आयरन-कार्बन मिश्र धातुओं में चरण स्थिरता पर तापमान विविधता का प्रभाव

आयरन-कार्बन मिश्र धातुओं में चरण: एक विस्तृत अवलोकन

लोहे के कार्बन मिश्र (स्टील्स और कास्ट आयरन) के यांत्रिक व्यवहार और सेवा जीवन को उनके सूक्ष्म संरचना में मौजूद क्रिस्टलीय चरणों के मिश्रण से निर्धारित किया जाता है। तापमान में बदलाव - हालांकि प्रसंस्करण के दौरान या सेवा में - प्रत्यक्ष रूप से परिवर्तन जो चरण स्थिर हैं और वे कैसे बदल जाते हैं। नीचे हम Fe-C प्रणाली में दिखाई देने वाले प्रमुख चरणों की जांच करते हैं, जो उनके क्रिस्टल संरचनाओं को गुणों के इंजीनियरों के लिए जोड़ते हैं।

]Ferrite (α-Fe) - एक शरीर केंद्रित घन (BCC) चरण जो नरम और नमनीय है। फेराइट बहुत कम कार्बन (अधिकतम ~ 0.022 Wt% 727 °C) को भंग कर देता है और कम कार्बन स्टील्स में प्राथमिक चरण है। इसकी BCC संरचना अन्य चरणों की तुलना में अच्छी क्रूरता लेकिन कम ताकत देती है।
Austenite (γ-Fe) - एक चेहरा केंद्रित घन (FCC) चरण जिसमें बहुत अधिक कार्बन घुलनशीलता (114 °C पर 2.14 wt% तक) होती है। ऑस्टेनाइट 727 °C ( hypoeutectoid स्टील्स के लिए) से ऊपर स्थिर है और कार्बन को भंग करने की इसकी लचीलापन और क्षमता के कारण गर्म बनाने और गर्मी उपचार को सक्षम बनाता है।
Cementite (Fe3C) - ऑर्थोर्मोबिक क्रिस्टल संरचना के साथ एक अंतरधातु यौगिक। यह अत्यंत कठिन और भंगुर है, जिसमें 6.67 wt% कार्बन शामिल है। सीमेंटाइट मोती में एक अलग चरण के रूप में दिखाई देता है और अतियूटेक्टोइड स्टील्स में एक नेटवर्क के रूप में, उच्च शक्ति को योगदान देता है लेकिन लचीलापन को कम करता है।
Pearlite – फेराइट और सीमेंटाइट की वैकल्पिक परतों से बना एक लैमेलर यूटेक्टॉइड संरचना। यह तब बनता है जब यूटेक्टॉइड संरचना (0.76 wt% C) का ऑस्टेनाइट धीरे-धीरे 727 °C के माध्यम से ठंडा हो जाता है। इंटरलामर रिक्ति यांत्रिक गुणों को नियंत्रित करती है: बारीक रिक्ति ताकत (हॉल-पिच प्रकार प्रभाव) बढ़ाती है।
Bainite - मध्यवर्ती शीतलन दरों पर गठित एक acicular (needle-like) सूक्ष्म संरचना, जिसमें फेराइट प्लेट और ठीक सीमेंट कणों शामिल हैं। बैनाइट ताकत और क्रूरता का एक अच्छा संयोजन प्रदान करता है।
Martensite] - एक गैर-इक्वेलिब्रियम, BCT (बॉडी-सेंटरेड टेट्रागोनल) जाली में कार्बन का अतिसंतृप्त ठोस समाधान, जिसका गठन ऑस्टेनाइट के तेजी से शीतलन (क्वेंचिंग) द्वारा किया गया है। Martensite बहुत कठिन और भंगुर है; इसकी कठोरता कार्बन सामग्री के साथ बढ़ जाती है।

इन चरणों में से प्रत्येक में तापमान और संरचना के संबंध में एक अलग स्थिरता रेंज होती है, जैसा कि लौह-कार्बन चरण आरेख में संक्षेप में प्रस्तुत किया जाता है।

आयरन-कार्बन चरण आरेख: तापमान-अवस्थिति मानचित्र

Fe-C (Wt% C तक) के लिए संतुलन चरण आरेख तापमान प्रभाव को समझने की नींव है।

Eutectoid बिंदु (0.76 wt% C, 727°C): Austenite (γ) ferrite (α) और cementite (Fe3C) के मिश्रण में विघटित - अर्थात् मोती।
Eutectic point (4.30 wt% C, 1148°C): तरल कच्चा लोहा में ऑस्टेनाइट और सीमेंटाइट (लेब्यूराइट) के मिश्रण में बदल देता है।
]Peritectic point (0.17 wt% C, 1493°C): तरल ऑस्टेनाइट बनाने के लिए δ-ferrite के साथ प्रतिक्रिया करता है।

