrenzen of op andere gunstige plaatsen. Dit is pro-eutectoïd cementiet. Het resterende austeniet krijgt een eutectoïde samenstelling en transformeert bij verdere afkoeling in perliet. De resulterende structuur bevat doorgaans pro-eutectoïd cementiet plus perliet.

Het woord “pro-eutectoïd” betekent “gevormd vóór de eutectoïde reactie” en niet “gevormd voordat austeniet bestaat”. Beide producten vormen zich tijdens het afkoelen uit austeniet. Hun hoeveelheden hangen af van de samenstelling en het traject door de fasegebieden, terwijl hun morfologie wordt bepaald door kiemvorming, diffusie, korrelgrootte en afkoelsnelheid. Als de afkoeling snel genoeg verloopt, kan de eutectoïde ontleding worden omzeild. Het materiaal over de microstructuur van staal van Cambridge uit 2008 onderscheidt deze reconstructieve, diffusiegecontroleerde reacties van displacieve transformaties; martensiet kan ontstaan zonder de langbereikchemische diffusie die nodig is voor de vorming van perliet. Koolstof beïnvloedt ook de martensiet-start- en martensiet-eindtemperaturen en de fractie achtergebleven austeniet, zoals vastgelegd in Cambridge’s Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel uit 2012.

Austenietvorming tijdens het verhitten

Austeniet ontstaat niet bij één universele temperatuur. De vorming ervan hangt af van het koolstofgehalte, de toegevoegde legeringselementen, de verhittingssnelheid, de houdtijd en de ferriet-perliet- of getemperde structuur die vóór het verhitten aanwezig is. De fase zelf is vlakgecentreerd kubisch γ-ijzer; ferriet is lichaamsgecentreerd kubisch α-ijzer, terwijl cementiet orthorombisch Fe₃C is, zoals beschreven in Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) van de University of Cambridge. Verhitting verandert zowel de kristalstructuur als de verdeling van koolstof tussen deze fasen.

De symbolen Ac1, Ac3 en Accm beschrijven praktische kritische temperaturen die tijdens het verhitten worden gemeten of waargenomen. De “c” geeft verhitting aan, terwijl de “1” het begin van de austenietvorming markeert. Ac1 is daarom de temperatuur waarbij austeniet voor het eerst ontstaat uit ferriet en perliet, of uit perliet en cementiet in een hypereutectoïde staalsoort. Ac3 is de temperatuur waarbij het laatste pro-eutectoïde ferriet in een hypoeutectoïde staalsoort verdwijnt. Accm is de overeenkomstige bovengrens voor een hypereutectoïde staalsoort: daarboven is cementiet in oplossing gegaan en is de structuur volledig austenitisch, afgezien van onopgeloste legeringscarbiden.

Deze waarden zijn niet hetzelfde als Ae1, Ae3 en Aecm. De Ae-notatie verwijst naar evenwichtsomstandigheden, waarbij de faseverhoudingen zich door diffusie kunnen aanpassen bij een bepaalde samenstelling en temperatuur. Ac-waarden beschrijven een reëel verhittingstraject en verschuiven daarom afhankelijk van de verhittingssnelheid, de afmetingen van het proefstuk, de voorafgaande toestand en de meetmethode. ASM International vermeldt dat bij langzaam afkoelen de kritische verhittingstemperaturen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoelen (Critical Temperature Ranges, 2024). Een gepubliceerde Ac1- of Ac3-waarde moet daarom altijd worden gekoppeld aan een staalsamenstelling en een testconditie.

Het overschrijden van Ac1, Ac3 en Accm

In een hypoeutectoïde staalsoort, zoals een typische laagkoolstof-constructiestaalsoort, bestaat de uitgangsstructuur gewoonlijk uit ferriet plus perliet. In de buurt van de eutectoïde samenstelling beginnen de perlietkolonies bij Ac1 te transformeren. Bij ongeveer 0,8 massaprocent koolstof en 723 °C is de eutectoïde evenwichtsreactie γ → α + Fe₃C, volgens het materiaal Materials Science & Metallurgy (2002) van de University of Cambridge. Verhitting keert deze reactie om: ferriet en cementiet in het perliet worden verbruikt om austeniet te vormen.

De transformatie vindt niet plaats als een volkomen scherp front. Austeniet kiemt aan ferriet-cementietgrensvlakken, aan de grenzen van perlietkolonies en op andere plaatsen met hoge energie. Vervolgens groeit het in het omringende ferriet. Omdat koolstof zich veel sneller door austeniet verplaatst dan substititionele legeringselementen, wordt de koolstofconcentratie tijdens het beginstadium ongelijkmatig. Het resterende ferriet lost pas op naarmate de temperatuur richting Ac3 stijgt. Onder Ac3 bestaat het mengsel uit austeniet plus pro-eutectoïd ferriet; boven Ac3 bestaat de matrix uit austeniet.

Een hypereutectoïde staalsoort volgt een ander traject. Het perliet transformeert na Ac1, maar pro-eutectoïd cementiet blijft aanwezig rond de grenzen van vroegere austenietkorrels of in de structuur. Austeniet is pas volledig gevormd wanneer de temperatuur Accm overschrijdt en het cementiet voldoende is opgelost. Verhitten tot net boven Ac1 kan daarom austeniet met een aanzienlijke cementietfractie achterlaten. Het is onjuist om die toestand “volledig geaustenitiseerd” te noemen.

Voor zuiver ijzer plaatsen de fase-evenwichtsgegevens van Cambridge het vlakgecentreerd kubische austeniet tussen ongeveer 910 en 1400 °C, met smelten rond 1539 °C. Staal volgt deze grenzen van zuiver ijzer niet: koolstof en legeringselementen verschuiven de grenzen, en industrieel verhitten vindt vaak ver van evenwichtsomstandigheden plaats. De praktische vraag is niet eenvoudigweg of een oven een afgedrukte temperatuur heeft bereikt. Het gaat erom of de vereiste fasen voldoende tijd hebben gehad om in de volledige doorsnede te transformeren.

Oplossen van koolstof en herverdeling van carbiden

Koolstof moet het cementiet verlaten en door het groeiende austeniet diffunderen. Een fijne perlietstructuur transformeert gewoonlijk sneller dan grof perliet, omdat deze meer ferriet-cementietgrensvlak en kortere diffusieafstanden biedt. Voorafgaande koudvervorming, korrelgrootte, segregatie en een eerdere ontlaatbehandeling veranderen eveneens de kiemplaatsen en oplossingssnelheden.

Na Ac1 kan het nieuw gevormde austeniet minder koolstof bevatten dan de evenwichtswaarde bij die temperatuur, terwijl gebieden nabij oplossend cementiet meer koolstof bevatten. Een verblijf bij temperatuur maakt herverdeling van koolstof mogelijk. Onvoldoende tijd kan onopgelost cementiet, koolstofarm austeniet of lokale samenstellingsgradiënten achterlaten. Een te hoge temperatuur of te lange houdtijd kan de vroegere austenietkorrels vergroten, zelfs wanneer het oplossen al volledig is.

Legeringscarbiden maken het proces trager. Carbiden die chroom, molybdeen, vanadium, niobium en titanium bevatten, kunnen tot ver boven de temperatuur stabiel blijven die nodig is om gewoon Fe₃C op te lossen. Het behoud ervan kan opzettelijk zijn, maar dit betekent dat een nominale “austenitiseertemperatuur” niet garandeert dat elk koolstofhoudend deeltje in oplossing is gegaan. Koolstof en substitutionele atomen segregaren eveneens tijdens het gieten en eerdere bewerkingen, zodat lokale transformatietemperaturen binnen één onderdeel kunnen verschillen.

