---
title: "Temperatury i fazy przemian stali | Steel Equivalents"
description: "Dowiedz się, jak skład stali i chłodzenie wpływają na temperatury przemian oraz powstawanie perlitu, bainitu i martenzytu."
canonical: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali
language: pl
robots: index, follow
og_type: article
type: wiki-article
language_alternates:
  en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/steel-transformation-temperatures-and-phases.md
  cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/teploty-a-fáze-přeměn-oceli.md
  de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/umwandlungstemperaturen-und-phasen-von-stahl.md
  es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/temperaturas-y-fases-de-transformación-del-acero.md
  fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/températures-et-phases-de-transformation-de-l-acier.md
  hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/acélátalakulási-hőmérsékletek-és-fázisok.md
  it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/temperature-e-fasi-della-trasformazione-dell-acciaio.md
  nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/transformatietemperaturen-en-fasen-van-staal.md
  pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali.md
  pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/temperaturas-e-fases-de-transformação-do-aço.md
  ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/температуры-и-фазы-превращений-стали.md
  tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çeliğin-dönüşüm-sıcaklıkları-ve-fazları.md
  zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢的转变温度与相.md
  ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の変態温度と相.md
  ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/درجات-حرارة-تحوّل-الفولاذ-وأطواره.md
  ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강철-변태-온도와-상.md
  pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/temperaturas-e-fases-da-transformação-do-aço.md
  hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-के-रूपांतरण-तापमान-और-प्रावस्थाएँ.md
content_hash: sha256:1c91ae101a578e5dd32e9bdd181a7eff63b50d673c60fe7c8c21addea7662a1c
generated: 2026-09-26
---

> **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page,
> served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML.
> Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali
> Canonical URL: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali
> Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi
> Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything
> below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real
> content change; `generated` moves on every render and is not a change signal.

![Temperatury i fazy przemian stali](/images/uploads/42f37647-ca7e-4aca-8147-3f8824994bb6/wiki-hero-a-polished-steel-cross-section-showing-ferrite-pearlite-bainite-martensite-and-r-1920x823.jpg)

Obróbka cieplna

# Temperatury i fazy przemian stali

Dowiedz się, jak skład stali i chłodzenie wpływają na temperatury przemian oraz powstawanie perlitu, bainitu i martenzytu.

![Portret Andersa Bergströma, reportera branży stalowej](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/pl/aktualnosci/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Obróbka cieplna 40 min czytania Zaktualizowano 14 sie 2026 Zweryfikowano naukowo

  Na tej stronieNa tej stronie

- [Co właściwie oznaczają temperatury przemian](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#co-właściwie-oznaczają-temperatury-przemian "Co właściwie oznaczają temperatury przemian")
- [Układ żelazo–węgiel: fazy, struktury krystaliczne i pola fazowe](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#układ-żelazo-węgiel-fazy-struktury-krystaliczne-i-pola-fazowe "Układ żelazo–węgiel: fazy, struktury krystaliczne i pola fazowe")
- [Powstawanie austenitu podczas nagrzewania](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#powstawanie-austenitu-podczas-nagrzewania "Powstawanie austenitu podczas nagrzewania")
- [Produkty chłodzenia: perlit, bainit, martenzyt i fazy proeutektoidalne](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#produkty-chłodzenia-perlit-bainit-martenzyt-i-fazy-proeutektoidalne "Produkty chłodzenia: perlit, bainit, martenzyt i fazy proeutektoidalne")
- [Wykresy TTT: co mogą, a czego nie mogą pokazać dane dotyczące przemiany izotermicznej](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#wykresy-ttt-co-mogą-a-czego-nie-mogą-pokazać-dane-dotyczące-przemiany-izotermicznej "Wykresy TTT: co mogą, a czego nie mogą pokazać dane dotyczące przemiany izotermicznej")
- [Wykresy CCT a rzeczywisty przebieg chłodzenia przemysłowego](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#wykresy-cct-a-rzeczywisty-przebieg-chłodzenia-przemysłowego "Wykresy CCT a rzeczywisty przebieg chłodzenia przemysłowego")
- [Dlaczego temperatury przemian różnią się między gatunkami stali i procesami](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#dlaczego-temperatury-przemian-różnią-się-między-gatunkami-stali-i-procesami "Dlaczego temperatury przemian różnią się między gatunkami stali i procesami")
- [Standardy odczytu, oznaczenia gatunków i terminologia przemian](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#standardy-odczytu-oznaczenia-gatunków-i-terminologia-przemian "Standardy odczytu, oznaczenia gatunków i terminologia przemian")
- [Od wykresu do mikrostruktury: zdyscyplinowany sposób interpretacji](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#od-wykresu-do-mikrostruktury-zdyscyplinowany-sposób-interpretacji "Od wykresu do mikrostruktury: zdyscyplinowany sposób interpretacji")

## Co właściwie oznaczają temperatury przemian

Temperatura przemiany stali nie jest uniwersalną liczbą podaną obok gatunku. Jest granicą lub zaobserwowanym zjawiskiem, które zależy od składu chemicznego, historii cieplnej, rozmiaru próbki, szybkości nagrzewania lub chłodzenia oraz mechanizmu, w którym jedna struktura przechodzi w inną. Podana temperatura może opisywać stan równowagi, początek reakcji podczas nagrzewania, początek reakcji podczas chłodzenia albo moment, w którym określony pomiar wykrywa zmianę. Są to wartości powiązane, ale nie można ich stosować zamiennie.

**Faza** jest fizycznie odrębną strukturą o określonym układzie krystalicznym i zakresie składu chemicznego. W stali austenit (γ) ma strukturę regularną ściennie centrowaną, ferryt (α) — regularną przestrzennie centrowaną, a cementyt jest rombowym Fe₃C, jak opisano na University of Cambridge w publikacji *Interpretation of the Microstructure of Steels* (2008). **Składnik strukturalny** jest ugrupowaniem mikrostrukturalnym, które może zawierać więcej niż jedną fazę. Perlit jest na przykład składnikiem strukturalnym złożonym z ferrytu i cementytu. **Produkt przemiany** jest strukturą powstałą z fazy macierzystej: perlit, bainit, martenzyt, ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny to główne produkty wymienione w opracowaniu ASM dotyczącym przemian austenitu.

Temperatura (°C)

Wybrane temperatury przemian i temperatury odniesienia dla czystego żelaza podane w artykule; wartości te nie są wzajemnie zamiennymi, zależnymi od gatunku temperaturami krytycznymi.

#### Nie utożsamiaj reakcji z każdym cyklem piecowym

Równanie eutektoidalne określa produkty równowagowe. Nie oznacza to, że każda stal zawierająca około 0,8% mas. węgla tworzy taką samą strukturę dokładnie w temperaturze 723 °C podczas rzeczywistego harmonogramu nagrzewania lub chłodzenia.

Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ temperatura może oznaczać zanik fazy, nie określając końcowego składnika strukturalnego. Przy zawartości około 0,8% mas. węgla i temperaturze 723°C austenit ulega przemianie eutektoidalnej γ → α + Fe₃C, zgodnie z materiałem University of Cambridge dotyczącym układu Fe–C z 2002 roku. Równanie to określa produkty równowagowe — ferryt i cementyt. Nie oznacza to, że każda stal zawierająca około 0,8% mas. węgla utworzy taką samą strukturę dokładnie w temperaturze 723°C podczas rzeczywistego cyklu piecowego.

### Granice równowagi a praktyczne temperatury krytyczne

Oznaczenia temperatur przemiany rozróżniają granice równowagowe od zjawisk zachodzących podczas nagrzewania, chłodzenia i przemian martenzytycznych.
| Oznaczenie | Znaczenie | Stan cieplny lub granica |
|---|---|---|
| Ae1 | Równowagowa temperatura eutektoidalna | Mogą współistnieć austenit oraz mieszanina ferrytu i cementytu |
| Ae3 | Górna równowagowa granica austenitu | Pole austenitu w porównaniu z polem austenitu i ferrytu |
| Aecm | Górna równowagowa granica austenitu i cementytu | Pole austenitu w porównaniu z polem austenitu i cementytu |
| Ac1 / Ac3 / Accm | Krytyczne temperatury obserwowane podczas nagrzewania | Powstawanie austenitu i zakończenie tego procesu podczas nagrzewania |
| Ar1 / Ar3 | Krytyczne temperatury obserwowane podczas chłodzenia | Przemiana podczas chłodzenia |
| Ms / Mf | Temperatury początku i końca tworzenia się martenzytu | Przemiana martenzytyczna o charakterze bezdyfuzyjnym |

Oznaczenia równowagowe opisują to, co jest stabilne termodynamicznie, gdy układ ma wystarczająco dużo czasu, aby zbliżyć się do stanu równowagi. **Ae1** jest równowagową temperaturą eutektoidalną: granicą, przy której austenit oraz mieszanina ferrytu i cementytu mogą współistnieć przy określonym składzie chemicznym i ciśnieniu. **Ae3** jest górną granicą równowagową dla austenitu w stali podeutektoidalnej; oddziela austenit od obszaru austenitu i ferrytu. **Aecm** jest odpowiadającą jej górną granicą dla stali nadeutektoidalnej; oddziela austenit od obszaru austenitu i cementytu. Indeks dolny „e” oznacza stan równowagi.

W przypadku powolnego chłodzenia krytyczne temperatury podczas nagrzewania mogą być o około 33 °C wyższe niż wartości podczas chłodzenia. Strong evidence

Temperatury operacyjne zapisuje się zwykle za pomocą innej notacji. **Ac1** i **Ac3** odnoszą się do temperatur przemiany obserwowanych podczas nagrzewania, natomiast **Ar1** i **Ar3** — do temperatur obserwowanych podczas chłodzenia. Litery „c” i „r” wskazują odpowiednio warunki nagrzewania i chłodzenia, a nie nowe fazy równowagowe. Podczas nagrzewania austenit może zacząć się tworzyć dopiero po przekroczeniu Ae1, ponieważ zarodkowanie i dyfuzja wymagają czasu. Podczas chłodzenia ferryt, perlit lub cementyt mogą pojawić się dopiero po obniżeniu temperatury stali poniżej granicy równowagi, ponieważ reakcja wymaga przechłodzenia. ASM International podaje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne podczas nagrzewania mogą być o około 33°C wyższe niż wartości podczas chłodzenia (2024). Różnica ta jest histerezą, a nie błędem na wykresie fazowym.

Skład chemiczny również przesuwa te granice. Węgiel zmienia stabilność austenitu oraz temperatury, w których mogą powstawać ferryt, perlit, cementyt i martenzyt. Pierwiastki stopowe przesuwają granice i zmieniają szybkość reakcji; krzem na przykład podnosi zakres temperatur przemiany, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja rozpadowi węglika żelaza. Punkt odniesienia dla czystego żelaza również zależy od temperatury: University of Cambridge podaje, że austenit o strukturze regularnej ściennie centrowanej występuje w przybliżeniu w zakresie 910–1400°C, a temperatura topnienia wynosi około 1539°C (2005). Gatunek stali nie może zatem odziedziczyć po czystym żelazie jednej, stałej „temperatury austenityzowania”.