Het effect van silicium en legeringstoevoegingen

Silicium is een duidelijk voorbeeld van waarom de samenstelling altijd samen met een transformatietemperatuur moet worden vermeld. ASM International rapporteert dat silicium het transformatietemperatuurbereik verhoogt, de oplosbaarheid van koolstof in austeniet verlaagt en ertoe neigt ijzercarbide te dissociëren. In met silicium gelegeerde staalsoorten verschillen de stabiliteit van cementiet en de verdeling van koolstof daarom van die in ongelegeerd koolstofstaal. Het resultaat kan een hogere praktische verhittingsgrens, een gewijzigde oplossing van carbiden en een grotere neiging zijn dat koolstof tijdens de thermische cyclus verdeeld blijft tussen austeniet en andere bestanddelen.

Mangaan verlaagt over het algemeen de kritische transformatietemperaturen en verhoogt de hardbaarheid, terwijl nikkel austeniet stabiliseert en chroom, molybdeen, vanadium, niobium en titanium stabiele carbiden of nitriden kunnen vormen. Het gecombineerde effect kan niet worden afgeleid uit één afzonderlijk element. Ook de verhittingssnelheid is van belang: snel verhitten kan hogere waargenomen Ac-waarden veroorzaken, omdat diffusie en kiemvorming achterblijven bij de oventemperatuur.

Het aldus gevormde austeniet bepaalt de daaropvolgende transformatie. Tijdens het afkoelen kan het, afhankelijk van de samenstelling en het afkoeltraject, perliet, bainiet, pro-eutectoïd ferriet, pro-eutectoïd cementiet of martensiet vormen. Het NIST-rapport Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) laat zien waarom een CCT-diagram wordt gebruikt om de hardbaarheid te schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen te voorspellen. Austenietvorming is de uitgangstoestand, geen garantie voor één bepaalde eindstructuur.

Koelingsproducten: perliet, bainiet, martensiet en pro-eutectoïde fasen

Austeniet heeft niet één onvermijdelijk koelingsproduct. Het resultaat hangt af van het koolstof- en legeringsgehalte, de korrelgrootte van het voorafgaande austeniet, de verwarmingsconditie, de afkoelsnelheid en de tijd die bij elke temperatuur wordt doorgebracht. ASM International noemt perliet, bainiet, martensiet, pro-eutectoïd ferriet en pro-eutectoïd cementiet als de belangrijkste producten van de austeniettransformatie. Deze benamingen beschrijven niet allemaal hetzelfde soort entiteit: ferriet en cementiet zijn fasen, perliet en bainiet zijn transformatieproducten die meer dan één fase bevatten, en martensiet is een oververzadigde fase die volgens een ander mechanisme wordt gevormd.

De bekende eutectoïde reactie illustreert dit onderscheid. De University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy (2002), situeert de reactie bij ongeveer 0,8 gew.% koolstof en 723 °C:

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

Hierbij is γ vlakgecentreerd kubisch austeniet, α lichaamsgecentreerd kubisch ferriet en Fe₃C orthorombisch cementiet, zoals beschreven in Cambridge’s Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). De temperatuur is een evenwichtsreferentie en geen universeel omslagpunt. De feitelijke transformatie kan, afhankelijk van het thermische pad en de samenstelling, onder of boven deze temperatuur beginnen.

Perliet als reconstructief, diffusiegestuurd product

Perliet ontstaat wanneer austeniet coöperatief ontleedt in afwisselende lagen ferriet en cementiet. Koolstof moet zich herverdelen: ferriet kan slechts een kleine hoeveelheid koolstof oplossen, terwijl cementiet veel meer koolstof kan opnemen. Ook het ijzerrooster wordt gereconstrueerd: van de vlakgecentreerd kubische rangschikking van austeniet naar de lichaamsgecentreerd kubische structuur van ferriet. Dit is daarom een reconstructieve, diffusiegestuurde transformatie en geen eenvoudige vormverandering van het bestaande rooster.

Het coöperatieve karakter is belangrijk. Bij de vorming van ferriet wordt koolstof afgestoten naar het nabijgelegen austeniet, waardoor de lokale koolstofconcentratie stijgt en de vorming van cementiet ernaast wordt bevorderd. De vorming van cementiet creëert op haar beurt omstandigheden die de groei van aangrenzend ferriet mogelijk maken. De resulterende kolonies bevatten lamellen waarvan de onderlinge afstand sterk afhankelijk is van de transformatietemperatuur. Hogere transformatietemperaturen leveren doorgaans grover perliet op; lagere temperaturen produceren fijner perliet, omdat de beschikbare diffusieafstand korter is. De afkoelsnelheid verandert niet alleen de begintemperatuur, maar ook de lamelafstand, de fractie en de morfologie van het product.

Bij hypoeutectoïde staalsoorten vormt zich pro-eutectoïd ferriet voordat het resterende austeniet de eutectoïde samenstelling bereikt. Het groeit bij voorkeur langs de korrelgrenzen van het voorafgaande austeniet en onttrekt koolstof aan het nog niet getransformeerde austeniet, waardoor dit austeniet geleidelijk koolstofrijker wordt. Bij hypereutectoïde staalsoorten vormt zich daarentegen pro-eutectoïd cementiet, meestal langs de austenietkorrelgrenzen, terwijl het resterende austeniet vóór de transformatie naar perliet minder koolstofrijk wordt ten opzichte van de oorspronkelijke legering. De uiteindelijke structuur kan daardoor ferriet plus perliet, of cementiet plus perliet bevatten, in plaats van uitsluitend perliet.

De termen Ae1, Ae3 en Aecm beschrijven evenwichtsgrenzen: Ae1 is de eutectoïde grens, Ae3 scheidt austeniet van austeniet plus pro-eutectoïd ferriet bij geschikte samenstellingen, en Aecm markeert de overeenkomstige cementietgrens. Kritische temperaturen bij verwarmen en afkoelen hoeven niet overeen te komen. ASM International vermeldt in Critical Temperature Ranges (2024) dat bij langzaam afkoelen de kritische temperaturen bij verwarmen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoelen. Kinetiek en thermische hysterese zijn geen fouten in het fasediagram; zij maken deel uit van de transformatie.

Bainiet en de T₀-conditie

Bainiet bevindt zich in het tussengebied dat vaak wordt verhuld door vereenvoudigde diagrammen. De groei ervan is diffusieloos met betrekking tot het ijzerrooster: ijzeratomen bewegen op gecoördineerde, displacieve wijze in plaats van afzonderlijk over lange afstanden te diffunderen. Koolstof wordt echter niet irrelevant. Het oververzadigde ferriet dat tijdens de eerste roosterverandering ontstaat, moet koolstof herverdelen, doorgaans naar austeniet of naar carbide, afhankelijk van de samenstelling van het staal en de transformatieomstandigheden. Bainiet is bijgevolg noch perliet met een kleinere lamelafstand, noch martensiet dat bij een hogere temperatuur is gevormd.

T₀-temperatuurT₀-temperatuur De temperatuur waarbij austeniet en bainitisch ferriet met identieke samenstelling dezelfde vrije energie hebben; daaronder is de gespecificeerde bainitische transformatie thermodynamisch toegestaan.