### Nagrzewanie, chłodzenie, wytrzymanie izotermiczne i chłodzenie ciągłe

![Temperatury i fazy przemian stali](/images/uploads/22d3d9f4-2d9d-4325-a126-3944f95c845b/wiki-inline-a-thick-steel-component-undergoing-heat-treatment-with-separate-furnace-surface-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/22d3d9f4-2d9d-4325-a126-3944f95c845b/wiki-inline-a-thick-steel-component-undergoing-heat-treatment-with-separate-furnace-surface-1920x1094.avif "Powiększ obraz — Temperatury i fazy przemian stali")A furnace reading can cross Ac1 while the centre of a thick component remains cooler.

#### Jak przebieg cieplny zmienia zagadnienie

1. **Nagrzewanie** Ustalić, kiedy ferryt i cementyt rozpuszczą się w stopniu wystarczającym do utworzenia austenitu.
2. **Chłodzenie** Ustalić, które zakresy reakcji zostają przekroczone i jakie produkty przemiany mogą powstać.
3. **Wygrzewanie izotermiczne** Utrzymywać austenit w jednej wybranej temperaturze i odczytać czasy początku i końca przemiany z wykresu TTT przemiany izotermicznej.
4. **Chłodzenie ciągłe** Śledzić zmienny przebieg temperatury na wykresie CCT chłodzenia ciągłego.

Nagrzewanie, chłodzenie i wytrzymanie cieplne prowadzą do odmiennych zagadnień. Podczas nagrzewania chodzi o ustalenie, kiedy ferryt i cementyt rozpuszczą się w stopniu wystarczającym do utworzenia austenitu. Bezwładność cieplna oznacza, że temperatura pieca, temperatura powierzchni i temperatura rdzenia grubego elementu mogą znacznie się różnić. Wskazanie pirometru może przekroczyć Ac1, podczas gdy środek elementu jeszcze tego nie osiągnął. Rozmiar przekroju zmienia zatem efektywną drogę przepływu ciepła, nawet gdy nominalny harmonogram pracy pieca jest identyczny.

Podczas chłodzenia droga reakcji określa produkt przemiany. Powolne chłodzenie prowadzi do produktów kontrolowanych dyfuzją i związanych z przebudową struktury, takich jak ferryt proeutektoidalny i perlit, umożliwiając redystrybucję atomów węgla i żelaza. Szybsze chłodzenie hamuje te reakcje i może prowadzić do powstania bainitu lub martenzytu. University of Cambridge opisuje wzrost bainitu jako bezdyfuzyjny względem sieci żelaza i termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀, w której bainit ma niższą energię swobodną niż austenit o identycznym składzie. Martenzyt powstaje w przemianie przemieszczeniowej, zasadniczo bezdyfuzyjnej: jego tworzenie nie wymaga przemieszczania się węgla na duże odległości, chociaż zawartość węgla silnie wpływa na temperaturę początku jego powstawania.

**Przemiana izotermiczna** polega na wytrzymaniu austenitu w jednej wybranej temperaturze po szybkim schłodzeniu do tej temperatury. **Wykres TTT** — wykres przemian czas–temperatura — pokazuje, kiedy produkty przemiany zaczynają się tworzyć i kiedy ich powstawanie się kończy w takich warunkach wytrzymania. Jego krzywe C przedstawiają reakcje zależne od czasu, takie jak przemiana perlityczna i bainityczna, natomiast temperatura początku przemiany martenzytycznej, **Ms**, oznacza przemianę atermiczną, zależną głównie od osiągniętej temperatury, a nie od czasu inkubacji. **Mf** jest temperaturą końca przemiany martenzytycznej, jednak chłodzenie może zakończyć się powyżej Mf, pozostawiając austenit szczątkowy. University of Cambridge podaje, że węgiel wpływa na Ms, Mf oraz udział austenitu szczątkowego (2012).

**Wykres CCT** rejestruje natomiast przemianę podczas chłodzenia ciągłego. Szybkość chłodzenia decyduje o tym, które krzywe początku przemiany zostaną przecięte oraz jak długo stal pozostanie w każdym zakresie reakcji. Publikacja NIST *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) pokazuje, że wykres CCT może służyć do szacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Dlatego wartość CCT nie jest zamiennikiem wartości Ae. Granice równowagi opisują dopuszczalną stabilność faz, natomiast wykresy TTT i CCT opisują, kiedy rzeczywiste produkty przemiany pojawiają się na określonych drogach cieplnych.

## Układ żelazo–węgiel: fazy, struktury krystaliczne i pola fazowe

Wykres żelazo–węgiel jest mapą równowagi, a nie tabelą odczytu temperatury. Jego pola wskazują, które fazy są termodynamicznie stabilne dla danego składu i temperatury, przy założeniu wystarczającego czasu na dyfuzję. Rzeczywista stal często podąża jednak inną drogą: szybkości nagrzewania i chłodzenia przesuwają temperatury przemian, pierwiastki stopowe zmieniają stabilność faz, a szybkie chłodzenie może zahamować powstawanie produktów kontrolowanych dyfuzją. Dlatego ten sam gatunek nominalny może zawierać ferryt, perlit, bainit, martenzyt, austenit szczątkowy lub ich mieszaniny — zależnie od swojej historii cieplnej.

Wykres rozróżnia również **fazę**, **składnik mikrostruktury** i **produkt przemiany**. Ferryt, austenit i cementyt są fazami. Perlit jest składnikiem dwufazowym. Bainit i martenzyt są produktami przemiany, których struktury i składy zależą od sposobu rozkładu austenitu.

### Ferryt, austenit i cementyt

**Ferryt**, konwencjonalnie oznaczany w tym kontekście symbolem α, jest bogatym w żelazo roztworem stałym o strukturze krystalicznej regularnej przestrzennie centrowanej (BCC). Węgiel ma bardzo małą rozpuszczalność w ferrycie BCC, ponieważ dostępne położenia międzywęzłowe są niewielkie i słabo przystosowane do przyjmowania atomów węgla. W temperaturach zwykle występujących w praktyce stale niskowęglowe zawierają zazwyczaj ferryt jako fazę ciągłą lub osnowę. Jego stosunkowo mała zawartość węgla oraz sieć BCC pomagają wyjaśnić jego mniejszą twardość w porównaniu z martenzytem.

**Austenit**, oznaczany symbolem γ, ma strukturę krystaliczną regularną ściennie centrowaną (FCC). Sieć FCC zapewnia większe i korzystniej usytuowane położenia międzywęzłowe, dzięki czemu austenit rozpuszcza znacznie więcej węgla niż ferryt. Ta zdolność do zatrzymywania węgla ma zasadnicze znaczenie w obróbce cieplnej stali: austenityzacja ma na celu wprowadzenie węgla do γ przed rozpoczęciem chłodzenia, które decyduje o tym, czy powstaną perlit, bainit, martenzyt lub inna mieszanina.

W czystym żelazie materiał University of Cambridge z 2005 r. *Stale nierdzewne: równowaga fazowa* umieszcza austenit FCC w zakresie około 910–1400 °C. Zakres ten dotyczy czystego żelaza, a nie wszystkich stali. Czyste żelazo topi się w temperaturze około 1539 °C, natomiast węgiel i dodatki stopowe przesuwają granice faz oraz temperatury przemian.

**Cementyt**, Fe₃C, jest węglikiem żelaza o strukturze krystalicznej rombowej. Jest fazą związkową zawierającą około 6,67% mas. węgla, czyli znacznie więcej niż wynosi całkowita zawartość węgla w zwykłych stalach konstrukcyjnych. Cementyt jest twardy i kruchy, a jego ilość, kształt, odstępy i ciągłość silnie wpływają na zachowanie mechaniczne materiału. Źródło Cambridge *Interpretacja mikrostruktury stali* (2008) bezpośrednio wskazuje te trzy struktury: austenit jest FCC, ferryt jest BCC, a cementyt ma strukturę rombową Fe₃C.

Oznaczenia te opisują struktury krystaliczne, a nie tylko wygląd obserwowany pod mikroskopem. Ziarno ferrytu jest jedną fazą, nawet jeśli zawiera defekty lub niewielkie stężenia składników rozpuszczonych. Cząstki cementytu w ferrycie pozostają odrębną fazą, ponieważ różnią się składem i strukturą krystaliczną.

### Skład eutektoidalny i reakcja eutektoidalna \[1\] \[1\] [**Materials Science & Metallurgy**](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf). University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Przydatnym przykładem porządkującym jest punkt eutektoidalny. Materiał University of Cambridge z 2002 r. *Nauka o materiałach i metalurgia* podaje dla reakcji

γ→α+Fe3⁢C.

wartości około 0,8% mas. węgla i 723 °C. Obie wartości są przybliżone i zależne od źródła. Opublikowane wykresy mogą przedstawiać nieco inne liczby ze względu na przyjęte stany odniesienia, dane doświadczalne, założenia dotyczące stopu lub przyjętą konwencję definiowania temperatury krytycznej. Ważniejszy jest sam zapis reakcji niż traktowanie wartości 0,8% mas. i 723 °C jako dokładnych stałych.

Przy składzie eutektoidalnym austenit przekształca się w ferryt i cementyt, gdy temperatura obniża się poniżej równowagowej temperatury eutektoidalnej. W odpowiednich warunkach chłodzenia fazy te układają się w naprzemienne płytki lub lamelki zwane **perlitem**. Perlit nie jest trzecią strukturą krystaliczną ani pojedynczą fazą. Każda lamelka ferrytu ma strukturę BCC, a każda lamelka cementytu — rombową strukturę Fe₃C. Wzór obserwowany w obrębie kolonii jest produktem przemiany lub składnikiem mikrostruktury powstałym wskutek skoordynowanego wzrostu dwóch faz.

Szybkość chłodzenia zmienia odstępy między lamelkami, a czasami również sam produkt przemiany. Powolne chłodzenie umożliwia dyfuzję węgla na większe odległości i sprzyja powstawaniu stosunkowo grubego perlitu. Szybsze chłodzenie może prowadzić do powstania drobniejszego perlitu, bainitu albo — jeśli dyfuzja zostanie w znacznym stopniu uniemożliwiona — martenzytu. ASM International wymienia perlit, bainit, martenzyt, ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny wśród głównych produktów powstających z austenitu. \[2\] \[2\] [**Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel**](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf). National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Dlatego wyrażenie „temperatura przemiany stali” jest niepełne. Wykres równowagi podaje takie wartości jak Ae₁, czyli równowagową temperaturę eutektoidalną, podczas gdy nagrzewanie i chłodzenie prowadzą do temperatur Ac i Ar, które mogą się różnić. Materiał ASM z 2024 r. *Zakresy temperatur krytycznych* wskazuje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne podczas nagrzewania mogą być o około 33 °C wyższe niż wartości podczas chłodzenia. Wykresy przemian izotermicznych opisują wygrzewanie w wybranej temperaturze, natomiast wykresy ciągłego chłodzenia (CCT) opisują nieprzerwane chłodzenie. Badanie NIST z 1990 r. *Charakterystyka przemian podczas ciągłego chłodzenia stali SAE 1141* pokazuje, jak wykres CCT może służyć do szacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych.

Krzem stanowi dodatkowe ostrzeżenie przed przyjmowaniem stałych wartości. ASM podaje, że krzem podnosi zakres temperatur przemiany, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja dysocjacji węglika żelaza. Zmiana składu modyfikuje pola fazowe jeszcze przed rozpoczęciem cyklu w piecu.

### Ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny

Stale zawierające mniej węgla niż skład eutektoidalny to **stale podeutektoidalne**. Podczas chłodzenia austenitu ferryt powstaje jako pierwszy, zanim pozostały austenit osiągnie skład eutektoidalny. Ten wcześniej powstający ferryt nazywa się **ferrytem proeutektoidalnym**. W temperaturze eutektoidalnej resztkowy austenit przekształca się następnie w perlit. Ostateczna struktura stali podeutektoidalnej zazwyczaj zawiera więc ferryt proeutektoidalny i perlit, chociaż szybkość chłodzenia oraz dodatki stopowe mogą prowadzić do powstania bainitu lub martenzytu.

Stale zawierające więcej węgla niż skład eutektoidalny to **stale nadeutektoidalne**. Cementyt powstaje jako pierwszy z austenitu, zwykle wzdłuż wcześniejszych granic ziaren austenitu lub w innych korzystnych miejscach. Jest to **cementyt proeutektoidalny**. Pozostały austenit uzyskuje skład eutektoidalny i podczas dalszego chłodzenia przekształca się w perlit. Powstała struktura zazwyczaj zawiera cementyt proeutektoidalny i perlit.

Słowo „proeutektoidalny” oznacza „powstały przed reakcją eutektoidalną”, a nie „powstały przed pojawieniem się austenitu”. Oba produkty powstają z austenitu podczas chłodzenia. Ich ilości zależą od składu i drogi przemiany przez pola fazowe, natomiast ich morfologia zależy od zarodkowania, dyfuzji, wielkości ziaren i szybkości chłodzenia. Jeśli chłodzenie jest dostatecznie szybkie, rozkład eutektoidalny może zostać pominięty. Materiał Cambridge dotyczący mikrostruktury stali z 2008 r. rozróżnia te rekonstrukcyjne, kontrolowane dyfuzją reakcje od przemian przemieszczeniowych; martenzyt może powstać bez dyfuzji chemicznej na duże odległości, wymaganej do utworzenia perlitu. Węgiel wpływa również na temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej oraz na udział austenitu szczątkowego, jak odnotowano w materiale Cambridge z 2012 r. *Wykres czas–temperatura–przemiana dla stali*.

## Powstawanie austenitu podczas nagrzewania

Austenit nie pojawia się w jednej uniwersalnej temperaturze. Jego powstawanie zależy od zawartości węgla, dodatków stopowych, szybkości nagrzewania, czasu wygrzewania oraz struktury ferrytyczno-perlitycznej lub odpuszczonej obecnej przed nagrzewaniem. Sama faza ma strukturę regularną ściennie centrowaną γ-Fe; ferryt ma strukturę regularną przestrzennie centrowaną α-Fe, natomiast cementyt ma strukturę rombową Fe₃C, jak opisano w opracowaniu University of Cambridge *Interpretation of the Microstructure of Steels* (2008). Nagrzewanie zmienia zarówno strukturę krystaliczną, jak i rozkład węgla między tymi fazami.

Symbole Ac1, Ac3 i Accm opisują praktyczne temperatury krytyczne mierzone lub obserwowane podczas nagrzewania. Litera „c” oznacza nagrzewanie, natomiast cyfra „1” wskazuje początek powstawania austenitu. Ac1 jest zatem temperaturą, w której austenit po raz pierwszy powstaje z ferrytu i perlitu albo z perlitu i cementytu w stali nadeutektoidalnej. Ac3 jest temperaturą, w której zanika ostatni ferryt proeutektoidalny w stali podeutektoidalnej. Accm jest odpowiednią górną granicą dla stali nadeutektoidalnej: powyżej tej temperatury cementyt przeszedł do roztworu, a struktura jest w pełni austenityczna, z wyjątkiem nierozpuszczonych węglików stopowych.

Nie są to te same temperatury co Ae1, Ae3 i Aecm. Oznaczenie Ae odnosi się do warunków równowagi, w których udział faz może dostosowywać się w wyniku dyfuzji przy określonym składzie i temperaturze. Wartości Ac opisują rzeczywistą drogę nagrzewania, dlatego zmieniają się wraz z szybkością nagrzewania, rozmiarem próbki, stanem wyjściowym i metodą pomiaru. ASM International podaje, że podczas powolnego chłodzenia temperatury krytyczne przy nagrzewaniu mogą być wyższe od wartości przy chłodzeniu o około 33°C (*Critical Temperature Ranges*, 2024). Opublikowana wartość Ac1 lub Ac3 musi zatem być powiązana ze składem stali i warunkami badania.

### Przekraczanie temperatur Ac1, Ac3 i Accm

W stali podeutektoidalnej, takiej jak typowy niskowęglowy gatunek konstrukcyjny, struktura wyjściowa zwykle zawiera ferryt i perlit. W pobliżu składu eutektoidalnego kolonie perlitu zaczynają się przemieniać w temperaturze Ac1. Przy zawartości około 0,8% mas. węgla i temperaturze 723°C równowagowa przemiana eutektoidalna przebiega według równania γ → α + Fe₃C, zgodnie z materiałami University of Cambridge *Materials Science & Metallurgy* (2002). Nagrzewanie odwraca tę przemianę: ferryt i cementyt znajdujące się w perlicie są zużywane do utworzenia austenitu.

Przemiana nie zachodzi jako idealnie ostra granica. Austenit zarodkuje na granicach ferryt–cementyt, na granicach kolonii perlitu oraz w innych miejscach o wysokiej energii. Następnie rozrasta się w otaczającym ferrycie. Ponieważ węgiel dyfunduje przez austenit znacznie szybciej niż pierwiastki stopowe w położeniach substytucyjnych, we wczesnym etapie stężenie węgla staje się niejednorodne. Ostateczne porcje ferrytu rozpuszczają się dopiero wraz ze wzrostem temperatury w kierunku Ac3. Poniżej Ac3 mieszanina składa się z austenitu i ferrytu proeutektoidalnego; powyżej Ac3 osnowę stanowi austenit.

Stal nadeutektoidalna przechodzi inną drogę. Perlit przemienia się po przekroczeniu Ac1, lecz cementyt proeutektoidalny pozostaje wokół granic ziaren byłego austenitu lub w obrębie struktury. Austenit nie zostaje w pełni uformowany, dopóki temperatura nie przekroczy Accm, a cementyt nie rozpuści się w wystarczającym stopniu. Nagrzewanie niewiele powyżej Ac1 może zatem pozostawić austenit zawierający znaczny udział cementytu. Nazywanie takiego stanu „w pełni zahartowanym austenitycznie” jest nieprawidłowe.

Dla czystego żelaza dane Cambridge dotyczące równowagi fazowej umieszczają austenit o strukturze regularnej ściennie centrowanej w zakresie od około 910 do 1400°C, a temperaturę topnienia w pobliżu 1539°C. Stal nie podlega tym samym granicom co czyste żelazo: węgiel i pierwiastki stopowe przesuwają te granice, a nagrzewanie przemysłowe często zachodzi z dala od stanu równowagi. Praktyczne pytanie nie brzmi po prostu, czy piec osiągnął podaną temperaturę. Chodzi o to, czy wymagane fazy miały wystarczająco dużo czasu, aby przemienić się w całym przekroju.

### Rozpuszczanie węgla i redystrybucja węglików

Węgiel musi opuścić cementyt i dyfundować przez rosnący austenit. Drobna struktura perlityczna zwykle przemienia się szybciej niż perlit gruby, ponieważ zapewnia większą powierzchnię granic ferryt–cementyt i krótsze drogi dyfuzji. Wcześniejsze odkształcenie na zimno, wielkość ziaren, segregacja oraz wcześniejsze odpuszczanie również zmieniają miejsca zarodkowania i szybkość rozpuszczania.

#### Ograniczenie technologiczne

Nie traktuj temperatury pieca wyższej od Ac1, Ac3 lub Accm jako dowodu, że przekrój został w pełni austenityzowany. Bezwładność cieplna, wielkość przekroju, struktura wyjściowa, węgliki stopowe i czas wygrzewania mogą sprawić, że skład chemiczny i struktura elementu będą niejednorodne.

Po przekroczeniu Ac1 nowo powstały austenit może zawierać mniej węgla niż wynosi wartość równowagowa w tej temperaturze, podczas gdy obszary w pobliżu rozpuszczającego się cementytu zawierają go więcej. Wygrzewanie umożliwia redystrybucję węgla. Zbyt krótki czas może pozostawić nierozpuszczony cementyt, austenit ubogi w węgiel lub lokalne gradienty składu. Nadmierna temperatura lub zbyt długie wygrzewanie może powiększać ziarna byłego austenitu, nawet gdy rozpuszczanie zostało już zakończone.

Węgliki stopowe spowalniają ten proces. Węgliki zawierające chrom, molibden, wanad, niob i tytan mogą pozostawać stabilne znacznie powyżej temperatury potrzebnej do rozpuszczenia zwykłego Fe₃C. Ich trwałość może być zamierzona, oznacza to jednak, że nominalna „temperatura austenityzowania” nie gwarantuje przejścia do roztworu każdej cząstki zawierającej węgiel. Węgiel i atomy substytucyjne segregują również podczas odlewania i wcześniejszej obróbki, dlatego lokalne temperatury przemian mogą różnić się w obrębie jednego elementu.

### Wpływ krzemu i dodatków stopowych

Krzem jest wyraźnym przykładem tego, dlaczego każdej temperaturze przemiany powinien towarzyszyć skład chemiczny. ASM International podaje, że krzem podnosi zakres temperatur przemiany, zmniejsza rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja dysocjacji węglika żelaza. W stalach stopowych z krzemem stabilność cementytu i podział węgla między fazy różnią się zatem od występujących w stali węglowej. Skutkiem może być wyższa praktyczna granica nagrzewania, zmienione rozpuszczanie węglików oraz większa skłonność węgla do pozostawania rozdzielonego między austenitem i innymi składnikami podczas cyklu cieplnego.

Mangan na ogół obniża krytyczne temperatury przemian i zwiększa hartowność, natomiast nikiel stabilizuje austenit, a chrom, molibden, wanad, niob i tytan mogą tworzyć stabilne węgliki lub azotki. Łącznego wpływu nie można wywnioskować na podstawie pojedynczego pierwiastka rozpatrywanego w izolacji. Znaczenie ma również szybkość nagrzewania: szybkie nagrzewanie może prowadzić do wyższych obserwowanych wartości Ac, ponieważ dyfuzja i zarodkowanie nie nadążają za temperaturą pieca.

Powstały austenit kontroluje późniejszą przemianę. Podczas chłodzenia może tworzyć perlit, bainit, ferryt proeutektoidalny, cementyt proeutektoidalny lub martenzyt, zależnie od składu i drogi chłodzenia. Raport NIST *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) pokazuje, dlaczego do szacowania hartowności i przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności oraz właściwości zmęczeniowych stosuje się wykres CCT. Powstawanie austenitu jest stanem wyjściowym, a nie gwarancją uzyskania jednej określonej struktury końcowej.