De University of Cambridge beschrijft in The Bainite Reaction (2024) de groei van bainiet als diffusieloos met betrekking tot het ijzerrooster en als thermodynamisch mogelijk onder de T₀-temperatuur. T₀ is de temperatuur waarbij austeniet en bainitisch ferriet met een identieke chemische samenstelling dezelfde vrije energie hebben. Onder T₀ heeft bainitisch ferriet met die onveranderde samenstelling een lagere vrije energie dan austeniet, zodat de displacieve stap thermodynamisch is toegestaan. Boven T₀ ontbreekt voor de transformatie met dezelfde samenstelling deze drijvende kracht.

Deze conditie betekent niet dat elke legering in bainiet transformeert zodra zij T₀ overschrijdt. Nucleatiebarrières, koolstofpartitionering, carbideprecipitatie, legeringselementen, defecten en de beschikbare tijd beïnvloeden allemaal de reactie. De uiteindelijke bainitische structuur kan ferriet en carbiden bevatten, en het uiterlijk ervan hangt ervan af of carbidevorming tussen de ferrietplaten plaatsvindt of door de samenstelling en het proces wordt onderdrukt. Silicium verhoogt bijvoorbeeld het bereik van de transformatietemperatuur, verlaagt de oplosbaarheid van koolstof in austeniet en bevordert de dissociatie van ijzercarbide; dergelijke effecten veranderen het pad en het product in plaats van slechts één vaste temperatuur te verschuiven.

Een tijd-temperatuur-transformatiediagram geeft deze kinetische beperkingen weer door middel van C-curven. Een continu-koelingstransformatiediagram geeft een ander antwoord, omdat het proefstuk tijdens de voortgang van de transformatie door verschillende temperaturen beweegt. NIST vermeldt in Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) dat een CCT-diagram de hardbaarheid kan schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, de sterkte, hardheid, bewerkbaarheid en vermoeiingseigenschappen kan voorspellen. Juist daarom kan een afkoelsnelheid niet worden vervangen door één enkele “bainiettemperatuur”.

Martensiet als displacieve athermische transformatie

Martensiet ontstaat door een gecoördineerde afschuiving en herschikking van het austenietrooster. Het is displacief: de ijzeratomen verplaatsen zich over kleine afstanden zonder de langbereikige chemische diffusie die voor perliet vereist is. Koolstof wordt in het getransformeerde rooster opgesloten, waardoor oververzadiging en vervorming ontstaan. In koolstofstaal wordt het resulterende martensiet doorgaans beschreven als een lichaamsgecentreerd tetragonale structuur, hoewel de tetragonaliteit varieert met het koolstofgehalte en het ontlaten.

Martensiet begint zich te vormen bij de martensiet-starttemperatuur, Ms, wanneer het afkoelpad voldoende drijvende kracht voor nucleatie levert. De transformatie wordt athermisch genoemd omdat de gevormde hoeveelheid voornamelijk afhangt van de bereikte temperatuur en niet van de verblijftijd bij een vaste temperatuur. Ms is daarom een transformatietemperatuur en geen garantie dat al het austeniet is getransformeerd. Verdere afkoeling vormt doorgaans meer martensiet, maar bij kamertemperatuur kan een deel van het austeniet achterblijven.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, de martensiet-eindtemperatuur, kent dezelfde beperking. Zij markeert een geëxtrapoleerd of gemeten voltooiingsgebied voor de martensitische reactie onder gespecificeerde omstandigheden en vormt geen absolute garantie dat er geen achtergebleven austeniet aanwezig is. Het Cambridge Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) laat specifiek zien dat koolstof invloed heeft op Ms, Mf en de fracties achtergebleven austeniet. Legeringselementen en voorafgaande transformaties verschuiven het resultaat eveneens.

Snelle afkoeling kan reconstructieve producten onderdrukken en martensiet mogelijk maken, maar wat “snel” is, hangt af van de staalsoort. Het CCT-diagram van een staal kan bij de ene afkoelsnelheid perliet of bainiet vóór Ms tonen en bij een andere afkoelsnelheid martensiet. Fasekeuze volgt dus de volledige thermische geschiedenis: evenwichtstemperaturen identificeren mogelijke toestanden, TTT-diagrammen beschrijven isotherme kinetiek en CCT-diagrammen beschrijven daadwerkelijke continue afkoeling. Temperatuur alleen vertelt nooit het volledige verhaal van de microstructuur.

TTT-diagrammen: wat isotherme transformatiegegevens wel en niet kunnen aantonen

Een tijd-temperatuur-transformatiediagram (TTT-diagram) registreert wat er gebeurt wanneer austeniet naar een geselecteerde temperatuur wordt gebracht en daar wordt gehouden. Het is geen universele tabel met vaste transformatietemperaturen. De curven gelden voor een vastgestelde staalsamenstelling, austenitiseringsbehandeling, voorafgaande korrelgrootte en experimentele definitie van het begin en einde van de transformatie.

Om het diagram op te stellen, wordt een proefstuk eerst ver genoeg in het austenietgebied verhit om de vereiste γ-structuur te vormen. Vervolgens wordt het snel afgeschrikt tot een gekozen houdt temperatuur. De afschrikking moet transformatie tijdens de temperatuurdaling voorkomen. Bij de houdt temperatuur wordt het proefstuk isotherm gehouden, terwijl de veranderende structuur wordt gedetecteerd met dilatometrie, metallografie, magnetische respons of een andere meetmethode. Het tijdstip waarop de transformatie detecteerbaar wordt, wordt als beginpunt uitgezet; het tijdstip waarop de geselecteerde fractie als voltooid wordt beschouwd, wordt als eindpunt uitgezet. Door deze procedure bij veel temperaturen te herhalen, ontstaan de bekende curven.

Het resultaat maakt onderscheid tussen transformatieproducten, fasen en temperaturen. Austeniet is een fase: vlakgecentreerd kubisch γ-ijzer dat koolstof en legeringselementen bevat. Perliet en bainiet zijn transformatieproducten die gewoonlijk uit ferriet plus carbide in verschillende rangschikkingen bestaan. Martensiet is eveneens een transformatieproduct, dat uit austeniet wordt gevormd door een displacieve verandering van het rooster. Bij de eutectoïde reactie verandert austeniet bij ongeveer 0,8 gewichtsprocent koolstof en 723 °C volgens γ → α + Fe₃C, zoals beschreven door de University of Cambridge (2002). Cambridge identificeert ferriet als ruimtelijk gecentreerd kubisch en cementiet als orthorombisch Fe₃C.

De C-curven lezen

De temperatuur staat op de verticale as en de tijd, gewoonlijk logaritmisch, op de horizontale as. Een staal wordt geaustenitiseerd, snel afgekoeld tot een punt in de grafiek en vervolgens horizontaal gehouden. Als die horizontale lijn bij 650 °C voor het eerst een transformatiebegincurve snijdt, is de verstreken tijd tot dat snijpunt de incubatieperiode vóór de detecteerbare transformatie. Bij langer aanhouden beweegt de structuur in de richting van de overeenkomstige transformatie-eindcurve. Het gebied tussen de twee curven vertegenwoordigt een mengsel van onveranderd austeniet en transformatieproduct, en niet één enkele fase met een precies gedefinieerde temperatuur.

De curven buigen bij een tussentemperatuur vaak af naar korte tijden en vormen zo een “neus”. De transformatie verloopt nabij deze neus het snelst, omdat de aandrijvende kracht aanzienlijk is terwijl de atomaire beweging nog voldoende snel blijft. Bij hogere temperaturen vertraagt de geringe aandrijvende kracht de kiemvorming; bij lagere temperaturen vertraagt de verminderde diffusie het groeiproces. De neus geeft daarom een tijd-temperatuurconditie aan en geen enkele kritische temperatuur.