## Produkty chłodzenia: perlit, bainit, martenzyt i fazy proeutektoidalne

Szybkość chłodzenia i temperatura końcowa decydują o tym, czy stal utworzy produkty rekonstrukcyjne, bainit, martenzyt czy ich mieszaniny.
| Warunek chłodzenia lub produkt | Dominujący mechanizm | Typowy wynik opisany w artykule |
|---|---|---|
| Powolne chłodzenie | Przemiana rekonstrukcyjna kontrolowana dyfuzją | Ferryt lub cementyt proeutektoidalny oraz perlit |
| Chłodzenie pośrednie | Bezdyfuzyjna zmiana sieci żelaza z redystrybucją węgla | Bainit |
| Szybkie chłodzenie | Skoordynowana przemiana bezdyfuzyjna z ograniczoną dyfuzją dalekiego zasięgu | Martenzyt |
| Chłodzenie zatrzymane powyżej Mf | Przemiana martenzytyczna pozostaje niepełna | Austenit szczątkowy |
| Mieszany przebieg chłodzenia | Przekroczony zostaje więcej niż jeden zakres przemiany | Mieszanka ferrytu, perlitu, bainitu, martenzytu lub austenitu szczątkowego |

Austenit nie ma jednego nieuniknionego produktu chłodzenia. Wynik zależy od zawartości węgla i składników stopowych, wielkości ziaren byłego austenitu, warunków nagrzewania, szybkości chłodzenia oraz czasu przebywania w każdej temperaturze. ASM International wymienia perlit, bainit, martenzyt, ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny jako główne produkty przemiany austenitu. Nazwy te nie opisują wszystkich tego samego rodzaju obiektów: ferryt i cementyt są fazami, perlit i bainit są produktami przemiany zawierającymi więcej niż jedną fazę, a martenzyt jest przesyconą fazą powstającą w wyniku innego mechanizmu.

Znana reakcja eutektoidalna ilustruje tę różnicę. University of Cambridge, *Materials Science & Metallurgy* (2002), umieszcza tę reakcję przy około 0,8% mas. węgla i 723°C:

γ→α+Fe3⁢C

Jak opisano w opracowaniu Cambridge *Interpretation of the Microstructure of Steels* (2008), γ oznacza austenit o regularnej strukturze ściennie centrowanej, α oznacza ferryt o regularnej strukturze przestrzennie centrowanej, a Fe₃C jest cementytem o strukturze rombowej. Temperatura ta jest równowagowym punktem odniesienia, a nie uniwersalnym punktem przełączania. Rzeczywista przemiana może rozpoczynać się poniżej lub powyżej tej wartości, zależnie od przebiegu cieplnego i składu.

### Perlit jako rekonstrukcyjny produkt przemiany kontrolowanej dyfuzją

Perlit powstaje, gdy austenit rozpada się w sposób skoordynowany na naprzemienne warstwy ferrytu i cementytu. Węgiel musi ulec redystrybucji: ferryt może rozpuszczać tylko niewielką ilość węgla, podczas gdy cementyt może przyjąć go znacznie więcej. Sieć żelaza również ulega rekonstrukcji — z układu regularnego ściennie centrowanego austenitu w strukturę regularną przestrzennie centrowanego ferrytu. Jest to zatem rekonstrukcyjna przemiana kontrolowana dyfuzją, a nie zwykła zmiana kształtu istniejącej sieci.

Skoordynowany charakter tej przemiany ma istotne znaczenie. Powstawanie ferrytu odrzuca węgiel do sąsiedniego austenitu, zwiększając miejscowe stężenie węgla i ułatwiając powstanie cementytu obok ferrytu. Z kolei powstawanie cementytu tworzy warunki umożliwiające wzrost sąsiedniego ferrytu. Powstałe kolonie zawierają lamelki, których odstęp silnie zależy od temperatury przemiany. Wyższe temperatury przemiany na ogół prowadzą do powstania perlitu grubszego, natomiast niższe temperatury — perlitu drobniejszego, ponieważ dostępna droga dyfuzji jest krótsza. Szybkość chłodzenia wpływa nie tylko na temperaturę początku przemiany, lecz także na odstęp między lamelkami, udział i morfologię produktu.

W stalach podeutektoidalnych ferryt proeutektoidalny powstaje, zanim pozostały austenit osiągnie skład eutektoidalny. Rośnie on preferencyjnie wzdłuż granic ziaren byłego austenitu i usuwa węgiel z nieprzemienionego austenitu, wskutek czego austenit ten stopniowo wzbogaca się w węgiel. W stalach nadeutektoidalnych powstaje natomiast cementyt proeutektoidalny, zwykle wzdłuż granic ziaren austenitu, podczas gdy pozostały austenit staje się uboższy w węgiel w porównaniu z pierwotnym stopem, zanim przemieni się w perlit. Struktura końcowa może zatem zawierać ferryt i perlit albo cementyt i perlit, a nie sam perlit.

Terminy Ae1, Ae3 i Aecm opisują granice równowagowe: Ae1 jest granicą eutektoidalną, Ae3 oddziela austenit od obszaru austenitu z ferrytem proeutektoidalnym dla odpowiednich składów, natomiast Aecm wyznacza odpowiadającą jej granicę cementytową. Krytyczne temperatury nagrzewania i chłodzenia nie muszą być takie same. ASM International w publikacji *Critical Temperature Ranges* (2024) stwierdza, że przy powolnym chłodzeniu krytyczne temperatury nagrzewania mogą być około 33°C wyższe od wartości odpowiadających chłodzeniu. Kinetyka i histereza cieplna nie są błędami na wykresie fazowym; stanowią część przemiany.

### Bainit i warunek T₀

Bainit zajmuje obszar pośredni, często przesłaniany przez uproszczone wykresy. Jego wzrost jest bezdyfuzyjny w odniesieniu do sieci żelaza: atomy żelaza przemieszczają się w skoordynowany sposób dysplacenty, zamiast dyfundować pojedynczo na duże odległości. Węgiel nie staje się jednak nieistotny. Przesycony ferryt powstały podczas początkowej zmiany sieci musi ulec redystrybucji — zazwyczaj do austenitu lub do węglika, zależnie od składu stali i warunków przemiany. Bainit nie jest więc ani perlitem o mniejszym odstępie między lamelkami, ani martenzytem powstałym w wyższej temperaturze.

Temperatura T₀ **Temperatura T₀** Temperatura, w której austenit i ferryt bainityczny o identycznym składzie mają taką samą energię swobodną; poniżej tej temperatury określona przemiana bainityczna jest dozwolona termodynamicznie.

University of Cambridge w publikacji *The Bainite Reaction* (2024) opisuje wzrost bainitu jako bezdyfuzyjny w odniesieniu do sieci żelaza i termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀. T₀ jest temperaturą, w której austenit i ferryt bainityczny o identycznym składzie chemicznym mają taką samą energię swobodną. Poniżej T₀ ferryt bainityczny o niezmienionym składzie ma niższą energię swobodną niż austenit, dlatego etap dysplacentny jest termodynamicznie dozwolony. Powyżej T₀ przemiana o tym samym składzie nie ma takiej siły napędowej.

Warunek ten nie oznacza, że każdy stop przemienia się w bainit natychmiast po przekroczeniu T₀. Na przebieg reakcji wpływają bariery zarodkowania, podział węgla, wydzielanie węglików, dodatki stopowe, defekty oraz dostępny czas. Końcowa struktura bainityczna może zawierać ferryt i węgliki, a jej wygląd zależy od tego, czy powstawanie węglików zachodzi między płytkami ferrytu, czy też zostaje zahamowane przez skład i sposób przetwarzania. Na przykład krzem podnosi zakres temperatury przemiany, zmniejsza rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja dysocjacji węglika żelaza; takie oddziaływania zmieniają przebieg i produkt przemiany, a nie tylko przesuwają jedną ustaloną temperaturę.

Wykres przemian izotermicznych przedstawia te ograniczenia kinetyczne za pomocą krzywych C. Wykres przemian przy chłodzeniu ciągłym daje inną odpowiedź, ponieważ próbka przechodzi przez zmieniające się temperatury w trakcie przemiany. NIST w publikacji *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) zauważa, że wykres CCT może służyć do oszacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Właśnie dlatego szybkości chłodzenia nie można zastąpić jedną „temperaturą bainitu”.

### Martenzyt jako dysplacentna przemiana atermiczna

![Temperatury i fazy przemian stali](/images/uploads/4f4a4ba0-d202-4ace-b34a-46aba4087485/wiki-inline-the-displacive-transformation-of-face-centred-cubic-austenite-into-carbon-supers-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/4f4a4ba0-d202-4ace-b34a-46aba4087485/wiki-inline-the-displacive-transformation-of-face-centred-cubic-austenite-into-carbon-supers-1920x1920.avif "Powiększ obraz — Temperatury i fazy przemian stali")Martensite forms by coordinated lattice displacement rather than long-range carbon diffusion.

Martenzyt powstaje w wyniku skoordynowanego ścinania i przetasowania sieci austenitu. Jest to przemiana dysplacentna: atomy żelaza przemieszczają się na małe odległości, bez długozasięgowej dyfuzji chemicznej wymaganej przy powstawaniu perlitu. Węgiel zostaje uwięziony w przemienionej sieci, powodując jej przesycenie i odkształcenie. W stali węglowej powstały martenzyt jest zwykle opisywany jako struktura regularna tetragonalna przestrzennie centrowana, chociaż jej tetragonalność zmienia się wraz z zawartością węgla i odpuszczaniem.

Martenzyt zaczyna powstawać w temperaturze początku przemiany martenzytycznej, Ms, gdy przebieg chłodzenia zapewnia wystarczającą siłę napędową do zarodkowania. Przemianę tę nazywa się atermiczną, ponieważ ilość powstałego martenzytu zależy głównie od osiągniętej temperatury, a nie od czasu wygrzewania w stałej temperaturze. Ms jest zatem temperaturą przemiany, a nie gwarancją, że cały austenit uległ przemianie. Dalsze chłodzenie na ogół prowadzi do powstania większej ilości martenzytu, jednak część austenitu może pozostać w temperaturze pokojowej. \[3\] \[3\] [**Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel**](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf). University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, czyli temperatura końca przemiany martenzytycznej, ma to samo ograniczenie. Wyznacza ona ekstrapolowany lub zmierzony zakres zakończenia przemiany martenzytycznej w określonych warunkach, a nie absolutną gwarancję braku austenitu szczątkowego. W publikacji Cambridge *Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel* (2012) wyraźnie pokazano, że węgiel wpływa na wartości Ms i Mf oraz na udziały austenitu szczątkowego. Składniki stopowe i wcześniejsze przemiany również zmieniają wynik.

Szybkie chłodzenie może zahamować produkty przemian rekonstrukcyjnych i umożliwić powstanie martenzytu, lecz znaczenie określenia „szybkie” zależy od gatunku stali. Wykres CCT danej stali może przy jednej szybkości chłodzenia wskazywać powstawanie perlitu lub bainitu przed osiągnięciem Ms, a przy innej — martenzytu. Wybór faz zależy zatem od całej historii cieplnej: temperatury równowagowe wskazują możliwe stany, wykresy TTT opisują kinetykę przemian izotermicznych, a wykresy CCT opisują rzeczywiste chłodzenie ciągłe. Sama temperatura nigdy nie przedstawia pełnego obrazu mikrostruktury.

## Wykresy TTT: co mogą, a czego nie mogą pokazać dane dotyczące przemiany izotermicznej

Wykres przemiana–czas–temperatura (TTT) przedstawia, co dzieje się, gdy austenit zostanie doprowadzony do wybranej temperatury i przetrzymany w tej temperaturze. Nie jest to uniwersalna tabela stałych temperatur przemian. Krzywe odnoszą się do określonego składu stali, obróbki austenityzującej, wcześniejszej wielkości ziarna oraz eksperymentalnej definicji początku i końca przemiany.

Aby skonstruować wykres, próbkę najpierw nagrzewa się wystarczająco wysoko w obszarze austenitu, aby uzyskać wymaganą strukturę γ. Następnie szybko schładza się ją do wybranej temperatury przetrzymywania. Chłodzenie musi zapobiegać przemianie podczas spadku temperatury. W temperaturze przetrzymywania próbkę utrzymuje się w warunkach izotermicznych, a zmiany jej struktury wykrywa się za pomocą dylatometrii, badań metalograficznych, pomiaru odpowiedzi magnetycznej lub innej metody pomiarowej. Czas, w którym przemiana staje się wykrywalna, nanosi się jako punkt początku; czas, w którym uznaje się, że wybrany udział przemiany został osiągnięty, nanosi się jako punkt końca. Powtarzanie tej procedury dla wielu temperatur prowadzi do uzyskania charakterystycznych krzywych.

Wynik pozwala rozdzielić produkty przemiany, fazy i temperatury. Austenit jest fazą: ferrytycznym żelazem γ o strukturze regularnej ściennie centrowanej, zawierającym węgiel i pierwiastki stopowe. Perlit i bainit są produktami przemiany, zwykle składającymi się z ferrytu oraz węglika w różnych układach. Martensyt również jest produktem przemiany, powstającym z austenitu wskutek bezdyfuzyjnej zmiany ułożenia sieci krystalicznej. W reakcji eutektoidalnej, w pobliżu 0,8% mas. węgla i 723 °C, austenit zmienia się zgodnie z równaniem γ → α + Fe₃C, jak opisuje University of Cambridge (2002). University of Cambridge określa ferryt jako żelazo o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej, a cementyt jako rombowy Fe₃C.

### Odczytywanie krzywych C

Temperaturę przedstawia się na osi pionowej, a czas — zazwyczaj w skali logarytmicznej — na osi poziomej. Stal poddaje się austenityzowaniu, szybko chłodzi do punktu na wykresie, a następnie przetrzymuje w stałej temperaturze. Jeżeli pozioma linia po raz pierwszy przecina krzywą początku przemiany przy 650 °C, czas upływający do tego przecięcia jest okresem inkubacji przed wykrywalnym początkiem przemiany. Dalsze przetrzymywanie prowadzi strukturę w kierunku odpowiedniej krzywej końca przemiany. Obszar między obiema krzywymi przedstawia mieszaninę nieprzemienionego austenitu i produktu przemiany, a nie pojedynczą fazę o precyzyjnie określonej temperaturze.

Krzywe zwykle wyginają się w kierunku krótkich czasów przy temperaturze pośredniej, tworząc „nos”. Przemiana zachodzi najszybciej w pobliżu tego nosa, ponieważ siła napędowa jest znaczna, a ruch atomów pozostaje wystarczająco szybki. Przy wyższych temperaturach niewielka siła napędowa spowalnia zarodkowanie; przy niższych temperaturach ograniczona dyfuzja spowalnia wzrost. Nos wskazuje zatem warunek czasowo-temperaturowy, a nie jedną temperaturę krytyczną.

Przetrzymywanie w stałej temperaturze powyżej odpowiedniego zakresu może prowadzić do powstania perlitu grubego; niższa temperatura przetrzymywania może prowadzić do powstania perlitu drobniejszego lub bainitu, zależnie od składu i danego wykresu. Dokładne granice zmieniają się wraz z zawartością węgla, manganu, chromu, molibdenu i krzemu, wcześniejszą wielkością ziarna austenitu oraz sposobem austenityzowania. Krzem na przykład podnosi zakres temperatury przemiany, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja dysocjacji węglika żelaza. Temperatury krytyczne podczas nagrzewania i chłodzenia również nie muszą być sobie równe: ASM International (2024) podaje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne nagrzewania mogą być około 33 °C wyższe niż wartości dotyczące chłodzenia.

Krzywej TTT nie można bezpośrednio przenieść na element, który chłodzi się w sposób ciągły. Piec, kąpiel olejowa, spoina lub gruby przekrój podążają po nachylonej ścieżce temperatura–czas, a nie pozostają w stałej temperaturze. Podczas takiego przebiegu materiał może przechodzić przez temperatury, w których rozpoczyna się przemiana, lecz dostępny czas zmienia się nieustannie. Odpowiednim narzędziem w takim przypadku jest wykres przemiany przy chłodzeniu ciągłym (CCT). W badaniu NIST (1990) dotyczącym stali SAE 1141 wykorzystano dane CCT do oszacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Wykres TTT może nadal dostarczać wskazówek, jednak jego zastosowanie do chłodzenia ciągłego wymaga weryfikacji, często za pomocą obliczonych krzywych chłodzenia lub doświadczalnie wyznaczonych danych CCT.

### Obszary przemian rekonstrukcyjnych i bezdyfuzyjnych

Oddzielne krzywe C na wielu wykresach stali odzwierciedlają różne mechanizmy, a nie jedynie różne nazwy tego samego zjawiska. Przemiany rekonstrukcyjne wymagają przekraczania granic międzyfazowych przez atomy i ich przeorganizowania w procesach obejmujących dyfuzję. Standardowym przykładem jest perlit: ferryt i cementyt powstają w wyniku podziału węgla, podczas gdy sieć żelaza zmienia się z austenitycznej w obszarach ferrytycznych. Ferryt proeutektoidalny lub cementyt proeutektoidalny również należą do tej rodziny przemian kontrolowanych dyfuzyjnie, gdy powstają przed reakcją eutektoidalną.

Bainit zajmuje inny obszar. Cambridge, w publikacji *The Bainite Reaction* (2024), stwierdza, że wzrost bainitu jest bezdyfuzyjny w odniesieniu do sieci żelaza i jest termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀, w której bainit o tym samym składzie ma niższą energię swobodną niż austenit. Przemiana łączy zatem bezdyfuzyjną zmianę sieci żelaza z redystrybucją węgla lub procesami wytrącania, które określają końcową strukturę bainityczną. Bainitu nie należy traktować po prostu jako „drobnego perlitu”.

Martensyt powstaje, gdy austenit jest chłodzony wystarczająco szybko, aby zahamować przemiany rekonstrukcyjne. Jego sieć zmienia się wskutek skoordynowanego przemieszczenia atomów, zasadniczo bez dyfuzji dalekiego zasięgu podczas powstawania. Obszar martensytu przedstawia się zatem za pomocą temperatur, a nie zwykłych zależnych od czasu krzywych C.

### Ms, Mf i austenit szczątkowy

**Ms**, temperatura początku przemiany martenzytycznej, jest osiągana podczas chłodzenia austenitu, gdy mogą zacząć tworzyć się zarodki martensytu. W odpowiednim zakresie przemiana ma charakter atermiczny: ilość powstałego martensytu zależy głównie od osiągniętej temperatury, a nie od czasu przetrzymywania w stałej temperaturze. **Mf**, temperatura końca przemiany martenzytycznej, jest umowną temperaturą, w której zdefiniowana przemiana martenzytyczna zostaje zakończona.

Mf może leżeć poniżej temperatury pokojowej. W takim przypadku chłodzenie do temperatury pokojowej pozostawia część austenitu w stanie nieprzemienionym. Jest to austenit szczątkowy, a nie odrębna faza równowagowa wybrana na podstawie prostego odczytu temperatury. Stanowi on skutek składu i przebiegu chłodzenia, a jego ilość może zmieniać się podczas późniejszego odpuszczania, eksploatacji lub odkształcania.

Węgiel silnie wpływa na wszystkie trzy wielkości. Materiały TTT University of Cambridge (2012) pokazują, że węgiel wpływa na Ms, Mf oraz udział austenitu szczątkowego: zwiększenie zawartości węgla na ogół obniża Ms i Mf oraz zwiększa udział austenitu pozostającego po określonej obróbce chłodzeniem. Pierwiastki stopowe i wcześniejsza obróbka również zmieniają wynik. Zatem linia oznaczona jako Ms na jednym wykresie odnosi się do danej stali i warunków badania; nie można jej bezkrytycznie przenosić na inny gatunek lub element.

## Wykresy CCT a rzeczywisty przebieg chłodzenia przemysłowego

### Chłodzenie ciągłe przez zakresy przemian

Wykres czas–temperatura–przemiana (TTT) opisuje, co dzieje się, gdy austenit jest utrzymywany w wybranej temperaturze. Warunek ten jest przydatny do badania przemian izotermicznych, ale nie odpowiada typowej historii cieplnej elementu stalowego. Odkuwki opuszczają matrycę i nieprzerwanie tracą ciepło. Wyroby walcowane chłodzą się w zmiennym polu temperatury. Stale normalizowane i wyżarzane przechodzą przez zakresy przemian podczas chłodzenia w piecu lub na powietrzu, natomiast elementy hartowane często szybko przekraczają te zakresy, zanim osiągną temperaturę początku przemiany martenzytycznej, Ms.

![Temperatury i fazy przemian stali](/images/uploads/66c0e349-3ed2-48a5-8ae9-a419f18ae2f5/wiki-inline-a-steel-heat-treatment-technician-tracing-a-real-cooling-curve-from-a-hot-compon-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/66c0e349-3ed2-48a5-8ae9-a419f18ae2f5/wiki-inline-a-steel-heat-treatment-technician-tracing-a-real-cooling-curve-from-a-hot-compon-1920x1288.avif "Powiększ obraz — Temperatury i fazy przemian stali")Continuous cooling follows a changing path through the transformation ranges.

Wykres przemian przy chłodzeniu ciągłym (CCT) jest zatem często bardziej praktyczną mapą. Granice początku i końca przemian przedstawia się na nim w funkcji stale obniżającej się temperatury. Krzywa chłodzenia naniesiona na wykres pokazuje, kiedy i jak długo austenit znajduje się w zakresie temperatur, w którym może powstać określony produkt przemiany. Krzywa może wejść w obszar początku tworzenia ferrytu, następnie przejść w obszar tworzenia perlitu, przejść przez zakres bainitu i w końcu przekroczyć Ms, wskutek czego pozostały austenit przemienia się w martenzyt. Końcowa struktura może więc być mieszaniną, a nie pojedynczą nazwaną fazą lub produktem przemiany.