Een horizontale houdt boven het relevante bereik kan grof perliet opleveren; een lagere houdt kan fijner perliet of bainiet opleveren, afhankelijk van de samenstelling en het diagram. De exacte grenzen variëren met koolstof, mangaan, chroom, molybdeen, silicium, de voorafgaande austenietkorrelgrootte en de austenitiseringspraktijk. Silicium verhoogt bijvoorbeeld het transformatietemperatuurbereik, verlaagt de oplosbaarheid van koolstof in austeniet en heeft de neiging ijzercarbide te dissociëren. Ook de kritische temperaturen bij verhitten en afkoelen hoeven niet overeen te komen: ASM International (2024) rapporteert dat bij langzaam afkoelen de kritische temperaturen bij verhitten ongeveer 33 °C hoger kunnen liggen dan de waarden bij afkoelen.

Een TTT-curve kan niet rechtstreeks worden toegepast op een component die continu afkoelt. Een oven, oliebad, las of dikke doorsnede volgt een hellend temperatuur-tijdtraject in plaats van een horizontale houdt. Tijdens dat traject kan het materiaal temperaturen doorlopen waarbij de transformatie begint, maar de beschikbare tijd verandert voortdurend. Een continu-koel-transformatiediagram (CCT-diagram) is voor dat probleem het juiste hulpmiddel. De studie van NIST (1990) naar SAE 1141-staal gebruikt CCT-gegevens om de hardbaarheid te schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen te voorspellen. Een TTT-diagram kan nog steeds richting geven, maar de toepassing ervan op continu afkoelen vereist een onderbouwing, vaak aan de hand van berekende afkoelcurven of experimenteel bepaalde CCT-gegevens.

Reconstructieve en displacieve transformatiegebieden

De afzonderlijke C-curven op veel staaldiagrammen weerspiegelen verschillende mechanismen en zijn niet slechts verschillende benamingen voor dezelfde gebeurtenis. Reconstructieve transformaties vereisen dat atomen grensvlakken doorkruisen en zich herschikken via processen waarbij diffusie betrokken is. Perliet is het standaardvoorbeeld: ferriet en cementiet vormen zich terwijl koolstof zich verdeelt en het ijzerrooster verandert van austenitische naar ferritische gebieden. Proeutectoïde ferriet of proeutectoïde cementiet behoort eveneens tot deze diffusiegecontroleerde familie wanneer het vóór de eutectoïde reactie wordt gevormd.

Bainiet bevindt zich in een ander gebied. Cambridge’s The Bainite Reaction (2024) stelt dat bainietgroei diffusieloos is ten opzichte van het ijzerrooster en thermodynamisch mogelijk is onder de T₀-temperatuur, waarbij bainiet met dezelfde samenstelling een lagere vrije energie heeft dan austeniet. De transformatie combineert daarom een displacieve verandering in het ijzerrooster met koolstofredistributie of precipitatieprocessen die de uiteindelijke bainietstructuur bepalen. Bainiet moet niet simpelweg als “fijn perliet” worden beschouwd.

Martensiet vormt zich wanneer austeniet voldoende snel wordt afgekoeld om reconstructieve transformaties te onderdrukken. Het rooster verandert door een gecoördineerde verplaatsing, waarbij tijdens de vorming in wezen geen diffusie over lange afstand plaatsvindt. Het martensietgebied wordt daarom weergegeven door temperaturen en niet door gewone tijdsafhankelijke C-curven.

Ms, Mf en behouden austeniet

Ms, de martensiet-begintemperatuur, wordt bereikt wanneer bij het afkoelen van austeniet martensiet begint te vormen. De transformatie is binnen het relevante bereik athermisch: de gevormde hoeveelheid hangt voornamelijk af van de bereikte temperatuur en niet van de houdtijd bij een constante temperatuur. Mf, de martensiet-eindtemperatuur, is de nominale temperatuur waarbij de gedefinieerde martensitische transformatie voltooid is.

Mf kan onder kamertemperatuur liggen. In dat geval blijft bij afkoeling tot kamertemperatuur een deel van het austeniet onveranderd. Dit is behouden austeniet en geen afzonderlijke evenwichtsfase die via een eenvoudige temperatuuraflezing wordt geselecteerd. Het is een gevolg van de samenstelling en het afkoeltraject, en de hoeveelheid ervan kan tijdens daaropvolgend ontlaten, gebruik of vervorming veranderen.

Koolstof heeft een sterk effect op alle drie de grootheden. Het TTT-materiaal van de University of Cambridge (2012) laat zien dat koolstof invloed heeft op Ms, Mf en de fractie behouden austeniet: een toename van het koolstofgehalte verlaagt Ms en Mf in het algemeen en verhoogt de fractie austeniet die na een bepaalde afkoelbehandeling overblijft. Legeringselementen en voorafgaande bewerking veranderen het resultaat eveneens. Een lijn met de aanduiding Ms in het ene diagram hoort dus bij dat staal en zijn proefomstandigheden; zij kan niet zonder kritische beoordeling worden overgenomen voor een andere staalkwaliteit of component.

CCT-diagrammen en de realiteit van industriële koeltrajecten

Continue afkoeling door transformatiegebieden

Een tijd-temperatuur-transformatiediagram (TTT-diagram) beschrijft wat er gebeurt wanneer austeniet op een geselecteerde temperatuur wordt gehouden. Die toestand is nuttig voor het bestuderen van isotherme reacties, maar vormt niet de gebruikelijke thermische geschiedenis van een stalen onderdeel. Smeedstukken verlaten de matrijs en verliezen continu warmte. Gewalste producten koelen af in een veranderend temperatuurveld. Genormaliseerde en gegloeide staalsoorten doorlopen tijdens afkoeling in de oven of in de lucht transformatiegebieden, terwijl geharde onderdelen deze gebieden vaak snel passeren voordat zij de martensiet-starttemperatuur, Ms, bereiken.

Een continu-koel-transformatiediagram (CCT-diagram) is daarom vaak de praktischere kaart. De grenzen voor het begin en het einde van de transformatie worden uitgezet tegen een continu dalende temperatuur. Een over het diagram getekende afkoelcurve laat zien wanneer, en hoelang, austeniet zich in het temperatuurbereik bevindt waarin een bepaald product kan ontstaan. De curve kan een gebied voor het begin van ferrietvorming binnengaan, doorgaan naar perlietvorming, bainiet doorlopen en ten slotte Ms kruisen, zodat het resterende austeniet in martensiet verandert. De uiteindelijke structuur kan daardoor een mengsel zijn in plaats van één enkele benoemde fase of één enkel transformatieproduct.

Dit onderscheid is van belang omdat ferriet, perliet, bainiet en martensiet niet volgens hetzelfde mechanisme ontstaan. Pro-eutectoïd ferriet of cementiet kan vóór de eutectoïde reactie ontstaan in hypo-eutectoïde of hyper-eutectoïde staalsoorten. In de buurt van de eutectoïde samenstelling, ongeveer 0,8 gewichtsprocent koolstof en 723 °C, ondergaat austeniet de transformatie γ → α + Fe₃C, volgens het materiaal Materials Science & Metallurgy van de University of Cambridge (2002). Hierbij is α ferriet en Fe₃C cementiet. In Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) identificeert Cambridge austeniet als kubisch vlakgecentreerd, ferriet als kubisch ruimtelijk gecentreerd en cementiet als orthorhombisch Fe₃C.