To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ ferryt, perlit, bainit i martenzyt nie powstają w wyniku tego samego mechanizmu. Ferryt lub cementyt proeutektoidalny może powstać przed przemianą eutektoidalną w stalach podeutektoidalnych lub nadeutektoidalnych. W pobliżu składu eutektoidalnego, wynoszącego w przybliżeniu 0,8% mas. węgla i 723 °C, austenit ulega przemianie γ → α + Fe₃C, zgodnie z materiałem *Materials Science & Metallurgy* Uniwersytetu Cambridge (2002). Symbol α oznacza ferryt, a Fe₃C — cementyt. Materiał *Interpretation of the Microstructure of Steels* Uniwersytetu Cambridge (2008) określa austenit jako fazę o strukturze regularnej ściennie centrowanej, ferryt jako fazę o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej, a cementyt jako rombowy Fe₃C.

W niższych temperaturach może powstawać bainit w wyniku przemiany bezdyfuzyjnej względem sieci żelaza, chociaż redystrybucja węgla nadal odgrywa ważną rolę w tej przemianie i w powstawaniu jej produktów. Materiał *The Bainite Reaction* Uniwersytetu Cambridge (2024) stwierdza, że wzrost bainitu jest termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀, przy której bainit ma niższą energię swobodną niż austenit o identycznym składzie. Jeżeli chłodzenie jest dostatecznie szybkie, można ominąć produkty powstające w wyniku procesów dyfuzyjnych. Sieć austenitu zmienia się wówczas przemieszczeniowo w martenzyt, począwszy od Ms; tworzenie martenzytu jest przemianą bezdyfuzyjną zależną od temperatury, dlatego ilość powstałego martenzytu zależy głównie od tego, o ile temperatura spadnie poniżej Ms, a nie od czasu wytrzymania w jednej temperaturze.

Krzywa CCT również nie jest uniwersalną właściwością „stali”. Temperatura austenityzowania, czas wytrzymania, wcześniejsza struktura ferrytyczno-perlityczna lub bainityczna, wielkość ziaren, zawartość dodatków stopowych oraz ośrodek chłodzący wpływają na wynik. Krzem na przykład podnosi zakres temperatur przemiany, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja rozpadowi węglika żelaza. Nawet temperatury krytyczne zmierzone podczas nagrzewania i chłodzenia nie muszą być takie same: materiał *Critical Temperature Ranges* ASM International (2024) podaje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne podczas nagrzewania mogą być około 33 °C wyższe niż wartości uzyskane podczas chłodzenia.

### Przykład stali SAE 1141

Raport National Institute of Standards and Technology *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) przedstawia użyteczny przykład zastosowania. SAE 1141 jest resulfurizowaną stalą średniowęglową, powszechnie oznaczaną symbolem gatunku SAE/AISI 1141. Dodatek siarki poprawia skrawalność, jednak gatunek ten nadal reaguje na pełne współdziałanie zawartości węgla, stanu austenitu, szybkości chłodzenia i geometrii przekroju.

W pracy NIST dane CCT wykorzystuje się do powiązania przebiegów chłodzenia austenitu ze strukturą w temperaturze pokojowej, zamiast przypisywania gatunkowi jednej temperatury przemiany. Względnie powolny przebieg może przeciąć obszary ferrytu i perlitu przed osiągnięciem niższych temperatur. Szybszy przebieg może zahamować część tych przemian lub wszystkie te przemiany, wejść w obszar bainitu albo ominąć przemianę dyfuzyjną aż do przekroczenia Ms i utworzenia martenzytu. Jeżeli krzywa chłodzenia przecina więcej niż jeden obszar początku przemiany, stal może zawierać ferryt proeutektoidalny z perlitem, perlit z bainitem, bainit z martenzytem albo kilka produktów jednocześnie. Austenit, który pozostaje nieprzemieniony po zakończeniu chłodzenia, może zachować się jako austenit szczątkowy.

Ta ostatnia frakcja nie jest szczegółem drugorzędnym. Materiał *Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel* Uniwersytetu Cambridge (2012) wskazuje w szczególności, że węgiel wpływa na Ms, temperaturę końca przemiany martenzytycznej Mf oraz udział austenitu szczątkowego. Jeżeli stal zostanie schłodzona tylko do temperatury wyższej od Mf, część austenitu może pozostać. Później może on ulec przemianie podczas eksploatacji, obróbki skrawaniem lub kolejnej obróbki cieplnej, zmieniając wymiary i naprężenia.

Badanie NIST dotyczące stali SAE 1141 wskazuje to praktycznie wprost: wykres CCT stali można stosować do szacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Są to oszacowania, a nie zamienniki sprawdzenia rzeczywistego cyklu cieplnego i przekroju elementu. Krzywa chłodzenia powierzchni może przebiegać znacznie na lewo od granic przemiany, podczas gdy rdzeń chłodzi się wolniej i tworzy ferryt oraz perlit. Ten sam element może zatem mieć twardą martenzytyczną warstwę wierzchnią i bardziej miękki, mieszany rdzeń.

### Hartowność, wielkość przekroju i przewidywanie właściwości

#### Hartowność a twardość

Twardość opisuje odporność na wciskanie lub odkształcenie w określonym stanie. Hartowność opisuje zdolność stali do tworzenia martenzytu oraz głębokość, na jaką może on powstać, przy określonej obróbce austenityzującej i określonych warunkach chłodzenia.

Hartowność jest często mylona z twardością. Są to różne wielkości. Twardość opisuje odporność na wciskanie lub odkształcenie w określonym stanie. Hartowność opisuje zdolność stali do tworzenia martenzytu oraz głębokość, na jaką może on powstać, przy określonej obróbce austenityzującej i określonych warunkach chłodzenia. Stali o dużej hartowności nie przypisuje się jednej uniwersalnej wartości twardości. Jej twardość nadal zależy od zawartości węgla, udziału martenzytu, odpuszczania i miejscowej szybkości chłodzenia.

Wielkość przekroju zmienia tę szybkość chłodzenia. Cienki pręt może chłodzić się na całym przekroju wystarczająco szybko, aby ominąć tworzenie ferrytu i perlitu. W grubej odkuwce ciepło zgromadzone w rdzeniu spowalnia przebieg chłodzenia, umożliwiając wejście krzywej w obszary początku przemiany, których powierzchnia unika. W rdzeniu może wówczas występować bainit lub perlit, podczas gdy na powierzchni znajduje się martenzyt. Ten gradient cieplny powoduje również różnice zmian objętości i naprężeń przemiany, które mogą przyczyniać się do odkształceń, pęknięć hartowniczych i powstawania naprężeń szczątkowych.

Interpretację CCT należy zatem rozpoczynać od rzeczywistego procesu: temperatury i czasu austenityzowania, kontaktu z piecem lub matrycą, opóźnienia przenoszenia, ośrodka chłodzącego, intensywności jego ruchu, orientacji elementu oraz miejscowej grubości przekroju. Przewidywane produkty przemiany wyznaczają następnie drogę do określenia właściwości. Ferryt i gruby perlit na ogół zmniejszają wytrzymałość i twardość, jednocześnie poprawiając skrawalność w porównaniu z nieodpuszczonym martenzytem; bainit zajmuje pozycję pośrednią, silnie zależną od warunków; martenzyt zwiększa twardość i wytrzymałość, ale może obniżać ciągliwość i odporność na pękanie, jeżeli nie zostanie odpuszczony. Mieszaniny faz i gradienty wpływają również na zmęczenie, ponieważ miejscowa twardość, naprężenia szczątkowe, wtrącenia i austenit szczątkowy zmieniają inicjację oraz rozwój pęknięć. Samo odczytanie temperatury z tabeli nie pozwala uwzględnić tych efektów. Przebieg chłodzenia — tak.

## Dlaczego temperatury przemian różnią się między gatunkami stali i procesami

Temperatura przemiany nie jest uniwersalną wartością odczytywaną z tabel dla „stali”. Określa ona warunek, w którym dana przemiana fazowa dla określonego składu chemicznego i przebiegu cieplnego staje się możliwa lub wykrywalna. Wynik zależy również od tego, czy wykres opisuje stan równowagi, wygrzewanie izotermiczne czy chłodzenie ciągłe. Perlit, bainit, martenzyt, ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny są różnymi produktami przemian, a nie wymiennymi nazwami jednej temperatury.

### Zawartość węgla i skład chemiczny stopu

Węgiel zmienia zarówno granice równowagi, jak i produkty powstające podczas chłodzenia. W układzie żelazo–węgiel przemiana eutektoidalna zachodzi przy około 0,8% mas. węgla i w temperaturze 723 °C:

γ→α+Fe3⁢C

W publikacji *Materials Science & Metallurgy* Uniwersytetu Cambridge (2002) przedstawiono tę przemianę austenitu w ferryt i cementyt. Austenit ma strukturę regularną ściennie centrowaną, ferryt — regularną przestrzennie centrowaną, a cementyt jest rombowym Fe₃C, zgodnie z opisem w publikacji Cambridge *Interpretation of the Microstructure of Steels* (2008). Zmiana zawartości węgla przesuwa skład i temperaturę eutektoidalną oraz zmienia fazę, która pojawia się przed przemianą eutektoidalną. Stale podeutektoidalne mogą tworzyć ferryt proeutektoidalny, natomiast stale nadeutektoidalne — cementyt proeutektoidalny.

Węgiel zmienia również temperaturę początku przemiany martenzytycznej, Ms, oraz temperaturę, przy której przemiana martenzytyczna zostaje w znacznym stopniu zakończona, Mf. Publikacja Cambridge *Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel* (2012) wskazuje w szczególności, że węgiel wpływa na Ms, Mf oraz udział austenitu szczątkowego. Zwiększanie zawartości węgla na ogół obniża Ms i Mf. Jeżeli Mf spadnie poniżej temperatury pokojowej, część austenitu może pozostać nieprzemieniona. Obecność tego austenitu szczątkowego nie świadczy o tym, że stal nie osiągnęła jednej, sztywno określonej „temperatury hartowania”; odzwierciedla ona skład chemiczny oraz końcową temperaturę chłodzenia.

Znaczenie ma również mechanizm przemiany. Perlit i produkty proeutektoidalne wymagają redystrybucji węgla i powstają w procesie kontrolowanym dyfuzyjnie. Martenzyt tworzy się w wyniku szybkiej przemiany przemieszczeniowej, dzięki czemu sieć żelaza może ulec przemianie bez dalekozasięgowej dyfuzji węgla wymaganej do powstania cementytu. Bainit zajmuje pośrednie miejsce w tym opisie: publikacja Cambridge *The Bainite Reaction* (2024) stwierdza, że jego wzrost jest bezdyfuzyjny względem sieci żelaza i termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀, przy której bainit o tym samym składzie ma niższą energię swobodną niż austenit.

Dodatki stopowe mogą przesuwać te zależności, lecz ich wpływu nie należy traktować jako identycznego. Udokumentowanym przykładem jest krzem. ASM International podaje, że krzem podnosi zakres temperatur przemian, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja rozpadowi węglika żelaza. W konsekwencji stali zawierających krzem nie można interpretować na podstawie niezmodyfikowanego wykresu równowagi układu żelazo–węgiel dla stali niestopowych. Nie uzasadnia to jednak przypisywania jednej poprawki każdemu pierwiastkowi stopowemu: każdy pierwiastek zmienia stabilność faz, dyfuzję, skład chemiczny węglików lub kombinację tych czynników.

### Histereza podczas nagrzewania i chłodzenia

Temperatura zarejestrowana podczas nagrzewania nie musi być równa temperaturze zarejestrowanej podczas chłodzenia. Podczas nagrzewania ferryt i cementyt muszą się rozpuścić, a austenit musi zarodkować i rosnąć; wymaga to aktywacji cieplnej oraz czasu. Podczas chłodzenia austenit rozkłada się w wyniku innego procesu zarodkowania i wzrostu. Dlatego przemiana wykazuje histerezę nawet wtedy, gdy piec zmienia temperaturę powoli.

ASM International w publikacji *Critical Temperature Ranges* (2024) stwierdza, że w warunkach powolnego chłodzenia krytyczne temperatury podczas nagrzewania mogą być o około 33 °C wyższe niż wartości podczas chłodzenia. Jest to ilościowe stwierdzenie wynikające ze źródła, a nie uniwersalna poprawka obowiązująca dla każdego cyklu pracy pieca lub każdego stopu. Szybsze nagrzewanie może zwiększać pozorne przekroczenie temperatury, ponieważ dyfuzja i zarodkowanie nie nadążają za temperaturą mierzoną. Szybkie hartowanie może przez wystarczająco długi czas hamować tworzenie perlitu i bainitu, aby powstał martenzyt, natomiast wygrzewanie izotermiczne może doprowadzić do przemiany w temperaturze, która nie odpowiadałaby punktowi początku przemiany na wykresie chłodzenia ciągłego.

To rozróżnienie oddziela temperatury równowagowe, takie jak Ae1, Ae3 i Aecm, od praktycznych temperatur Ac i Ar mierzonych podczas nagrzewania i chłodzenia. Wykres TTT opisuje przemianę podczas wygrzewania izotermicznego po austenityzowaniu. Wykres CCT przedstawia przebieg przy temperaturze zmieniającej się w sposób ciągły. Publikacja NIST *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) wykorzystuje dane CCT do oceny hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Krzywa CCT jest zatem mapą procesu, a nie zamiennikiem danych dotyczących równowagi fazowej.

### Wielkość ziaren austenitu pierwotnego, czas i gradienty cieplne

Czas austenityzowania zmienia więcej, niż sugeruje wskazanie termometru. Wystarczająco długie wygrzewanie może doprowadzić do rozpuszczenia węglików, ujednorodnienia zawartości węgla oraz wzrostu ziaren austenitu. Niedostateczny czas może pozostawić nierozpuszczone węgliki albo obszary bogate i ubogie w węgiel, przez co różne części tego samego elementu rozpoczynają chłodzenie z odmienną skłonnością do przemian. Zbyt długi czas wygrzewania zwykle prowadzi do powstania większych ziaren austenitu pierwotnego, zmniejszając całkowitą powierzchnię granic ziaren dostępną do zarodkowania i często opóźniając przemiany dyfuzyjne.

Wielkość ziaren austenitu pierwotnego zmienia zatem kinetykę przemian, a nie tworzy nowego składu równowagowego. Drobne ziarna zapewniają więcej miejsc zarodkowania i mogą sprzyjać wcześniejszemu powstawaniu ferrytu lub perlitu podczas chłodzenia. Ziarna grube mogą zwiększać hartowność przez opóźnianie powstawania tych produktów zarodkujących na granicach ziaren, umożliwiając większej części austenitu osiągnięcie warunków tworzenia bainitu lub martenzytu. Dokładne przesunięcie zależy od zawartości węgla, składu chemicznego stopu, stanu granic ziaren oraz szybkości chłodzenia.

Rzeczywiste elementy rzadko podążają równomiernie za harmonogramem pracy pieca. Gruby przekrój traci ciepło przez powierzchnię, podczas gdy jego rdzeń pozostaje gorący, co powoduje różne szybkości chłodzenia w obrębie przekroju. Na rzeczywisty przebieg cieplny wpływają ponadto równomierność temperatury w piecu, rozmieszczenie wsadu, kontakt z oprzyrządowaniem oraz utlenianie powierzchni. Powierzchnia może przejść przez obszar tworzenia perlitu lub bainitu, podczas gdy rdzeń nadal znajduje się powyżej tego obszaru; później rdzeń może ulegać przemianie przy mniejszej szybkości chłodzenia niż powierzchnia. W rezultacie jeden nominalny proces obróbki cieplnej może prowadzić do powstania ferrytu, perlitu, bainitu, martenzytu i austenitu szczątkowego w różnych miejscach. Temperatura ma znaczenie, lecz to przebieg zmian temperatury decyduje o tym, jaki produkt przemiany powstanie.

## Standardy odczytu, oznaczenia gatunków i terminologia przemian

### SAE 1141 a ograniczenia wykresów dotyczących konkretnych gatunków

Wykres przemian jest zapisem dla określonego składu i zdefiniowanej ścieżki cieplnej, a nie uniwersalną tabelą temperatur. Wykres CCT oznaczony jako **SAE 1141** odnosi się do składu chemicznego, obróbki austenityzującej, wielkości próbki i metody badawczej zastosowanych do jego opracowania. Nie należy zmieniać jego oznaczenia na „wykres stali węglowej”, a tym bardziej stosować go bez odpowiednich zastrzeżeń do stali niskostopowej, nierdzewnej lub narzędziowej.

To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ pierwiastki stopowe zmieniają trwałość faz, szybkości dyfuzji, powstawanie węglików i kinetykę przemian. Węgiel zmienia zakres przemiany austenitu w martenzyt oraz udział austenitu szczątkowego; opublikowana przez University of Cambridge w 2012 roku praca *Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel* wskazuje w szczególności na wpływ na **Ms**, **Mf** i udziały austenitu szczątkowego. Według ASM International publikacja *Critical Temperature Ranges* z 2024 roku krzem podnosi zakres temperatur przemian, zmniejsza rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja dysocjacji węglika żelaza. Nikiel, chrom, molibden i mangan mogą przesuwać krzywe przemian oraz opóźniać powstawanie produktów przemian dyfuzyjnych. Gatunek stali nierdzewnej może również zawierać obszary występowania ferrytu, austenitu lub faz międzymetalicznych nieobecne na wykresie dla stali niskowęglowej, natomiast stale narzędziowe mogą tworzyć węgliki stopowe zmieniające zarówno produkty przemian równowagowych, jak i obserwowane produkty przemian.

Nawet dobrze znany układ odniesienia dotyczący wyłącznie żelaza jest zależny od składu. Publikacja Cambridge z 2005 roku *Stainless Steels: Phase Equilibria* podaje, że austenit o strukturze regularnej ściennie centrowanej w czystym żelazie występuje w przybliżeniu w zakresie 910–1400 °C, a temperatura topnienia wynosi około 1539 °C. Wartości te nie określają temperatur krytycznych dla **SAE 1141**. Publikacja NIST z 1990 roku *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* pokazuje właściwe zastosowanie wykresu CCT dla konkretnego gatunku: do szacowania hartowności i przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności oraz właściwości zmęczeniowych przy określonych warunkach chłodzenia.

Do każdej podanej temperatury należy zatem dołączyć podstawę dowodową. Należy podać oznaczenie gatunku i normę, podstawę określenia składu chemicznego — nominalny skład, analizę wytopową lub zmierzony skład — a także wyjściową mikrostrukturę, temperaturę austenityzowania i czas wygrzewania, szybkość nagrzewania lub chłodzenia, geometrię próbki, rodzaj wykresu oraz metodę pomiaru. Rozszerzalność cieplna mierzona dylatometrycznie, różnicowa analiza termiczna, pomiar oporu elektrycznego oraz badanie metalograficzne z przerywaniem przemiany mogą dawać różne pozorne temperatury początku i końca przemiany.

### Oznaczenia Ae, Ac, Ar, Ms, Mf i Aecm

Prefiks **Ae** oznacza temperaturę przemiany w warunkach równowagi. Zatem **Ae1** jest granicą eutektoidalną w warunkach równowagi, a **Ae3** jest górną granicą związaną z powstawaniem ferrytu z austenitu w stali podeutektoidalnej. **Aecm** oznacza równowagową granicę austenit–cementyt po stronie bogatej w węgiel. Indeks dolny „cm” odnosi się do cementytu, **Fe₃C**.

Przybliżony skład eutektoidalny wynosi 0,8% mas. węgla. W temperaturze około 723 °C materiały dydaktyczne University of Cambridge z 2002 roku *Materials Science & Metallurgy* podają reakcję **γ → α + Fe₃C**. Symbol γ oznacza austenit, a α — ferryt. Równanie to opisuje fazy w stanie równowagi; nie oznacza, że każda stal chłodzona przez temperaturę 723 °C utworzy perlit.

Prefiks **Ac** odnosi się do temperatury krytycznej mierzonej podczas nagrzewania, natomiast **Ar** — do temperatury mierzonej podczas chłodzenia. Wartości Ac1 i Ar1 mogą się różnić, ponieważ zarodkowanie, rozpuszczanie, dyfuzja i bezwładność cieplna zależą od szybkości oraz stanu wyjściowego struktury. ASM International podaje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne przy nagrzewaniu mogą być około 33 °C wyższe niż wartości uzyskiwane podczas chłodzenia. **Ms** jest temperaturą początku przemiany w martenzyt podczas chłodzenia, a **Mf** — temperaturą jej zakończenia. Martenzyt jest produktem przemiany przemieszczeniowej, w znacznym stopniu bezdyfuzyjnej; niewystarczające chłodzenie poniżej Mf może pozostawić austenit szczątkowy. Wykresy TTT zazwyczaj oznaczają Ms, natomiast wykresy CCT pokazują, w jaki sposób chłodzenie ciągłe przecina obszary perlitu, bainitu i martenzytu.

### Fazy, składniki i opis mikrostruktury

Faza jest fizycznie i chemicznie odrębną częścią materiału o określonej strukturze i zakresie składu chemicznego. Publikacja Cambridge z 2008 roku *Interpretation of the Microstructure of Steels* określa austenit jako fazę o strukturze regularnej ściennie centrowanej, ferryt jako fazę o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej, a cementyt jako rombowy **Fe₃C**. Pole fazowe na wykresie równowagi przewiduje, które fazy są trwałe przy danym składzie i temperaturze. Nie jest ono fotografią i nie określa wielkości cząstek, odległości między nimi, morfologii ani szybkości przemiany.

Składnik jest obserwowanym produktem mikrostrukturalnym lub agregatem. Perlit jest powszechnie rozumiany jako agregat ferryt–cementyt; bainit zawiera obszary ferrytowe i układy węglików powstałe w wyniku odrębnego mechanizmu przemiany; martenzyt jest przesyconym ferrytowym produktem przemiany o charakterystycznej morfologii i stanie nasycenia węglem. ASM International uznaje perlit, bainit, martenzyt, ferryt proeutektoidalny i cementyt proeutektoidalny za główne produkty przemiany austenitu, zarówno w warunkach izotermicznych, jak i przy chłodzeniu ciągłym. Publikacja Cambridge z 2024 roku *The Bainite Reaction* stwierdza, że wzrost bainitu jest bezdyfuzyjny względem sieci żelaza i jest termodynamicznie możliwy poniżej **T₀**, gdzie bainit ma niższą energię swobodną niż austenit o identycznym składzie.