Bij lagere temperaturen kan bainiet ontstaan door een transformatie die ten opzichte van het ijzerrooster diffusieloos is, hoewel de herverdeling van koolstof belangrijk blijft voor de reactie en haar producten. Cambridge’s The Bainite Reaction (2024) stelt dat bainietgroei thermodynamisch mogelijk is onder de T₀-temperatuur, waarbij bainiet een lagere vrije energie heeft dan austeniet met dezelfde samenstelling. Als de afkoeling voldoende snel verloopt, kunnen diffusiegecontroleerde producten worden overgeslagen. Het austenietrooster verandert dan displacief in martensiet, beginnend bij Ms; martensietvorming is athermisch, zodat de gevormde hoeveelheid voornamelijk afhangt van hoe ver de temperatuur onder Ms daalt, en niet van de houdtijd op één temperatuur.

Een CCT-curve is evenmin een universele eigenschap van “staal”. De austenitiseertemperatuur, de houdtijd, de voorafgaande ferriet-perliet- of bainietstructuur, de korrelgrootte, het legeringsgehalte en het koelmedium beïnvloeden allemaal het resultaat. Silicium verhoogt bijvoorbeeld het transformatietemperatuurbereik, verlaagt de oplosbaarheid van koolstof in austeniet en bevordert doorgaans de dissociatie van ijzercarbide. Zelfs kritische temperaturen die tijdens verwarmen en afkoelen worden gemeten, hoeven niet overeen te komen: ASM International rapporteert in Critical Temperature Ranges (2024) dat bij langzaam afkoelen de kritische temperaturen tijdens verwarmen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden tijdens afkoelen.

Het voorbeeld SAE 1141

Het rapport van het National Institute of Standards and Technology, Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), biedt een nuttig toegepast voorbeeld. SAE 1141 is een omgezwaveld middel-koolstofstaal, dat doorgaans wordt aangeduid met de SAE/AISI-kwaliteitsaanduiding 1141. De toevoeging van zwavel verbetert de verspaanbaarheid, maar de kwaliteit reageert nog steeds op de volledige wisselwerking tussen koolstofgehalte, toestand van het austeniet, afkoelsnelheid en doorsnedegeometrie.

In het NIST-onderzoek worden CCT-gegevens gebruikt om afkoeltrajecten van austeniet te koppelen aan de structuur bij kamertemperatuur, in plaats van één transformatietemperatuur aan de kwaliteit toe te kennen. Een relatief langzaam traject kan ferriet- en perlietgebieden kruisen voordat lagere temperaturen worden bereikt. Een sneller traject kan sommige of al deze reacties onderdrukken, een bainietgebied binnengaan of diffusietransformatie vermijden totdat het Ms kruist en martensiet vormt. Als de afkoelcurve meer dan één gebied voor het begin van een transformatie kruist, kan het resulterende staal pro-eutectoïd ferriet plus perliet, perliet plus bainiet, bainiet plus martensiet of meerdere producten tegelijk bevatten. Austeniet dat bij het stoppen van de afkoeling niet is getransformeerd, kan als rest-austeniet aanwezig blijven.

Die laatste fractie is geen onbelangrijk detail. Cambridge’s Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) identificeert koolstof specifiek als factor die Ms, het martensiet-einde, Mf, en de fractie rest-austeniet beïnvloedt. Als het staal slechts wordt afgekoeld tot een temperatuur boven Mf, kan een deel van het austeniet achterblijven. Dit kan later tijdens gebruik, verspaning of een daaropvolgende warmtebehandeling transformeren, waardoor afmetingen en spanningen veranderen.

Het SAE 1141-onderzoek van NIST maakt het praktische punt rechtstreeks duidelijk: een CCT-diagram van staal kan worden gebruikt om de hardbaarheid te schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, de sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen te voorspellen. Deze voorspellingen zijn schattingen en geen vervanging voor het controleren van de werkelijke thermische cyclus en doorsnede. Een afkoelcurve aan het oppervlak kan ruim links van de transformatiegrenzen verlopen, terwijl het centrum langzamer afkoelt en ferriet en perliet vormt. Hetzelfde onderdeel kan daardoor een harde martensitische laag en een zachtere gemengde kern hebben.

Hardbaarheid, doorsnede en voorspelling van eigenschappen

Hardbaarheid wordt vaak verward met hardheid. Het zijn verschillende metingen. Hardheid beschrijft de weerstand tegen indrukking of vervorming in een bepaalde toestand. Hardbaarheid beschrijft het vermogen van staal om onder een gespecificeerde austenitiseerbehandeling en afkoelconditie martensiet te vormen, evenals de diepte tot waarop dit kan gebeuren. Aan staal met een hoge hardbaarheid wordt geen universele hardheidswaarde toegekend. De hardheid hangt nog steeds af van het koolstofgehalte, de martensietfractie, het ontlaten en de plaatselijke afkoelsnelheid.

De doorsnede beïnvloedt die afkoelsnelheid. Een dunne staaf kan overal in de doorsnede snel genoeg afkoelen om ferriet en perliet te omzeilen. In een dik smeedstuk vertraagt de in het centrum opgeslagen warmte de afkoelcurve, waardoor de curve transformatiegebieden voor het begin van een reactie kan binnengaan die het oppervlak vermijdt. Het centrum kan dan bainiet of perliet bevatten, terwijl het oppervlak martensiet bevat. Deze thermische gradiënt veroorzaakt ook verschillen in volumeverandering en transformatiespanning, die kunnen bijdragen aan vervorming, afschrikscheuren en restspanning.

De interpretatie van een CCT-diagram moet daarom beginnen bij het werkelijke proces: de austenitiseertemperatuur en -tijd, het contact met oven of matrijs, de overdrachtsvertraging, het koelmedium, de agitatie, de oriëntatie van het onderdeel en de plaatselijke doorsnededikte. De voorspelde producten bieden vervolgens een route naar de eigenschappen. Ferriet en grof perliet verlagen doorgaans de sterkte en hardheid, maar verbeteren de verspaanbaarheid ten opzichte van ongetemperd martensiet; bainiet bevindt zich in een tussenpositie die sterk afhankelijk is van de omstandigheden; martensiet verhoogt de hardheid en sterkte, maar kan de taaiheid verlagen tenzij het wordt ontlaten. Mengsels en gradiënten beïnvloeden ook de vermoeiing, omdat plaatselijke hardheid, restspanning, insluitsels en rest-austeniet de initiatie en groei van scheuren veranderen. Een temperatuurverwijzing kan deze effecten niet omvatten. Een afkoeltraject kan dat wel.

Waarom transformatietemperaturen verschuiven tussen staalsoorten en processen

Een transformatietemperatuur is geen universele opzoekwaarde voor “staal”. Zij geeft een toestand aan waaronder een bepaalde faseverandering mogelijk of detecteerbaar wordt voor een gespecificeerde samenstelling en thermische route. Het resultaat hangt er ook van af of het diagram evenwicht, een isotherme houdperiode of continue afkoeling beschrijft. Perliet, bainiet, martensiet, pro-eutectoïde ferriet en pro-eutectoïde cementiet zijn verschillende transformatieproducten en geen onderling uitwisselbare benamingen voor één enkele temperatuur.