W sprawozdaniach należy zatem oddzielać obliczone pola fazowe od zmierzonych składników mikrostruktury. Należy określić, czy źródłem jest równowagowy wykres Fe–C lub Fe–Fe₃C, wykres TTT czy wykres CCT, a następnie wskazać, w jaki sposób wykryto przemianę i jak zbadano strukturę końcową. Obraz zgładu po polerowaniu i trawieniu, wynik dyfrakcji rentgenowskiej, krzywa dylatometryczna i profil twardości odpowiadają na różne pytania. Temperatura bez tego kontekstu jest niepełnym oznaczeniem.

## Od wykresu do mikrostruktury: zdyscyplinowany sposób interpretacji

Wykres przemian nie jest tabelą odczytu temperatury. Jest mapą opracowaną dla określonego składu chemicznego, stanu próbki, harmonogramu nagrzewania lub chłodzenia oraz metody doświadczalnej. Dlatego zdyscyplinowane pytanie nie brzmi: „Jaka faza powstaje w temperaturze 700 °C?”, lecz: „Jaki materiał jest obecny, jaką drogę przebył i jakie mechanizmy przemian miały czas zadziałać?”.

### Zacznij od składu chemicznego i założonej drogi cieplnej

#### Minimalny zakres informacji potrzebnych do interpretacji wykresu przemian

- **Skład** Zanotuj oznaczenie stali oraz zawartość węgla i pierwiastków stopowych.
- **Stan wyjściowy** Zanotuj wyjściową mikrostrukturę i wielkość ziarna, jeśli są znane.
- **Geometria** Zanotuj grubość przekroju i wielkość próbki.
- **Austenityzacja** Zanotuj temperaturę austenityzacji i czas wygrzewania.
- **Przebieg cieplny** Zanotuj szybkość nagrzewania, szybkość chłodzenia, ośrodek chłodzący i opóźnienie przenoszenia.
- **Walidacja** Porównaj przewidywaną sekwencję z obserwacjami mikroskopowymi i zmierzonymi właściwościami.

Najpierw zapisz oznaczenie stali i jej skład chemiczny. Określenie „[stal węglowa](/pl/materiały/numer-materiału/1.1545 " — skład, odpowiedniki i normy")” jest zbyt ogólne, aby umożliwić wiarygodne przewidywanie. Eutektoidalna stal niestopowa zachowuje się inaczej niż SAE 1141, a obie różnią się od gatunków stopowych zawierających chrom, molibden, nikiel, mangan lub krzem. Zapisz zawartość węgla i pierwiastków stopowych, stan wyjściowy, wielkość ziarna, jeśli jest znana, grubość przekroju, temperaturę austenityzowania, czas wytrzymania oraz szybkości nagrzewania i chłodzenia.

Oznaczenie gatunku należy porównać z rzeczywistą analizą wytopu, jeśli od wyniku zależą podejmowane decyzje. Niewielkie zmiany składu chemicznego mogą przesuwać temperatury przemian i zmieniać udziały produktów przemian. Krzem na przykład podnosi zakres temperatur przemian, obniża rozpuszczalność węgla w austenicie i sprzyja rozpadowi węglika żelaza. Znaczenie ma nawet kierunek zmiany temperatury: ASM International podaje, że przy powolnym chłodzeniu temperatury krytyczne wyznaczane podczas nagrzewania mogą być około 33 °C wyższe niż wartości wyznaczane podczas chłodzenia.

Następnie sklasyfikuj proces cieplny. Obliczenia równowagowe zakładają niezwykle powolne zmiany i wystarczający czas, aby fazy mogły zbliżyć się do swoich składów równowagowych. Obróbka izotermiczna polega na szybkim doprowadzeniu stali do wybranej temperatury i wytrzymaniu w tej temperaturze; warunek ten przedstawia wykres TTT. Obróbka przy chłodzeniu ciągłym przebiega przy zmieniającej się temperaturze i jest przedstawiana na wykresie CCT. Chłodzenie w piecu, chłodzenie na powietrzu, hartowanie w oleju i hartowanie w wodzie są drogami ciągłymi, a nie wytrzymaniami izotermicznymi, nawet jeśli ich temperatury końcowe są podobne.

Znajomy wykres Fe–C dostarcza użytecznych granic, lecz nie pozwala przewidzieć każdej mikrostruktury przemysłowej. Według opracowania *Stainless Steels: Phase Equilibria* (2005) Uniwersytetu Cambridge’a w czystym żelazie austenit o strukturze regularnej ściennie centrowanej jest stabilny w zakresie od około 910 do 1400 °C, a czyste żelazo topi się w temperaturze około 1539 °C. Wartości te nie mają zastosowania bez zmian do stali stopowej. Przy zawartości około 0,8% mas. węgla i temperaturze 723 °C zachodzi reakcja eutektoidalna γ → α + Fe₃C, lecz w rzeczywistej stali przed powstaniem składnika eutektoidalnego może występować ferryt lub cementyt przed-eutektoidalny.

### Prześledź drogę na danych TTT lub CCT

Wybierz wykres odpowiadający danemu procesowi. Na wykresie TTT zlokalizuj warunki austenityzowania, szybko przejdź do temperatury wytrzymania, a następnie odczytaj początek i koniec przemiany podczas wytrzymania. Na wykresie CCT narysuj rzeczywistą krzywą chłodzenia lub wybierz odpowiednią krzywą i określ każdy obszar, przez który ona przechodzi. Nie przenoś bezpośrednio czasu początku przemiany z wykresu TTT na obróbkę przy chłodzeniu ciągłym; podczas postępu przemiany stal przechodzi przez zakres różnych temperatur.

Zapisz sekwencję przemian wprost. W stali podeutektoidalnej najpierw może powstać z austenitu ferryt przed-eutektoidalny, a następnie perlit. W stali nadeutektoidalnej przed perlitem może powstać cementyt przed-eutektoidalny. Krzywa chłodzenia, która omija obszar perlitu, może wejść w zakres bainitu, a następnie przekroczyć Ms, czyli temperaturę początku tworzenia martenzytu. W rezultacie struktura końcowa może zawierać ferryt, perlit, bainit, martenzyt i austenit szczątkowy w różnych proporcjach.

Nazwy te opisują również różne rodzaje składników. Ferryt, austenit i cementyt są fazami: Uniwersytet Cambridge’a w opracowaniu *Interpretation of the Microstructure of Steels* (2008) identyfikuje je odpowiednio jako ferryt o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej, austenit o strukturze regularnej ściennie centrowanej oraz rombowy Fe₃C. Perlit i bainit są produktami przemian o charakterystycznym układzie faz, natomiast martenzyt jest produktem przemiany przemieszczeniowej. Temperatura przemiany wyznacza granicę lub zdarzenie, a nie gwarantowany końcowy składnik struktury.

Mechanizm ma znaczenie. Przemiany rekonstrukcyjne wymagają dyfuzji atomów i mogą prowadzić do powstania ferrytu, perlitu lub cementytu, gdy droga przemiany zapewnia wystarczająco dużo czasu na redystrybucję węgla. Martenzyt powstaje bez dalekiego zasięgu dyfuzji chemicznej wymaganej przez te reakcje. Bainit powstaje w wyniku innego połączenia zmiany sieci krystalicznej i redystrybucji węgla; Uniwersytet Cambridge’a w opracowaniu *The Bainite Reaction* (2024) stwierdza, że wzrost bainitu jest bezdyfuzyjny względem sieci żelaza i jest termodynamicznie możliwy poniżej temperatury T₀.

Martenzyt nie jest automatycznie ostatnim produktem przemiany. Jeżeli Ms leży poniżej temperatury pokojowej lub jeżeli chłodzenie zatrzyma się, zanim austenit zostanie całkowicie zużyty, może pozostać austenit szczątkowy. Materiały Cambridge dotyczące wykresów TTT (2012) wskazują w szczególności, że węgiel wpływa na Ms, temperaturę końca tworzenia martenzytu Mf oraz udziały austenitu szczątkowego. Określenie „stal zahartowana” może zatem oznaczać strukturę mieszaną, a nie 100% martenzytu.

### Weryfikuj przewidywania za pomocą mikroskopii i badań właściwości

Traktuj wynik odczytany z wykresu jako przewidywanie. Potwierdź go, przygotowując reprezentatywną próbkę, polerując ją i trawiąc metodą odpowiednią dla danej stali, a następnie badając strukturę za pomocą mikroskopii optycznej, skaningowej mikroskopii elektronowej lub innej właściwej techniki. Metalografia może ujawnić morfologię ferrytu, odległości między płytkami perlitu, wiązki bainityczne, obszary martenzytyczne, sieci węglików, odwęglenie i segregację, choć niektóre składniki wymagają starannej interpretacji, ponieważ kontrast trawienia nie jest bezpośrednim oznaczeniem fazy.

Wykonuj pomiary twardości w określonych miejscach i podawaj skalę, obciążenie oraz plan pobierania próbek. Jeżeli wymaga tego zastosowanie, uzupełnij je pomiarami wytrzymałości na rozciąganie, udarności, zmęczenia, wymiarów lub zawartości austenitu szczątkowego. Sama twardość nie pozwala rozróżnić każdej mieszaniny składników ani określić ciągliwości.

Wykres CCT stali można wykorzystać do oszacowania hartowności oraz przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności i właściwości zmęczeniowych. Limited evidence

Raport NIST *Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel* (1990) pokazuje praktyczne znaczenie danych CCT: taki wykres może służyć do szacowania hartowności i przewidywania mikrostruktury w temperaturze pokojowej, wytrzymałości, twardości, skrawalności oraz właściwości zmęczeniowych. Słowo „przewidywać” pozostaje tu kluczowe. Zestaw danych wykresu odnosi się do określonego składu chemicznego, stanu ziaren, rozmiaru próbki i procedury badawczej. Gdy konsekwencje błędu są istotne, prześledź drogę cieplną, zapisz przewidywaną sekwencję i porównaj ją z wynikami mikroskopii oraz zmierzonymi właściwościami, zanim zaakceptujesz model przemiany.

## Źródła

1. \[1\] University of Cambridge. [Materials Science & Metallurgy](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf). University of Cambridge phase-trans materials, 2002. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#wiki-cite-ref-1) 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](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf). NIST Interagency Report, 1990. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#wiki-cite-ref-2) https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. \[3\] University of Cambridge. [Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf). University of Cambridge phase-trans materials, 2012. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/temperatury-i-fazy-przemian-stali#wiki-cite-ref-3) https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf

 **Najważniejsze fakty**

Skład eutektoidalny

Około 0,8% mas. węgla

Temperatura eutektoidalna

Około 723 °C

Zakres austenitu w czystym żelazie

Około 910–1400 °C

Temperatura topnienia czystego żelaza

Około 1539 °C

Histereza przy powolnym chłodzeniu

Krytyczne temperatury podczas nagrzewania mogą być o około 33 °C wyższe niż wartości podczas chłodzenia

 [Powrót do Obróbka cieplna](/pl/wiki/obróbka-cieplna "Obróbka cieplna — Steel Wiki")