Koolstofgehalte en legeringschemie

Koolstof verandert zowel de evenwichtsgrenzen als de producten die tijdens het afkoelen worden gevormd. In het ijzer-koolstofsysteem vindt de eutectoïde reactie plaats bij ongeveer 0,8 gewichtsprocent koolstof en 723 °C:

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

De Materials Science & Metallurgy (2002) van de University of Cambridge geeft deze reactie voor austeniet dat in ferriet en cementiet transformeert. Austeniet heeft een vlakgecentreerd kubische structuur, ferriet een ruimtelijk gecentreerd kubische structuur en cementiet is orthorhombisch Fe₃C, zoals beschreven in Cambridge’s Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Een verandering van het koolstofgehalte verschuift de eutectoïde samenstelling en temperatuur en verandert welke fase vóór de eutectoïde reactie verschijnt. Hypo-eutectoïde staalsoorten kunnen pro-eutectoïde ferriet vormen; hyper-eutectoïde staalsoorten kunnen pro-eutectoïde cementiet vormen.

Koolstof verandert ook de temperatuur waarbij martensietvorming begint, Ms, en de temperatuur waarbij de martensitische transformatie grotendeels is voltooid, Mf. Cambridge’s Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) vermeldt specifiek dat koolstof invloed heeft op Ms, Mf en de fractie behouden austeniet. Een hoger koolstofgehalte verlaagt Ms en Mf doorgaans. Als Mf onder kamertemperatuur daalt, kan een deel van het austeniet onveranderd achterblijven. Dit behouden austeniet is geen bewijs dat het staal één vaste “hardingstemperatuur” niet heeft bereikt; het weerspiegelt de samenstelling en het eindpunt van de afkoeling.

Het mechanisme is van belang. Perliet en pro-eutectoïde producten vereisen herverdeling van koolstof en worden door diffusie beheerst. Martensiet vormt zich door een snelle displacieve verandering, waardoor het ijzerrooster kan transformeren zonder de langeafstandsdiffusie van koolstof die nodig is voor de vorming van cementiet. Bainiet valt onder een tussengelegen beschrijving: Cambridge’s The Bainite Reaction (2024) stelt dat de groei ervan diffusieloos is voor zover het ijzerrooster betreft en thermodynamisch mogelijk is onder de T₀-temperatuur, waarbij bainiet met dezelfde samenstelling een lagere vrije energie heeft dan austeniet.

Legeringstoevoegingen kunnen deze verbanden verschuiven, maar hun effecten mogen niet als identiek worden beschouwd. Silicium vormt hiervan een gedocumenteerd voorbeeld. ASM International stelt dat silicium het transformatietemperatuurbereik verhoogt, de oplosbaarheid van koolstof in austeniet verlaagt en de neiging heeft ijzercarbide te dissociëren. Bijgevolg kunnen siliciumhoudende staalsoorten niet worden geïnterpreteerd aan de hand van een ongewijzigd diagram van het binaire ijzer-koolstofsysteem voor ongelegeerd koolstofstaal. Dit rechtvaardigt niet dat aan elk legeringselement dezelfde correctie wordt toegekend: elk element verandert de fasestabiliteit, diffusie, carbidesamenstelling of een combinatie daarvan.

Hysterese bij verwarmen en afkoelen

De temperatuur die tijdens het verwarmen wordt geregistreerd, hoeft niet gelijk te zijn aan de temperatuur die tijdens het afkoelen wordt geregistreerd. Tijdens het verwarmen moeten ferriet en cementiet oplossen en moet austeniet kiemen en groeien; daarvoor zijn thermische activering en tijd nodig. Tijdens het afkoelen ontleedt austeniet via een ander kiemvormings- en groeiproces. De transformatie vertoont daarom hysterese, zelfs wanneer de oven de temperatuur langzaam verandert.

ASM International’s Critical Temperature Ranges (2024) stelt dat, bij langzaam afkoelen, de kritische temperaturen tijdens het verwarmen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden tijdens het afkoelen. Dit is een gekwantificeerde bronvermelding en geen universele toeslag voor elke ovenkringloop of legering. Sneller verwarmen kan de schijnbare overschrijding vergroten, omdat diffusie en kiemvorming achterblijven bij de gemeten temperatuur. Een snelle afschrikking kan perliet en bainiet lang genoeg onderdrukken om martensiet te laten vormen, terwijl een isotherme houdperiode een transformatie kan veroorzaken bij een temperatuur die niet overeenkomt met het startpunt op een diagram voor continue afkoeling.

Dit onderscheid scheidt evenwichtstemperaturen zoals Ae1, Ae3 en Aecm van praktische Ac- en Ar-temperaturen die tijdens het verwarmen en afkoelen worden gemeten. Een TTT-diagram beschrijft de transformatie tijdens een isotherme houdperiode na het austenitiseren. Een CCT-diagram volgt een continu veranderende temperatuur. De NIST-publicatie Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) gebruikt CCT-gegevens om de hardbaarheid te schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen te voorspellen. Een CCT-curve is daarom een proceskaart en geen vervanging voor gegevens over fase-evenwicht.

Korrelgrootte van voorafgaand austeniet, tijd en thermische gradiënten

De austenitiseertijd verandert meer dan de thermometerwaarde doet vermoeden. Een voldoende lange houdperiode kan carbiden oplossen, de koolstof homogeniseren en austenietkorrels laten groeien. Onvoldoende tijd kan onopgelost carbide of koolstofrijke en koolstofarme gebieden achterlaten, waardoor verschillende delen van hetzelfde onderdeel met verschillende transformatieneigingen aan het afkoelen beginnen. Een te lange houdperiode leidt gewoonlijk tot grovere korrels van het voorafgaande austeniet, waardoor het totale korrelgrensoppervlak dat beschikbaar is voor kiemvorming kleiner wordt en diffusieve transformaties vaak worden vertraagd.

De korrelgrootte van het voorafgaande austeniet verandert bijgevolg de kinetiek, maar creëert geen nieuwe evenwichtssamenstelling. Fijne korrels bieden meer kiemvormingsplaatsen en kunnen tijdens het afkoelen een vroegere vorming van ferriet of perliet bevorderen. Grove korrels kunnen de hardbaarheid verhogen door deze aan korrelgrenzen gekiemde producten te vertragen, waardoor een groter aandeel austeniet bainitische of martensitische omstandigheden kan bereiken. De precieze verschuiving hangt af van het koolstofgehalte, de legeringschemie, de toestand van de korrelgrenzen en de afkoelsnelheid.

Werkelijke onderdelen volgen het ovenschema zelden uniform. Een dik onderdeel verliest warmte aan het oppervlak terwijl de kern heet blijft, waardoor in het onderdeel verschillende afkoelsnelheden ontstaan. De temperatuuruniformiteit in de oven, de rangschikking van de lading, het contact met bevestigingsmiddelen en oppervlakteoxidatie beïnvloeden de werkelijke thermische geschiedenis verder. Het oppervlak kan een perliet- of bainietgebied doorkruisen terwijl de kern zich nog daarboven bevindt; later kan de kern transformeren bij een lagere afkoelsnelheid dan het oppervlak. Eén nominale warmtebehandeling kan dus op verschillende plaatsen ferriet, perliet, bainiet, martensiet en behouden austeniet opleveren. Temperatuur is van belang, maar de afgelegde weg door het temperatuurbereik bepaalt welk transformatieproduct verschijnt.

Leesstandaarden, staalkwaliteitsaanduidingen en terminologie voor transformaties

SAE 1141 en de beperkingen van diagramspecifieke aanduidingen

Een transformatiediagram is een registratie voor een bepaalde samenstelling en een gedefinieerd thermisch traject, geen universele temperatuurtabel. Een CCT-diagram met de aanduiding SAE 1141 is van toepassing op de chemische samenstelling, austenitiseringsbehandeling, proefstukafmetingen en beproevingsmethode die voor het opstellen van dat diagram zijn gebruikt. Het mag niet worden hernoemd tot “het koolstofstaaldiagram” en al helemaal niet zonder nadere kwalificatie worden toegepast op laaggelegeerd staal, roestvast staal of gereedschapsstaal.

Dit onderscheid is van belang omdat legeringselementen de fasestabiliteit, diffusiesnelheden, carbidevorming en transformatieken kinetiek beïnvloeden. Koolstof verandert het bereik van austeniet naar martensiet en de fractie restausteniet; de publicatie Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel van de University of Cambridge uit 2012 benoemt specifiek effecten op Ms, Mf en fracties restausteniet. Volgens Critical Temperature Ranges van ASM International uit 2024 verhoogt silicium het bereik van de transformatietemperaturen, vermindert het de oplosbaarheid van koolstof in austeniet en heeft het de neiging ijzercarbide te dissociëren. Nikkel, chroom, molybdeen en mangaan kunnen transformatiecurven verschuiven en diffusieproducten vertragen. Een roestvaststaalsoort kan bovendien ferriet-, austeniet- of intermetallische fasevelden bevatten die in een diagram voor ongelegeerd koolstofstaal ontbreken, terwijl gereedschapsstalen legeringscarbiden kunnen vormen die zowel de evenwichtstoestand als de waargenomen transformatieproducten veranderen.

Zelfs de bekende referentie voor zuiver ijzer is samenstellingsspecifiek. Cambridge’s Stainless Steels: Phase Equilibria uit 2005 plaatst kubisch-vlakgecentreerd austeniet in zuiver ijzer bij ongeveer 910–1400 °C en geeft een smelttemperatuur van ongeveer 1539 °C. Deze waarden definiëren niet de kritische temperaturen van SAE 1141. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel van NIST uit 1990 laat het juiste gebruik van een staalkwaliteitspecifiek CCT-diagram zien: het schatten van de hardbaarheid en het voorspellen van de microstructuur bij kamertemperatuur, de sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen onder vastgelegde koelcondities.

Aan een aangehaalde temperatuur moet daarom de bijbehorende onderbouwing worden gekoppeld. Vermeld de staalkwaliteitsaanduiding en norm, de basis van de samenstelling — nominaal, warmteanalyse of gemeten samenstelling — evenals de voorafgaande microstructuur, de austenitiseertemperatuur en houdtijd, de verwarmings- of afkoelsnelheid, de geometrie van het proefstuk, het type diagram en de meetmethode. Dilatometrie, differentiële thermische analyse, meting van de elektrische weerstand en metallografische onderbreking kunnen verschillende schijnbare begin- en eindtemperaturen opleveren.

Notatie Ae, Ac, Ar, Ms, Mf en Aecm

Het voorvoegsel Ae duidt op een evenwichtstransformatietemperatuur. Zo is Ae1 de eutectoïde grens onder evenwichtsomstandigheden, en is Ae3 de bovenste grens die samenhangt met ferrietvorming uit austeniet in hypoeutectoïde staalsoorten. Aecm duidt de evenwichtgrens tussen austeniet en cementiet aan de koolstofrijke zijde aan. Het subscript “cm” verwijst naar cementiet, Fe₃C.

De ongeveer eutectoïde samenstelling is 0,8 gewichtsprocent koolstof. Bij ongeveer 723 °C geeft het materiaal Materials Science & Metallurgy van de University of Cambridge uit 2002 de reactie γ → α + Fe₃C. Hier is γ austeniet en α ferriet. Deze vergelijking beschrijft de fasen bij evenwicht; zij stelt niet dat elk staal dat door 723 °C wordt afgekoeld perliet zal vormen.

Het voorvoegsel Ac verwijst naar een kritische temperatuur die tijdens het verwarmen wordt gemeten, terwijl Ar verwijst naar een temperatuur die tijdens het afkoelen wordt gemeten. Ac1 en Ar1 kunnen van elkaar verschillen omdat kiemvorming, oplossen, diffusie en thermische vertraging afhankelijk zijn van de snelheid en de voorafgaande structuur. ASM International rapporteert dat bij langzaam afkoelen de kritische verwarmingstemperaturen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoelen. Ms is de martensietstarttemperatuur tijdens het afkoelen, en Mf is de martensieteindtemperatuur. Martensiet is een displacief, grotendeels diffusieloos product; onvoldoende afkoeling tot onder Mf kan restausteniet achterlaten. TTT-diagrammen markeren doorgaans Ms, terwijl CCT-diagrammen laten zien hoe continue afkoeling de gebieden voor perliet, bainiet en martensiet doorkruist.

Fasen, bestanddelen en rapportage van de microstructuur

Een fase is een fysisch en chemisch onderscheiden deel van een materiaal met een gedefinieerde structuur en een bepaald samenstellingsbereik. Interpretation of the Microstructure of Steels van de University of Cambridge uit 2008 identificeert austeniet als kubisch-vlakgecentreerd, ferriet als kubisch-ruimtelijkgecentreerd en cementiet als orthorombisch Fe₃C. Een faseveld in een evenwichtsdiagram voorspelt welke fasen bij een bepaalde samenstelling en temperatuur stabiel zijn. Het is geen foto en specificeert niet de deeltjesgrootte, onderlinge afstand, morfologie of transformatiesnelheid.

Een bestanddeel is een waargenomen microstructureel product of aggregaat. Perliet is gewoonlijk een ferriet-cementietaggregaat; bainiet bevat ferritische gebieden en carbideconfiguraties die door een verschillend transformatimechanisme zijn gevormd; martensiet is oververzadigd getransformeerd ferriet met een kenmerkende morfologie en koolstoftoestand. ASM International beschouwt perliet, bainiet, martensiet, pro-eutectoïde ferriet en pro-eutectoïde cementiet als de belangrijkste austeniettransformatieproducten, zowel onder isotherme als onder continu afkoelende omstandigheden. The Bainite Reaction van de University of Cambridge uit 2024 stelt dat bainietgroei diffusieloos verloopt met betrekking tot het ijzerrooster en thermodynamisch mogelijk is onder T₀, waar bainiet een lagere vrije energie heeft dan austeniet met een identieke samenstelling.

Rapporten moeten berekende fasevelden daarom onderscheiden van gemeten bestanddelen. Vermeld of de bron een evenwichtsdiagram van Fe–C of Fe–Fe₃C, een TTT-diagram of een CCT-diagram is, en geef vervolgens aan hoe de transformatie is gedetecteerd en hoe de uiteindelijke structuur is onderzocht. Een gepolijst en geëtst beeld, een röntgendiffractieresultaat, een dilatometrische curve en een hardheidsprofiel beantwoorden verschillende vragen. Een temperatuur zonder die context is een onvolledige aanduiding.

Van diagram naar microstructuur: een gedisciplineerde interpretatieworkflow

Een transformatiediagram is geen tabel waarin temperaturen kunnen worden opgezocht. Het is een kaart voor een specifieke samenstelling, toestand van het proefstuk, verwarmings- of afkoelingsschema en experimentele methode. De gedisciplineerde vraag is daarom niet: “Welke fase vormt zich bij 700 °C?”, maar: “Welk materiaal is aanwezig, welk pad heeft het gevolgd en welke transformatiemechanismen hebben voldoende tijd gehad om op te treden?”

Begin met de samenstelling en het beoogde thermische pad

Begin met het vastleggen van de staalaanduiding en de chemische samenstelling. “Koolstofstaal” is te algemeen voor een betrouwbare voorspelling. Een eutectoïdaal staal met uitsluitend koolstof gedraagt zich anders dan SAE 1141, en beide verschillen van gelegeerde staalsoorten die chroom, molybdeen, nikkel, mangaan of silicium bevatten. Leg het koolstof- en gehalte aan legeringselementen vast, evenals de voorafgaande toestand, de korrelgrootte indien bekend, de sectiedikte, de austenitiseertemperatuur, de houdtijd en de verwarmings- en afkoelingssnelheden.

De aanduiding moet worden gecontroleerd aan de hand van de werkelijke analyse van de smelt wanneer beslissingen van het resultaat afhangen. Kleine veranderingen in de chemische samenstelling kunnen transformatietemperaturen verschuiven en de fracties van de transformatieproducten wijzigen. Silicium verhoogt bijvoorbeeld het bereik van de transformatietemperatuur, verlaagt de koolstofoplosbaarheid in austeniet en bevordert de dissociatie van ijzercarbide. Zelfs de richting van de thermische excursie is van belang: ASM International rapporteert dat bij langzame afkoeling de kritische verwarmingstemperaturen ongeveer 33 °C hoger kunnen zijn dan de waarden bij afkoeling.

Classificeer vervolgens het thermische proces. Een evenwichtsberekening veronderstelt uiterst langzame veranderingen en voldoende tijd voor fasen om hun evenwichtssamenstellingen te benaderen. Bij een isotherme behandeling wordt het staal snel naar een geselecteerde temperatuur gebracht en daar gehouden; dit is de toestand die door een TTT-diagram wordt weergegeven. Bij een continue-afkoelingsbehandeling volgt de temperatuur een veranderend verloop en wordt dit weergegeven door een CCT-diagram. Afkoeling in een oven, aan de lucht, in olie en in water zijn continue paden, geen isotherme houdtijden, ook al zijn de eindtemperaturen vergelijkbaar.

Het bekende Fe–C-diagram levert nuttige grenslijnen, maar voorspelt niet iedere industriële microstructuur. In zuiver ijzer is kubisch vlakkengecentreerd austeniet stabiel van ongeveer 910 tot 1400 °C, en zuiver ijzer smelt bij ongeveer 1539 °C, volgens Stainless Steels: Phase Equilibria (2005) van de University of Cambridge. Deze waarden zijn niet ongewijzigd van toepassing op gelegeerd staal. Bij ongeveer 0,8 gewichtsprocent koolstof en 723 °C is de eutectoïde reactie γ → α + Fe₃C, maar een werkelijk staal kan pro-eutectoïdaal ferriet of cementiet bevatten voordat het eutectoïde bestanddeel zich vormt.

Volg het pad door TTT- of CCT-gegevens

Selecteer het diagram dat bij het proces past. Zoek in een TTT-diagram de austenitiseertoestand op, ga snel naar de houdtijdtemperatuur en lees vervolgens het begin en einde van de transformatie tijdens de houdtijd af. Teken of selecteer in een CCT-diagram de werkelijke afkoelingscurve en bepaal elk gebied dat deze doorkruist. Pas een begintijd uit een TTT-diagram niet rechtstreeks toe op een CCT-behandeling; het staal beweegt tijdens het voortschrijden van de transformatie door een temperatuurbereik.

Schrijf de volgorde expliciet op. Een hypo-eutectoïdaal staal kan eerst pro-eutectoïdaal ferriet uit austeniet vormen, gevolgd door perliet. Een hyper-eutectoïdaal staal kan vóór het perliet pro-eutectoïdaal cementiet vormen. Een afkoelingscurve die het perlietgebied vermijdt, kan het bainietgebied binnengaan en vervolgens Ms, de martensiet-begintemperatuur, overschrijden. De uiteindelijke structuur kan daardoor ferriet, perliet, bainiet, martensiet en retained austenite in verschillende verhoudingen bevatten.

Deze benamingen beschrijven ook verschillende soorten zaken. Ferriet, austeniet en cementiet zijn fasen: Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) van de University of Cambridge identificeert deze respectievelijk als kubisch ruimtelijk gecentreerd ferriet, kubisch vlakkengecentreerd austeniet en orthorombisch Fe₃C. Perliet en bainiet zijn transformatieproducten met kenmerkende rangschikkingen van fasen, terwijl martensiet een displacieve transformatieproduct is. Een transformatietemperatuur markeert een grens of gebeurtenis en geen gegarandeerd eindbestanddeel.

Het mechanisme is van belang. Reconstructieve transformaties vereisen atomaire diffusie en kunnen ferriet, perliet of cementiet produceren wanneer het pad voldoende tijd biedt voor herverdeling van koolstof. Martensiet vormt zich zonder de langeafstands-chemische diffusie die voor deze reacties vereist is. Bainiet heeft een andere combinatie van roosterverandering en koolstofherverdeling; The Bainite Reaction (2024) van de University of Cambridge stelt dat bainietgroei diffusieloos is met betrekking tot het ijzerrooster en thermodynamisch mogelijk is onder de T₀-temperatuur.

Martensiet is niet automatisch het laatste product. Als Ms onder kamertemperatuur ligt, of als het afkoelen stopt voordat de austeniet is uitgeput, kan retained austenite achterblijven. Het Cambridge TTT-materiaal (2012) identificeert koolstof specifiek als een factor die invloed heeft op Ms, de martensiet-eindtemperatuur Mf en de fracties retained austenite. “Gehard staal” kan dus een gemengde structuur betekenen en niet noodzakelijk 100% martensiet.

Valideer voorspellingen met microscopie en eigenschappenonderzoek

Beschouw het resultaat van het diagram als een voorspelling. Bevestig dit door een representatief proefstuk voor te bereiden, het te polijsten en te etsen met een methode die geschikt is voor het staal, en de structuur te onderzoeken met optische microscopie, scanning-elektronenmicroscopie of een andere geschikte techniek. Metallografie kan de morfologie van ferriet, de perlietafstand, bainietbundels, martensietgebieden, carbidenetwerken, ontkoling en segregatie zichtbaar maken, hoewel sommige bestanddelen zorgvuldig moeten worden geïnterpreteerd omdat etskontrast geen directe faseduiding is.

Meet de hardheid op vastgelegde posities en rapporteer de schaal, de belasting en het bemonsteringsplan. Voeg trek-, kerfslag-, vermoeiings-, maatvastheids- of retained-austenite-metingen toe wanneer de toepassing dit vereist. Met hardheid alleen kan niet elk mengsel worden onderscheiden en kan de taaiheid niet worden vastgesteld.

Een CCT-diagram van staal kan worden gebruikt om de hardbaarheid te schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, sterkte, hardheid, verspanbaarheid en vermoeiingseigenschappen te voorspellen. Limited evidence

Het NIST-rapport Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) demonstreert het praktische doel van CCT-gegevens: een dergelijk diagram kan de hardbaarheid schatten en de microstructuur bij kamertemperatuur, sterkte, hardheid, verspaanbaarheid en vermoeiingseigenschappen voorspellen. “Voorspellen” blijft het centrale woord. Een diagramdataset behoort bij een specifieke samenstelling, korreltoestand, proefstukafmeting en testprocedure. Wanneer de gevolgen van een fout aanzienlijk zijn, moet het thermische pad worden gevolgd, de voorspelde volgorde worden vastgelegd en deze met microscopie en gemeten eigenschappen worden vergeleken voordat het transformatiemodel wordt aanvaard.

Bronnen

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