शीतलन पर, चरण परिवर्तन इन संतुलन सीमाओं द्वारा निर्देशित होते हैं, लेकिन व्यवहार में शीतलन दर विचलन (गैर-इक्वेलिब्रियम परिवर्तन) का कारण बन सकती है जो कि बैनिइट या मार्टेंसाइट का उत्पादन करती है।

चरण स्थिरता के लिए तापमान रेंज

912°C (शुद्ध लौह के लिए; स्टील्स के लिए थोड़ा कम)

इन तापमान पर, ऑस्टेनाइट 2.14 wt% से नीचे कार्बन सामग्री के लिए स्थिर चरण है। यह गर्म काम (रोलिंग, फोर्जिंग) और समरूपीकरण उपचार की सीमा है। ऑस्टेनाइट के एफसीसी जाली उच्च कार्बन प्रसार, carburizing और अन्य सतह उपचार के लिए आवश्यक अनुमति देता है।

727°C और 912°C (hypoeutectoid क्षेत्र) के बीच

कम कार्बन स्टील्स में स्थिर चरण दो चरण क्षेत्र में फेराइट और ऑस्टेनाइट होते हैं। तापमान में गिरावट के रूप में, फेराइट ऑस्टेनाइट की अनाज सीमाओं पर बनने लगता है। फेराइट का अनुपात तब तक बढ़ता है जब तक कि यूटेक्टॉइड तापमान बढ़ जाता है।

727°C नीचे

eutectoid के तहत तापमान पर, सादे कार्बन स्टील्स के लिए संतुलन सूक्ष्म संरचना में फेराइट और सीमेंटाइट (eutectoid संरचना में पर्लाइट) शामिल हैं। हालांकि, अगर ठंडा तेजी से है, तो ऑस्टेनाइट गैर-equilibrium चरणों जैसे कि बेनाइट (~ 550 °C और एमएस के बीच) या मार्टेनसाइट (एमएस तापमान से नीचे) में बदल सकता है।

ताप और शीतलन के दौरान चरण परिवर्तन

ताप: ऑस्टेनिटाइजेशन और अनाज विकास

जब A3 तापमान (hypeutectoid) या A1 (eutectoid के लिए) से ऊपर एक स्टील को गरम किया जाता है, तो मौजूदा फेराइट और सीमेंटाइट ऑस्टेनाइट में बदल जाता है। इस प्रक्रिया में कार्बन प्रसार की आवश्यकता होती है और आमतौर पर तापमान की एक श्रृंखला पर होती है ((200 °C) क्रिटिकल लाइन के ऊपर)। प्रोपर ऑस्टेनिटाइजेशन समान कार्बन वितरण सुनिश्चित करता है। हालांकि, लंबे समय तक उच्च तापमान ऑस्टेनाइट अनाज को मोटे तौर पर कमजोर कर देता है, जो अंतिम उत्पाद को कमजोर करता है (हॉल-पिच प्रभाव: बड़े अनाज उपज ताकत को कम करता है)।

शीतलक: माइक्रोस्ट्रक्चर को नियंत्रित करना

ठंडा करने का मार्ग अंतिम चरण मिश्रण को निर्धारित करता है। शीतलन ऑस्टेनाइट पर तीन प्रमुख परिवर्तन उत्पाद हैं:

Pearlite - 700°C के पास तापमान पर धीमी शीतलन (फर्नेस कूलिंग, सामान्यीकरण) द्वारा बनाई गई। प्रक्रिया प्रसार आधारित है: सीमेंट परतों में कार्बन परमाणु विभाजन। इंटरलामर रिक्ति लगभग नीचे की ओर से संबंधित है; तेजी से ठंडा करने से बेहतर मोती और उच्च कठोरता (जैसे पेटेंट तार में) हो जाती है।
Bainite - मध्यवर्ती शीतलन दरों (जैसे, 450-550 °C पर आइसोथर्मल शमन में) पर गठित। बैनाइट कार्बन अस्वीकृति के बाद एक प्रसारहीन कतरनी तंत्र द्वारा बढ़ता है। लोअर बैनिइट (निचले तापमान पर बनाया गया) में ठीक कार्बाइड और उच्च शक्ति होती है।
Martensite] - जब ठंडा करने की दर महत्वपूर्ण ठंडा करने की दर से अधिक हो जाती है, तो C-curve की नाक को बायपास कर देती है। परिवर्तन एक थर्मल और diffusionless है; austenite जाली एक tetragonal संरचना बनाने के लिए कतरनी। मार्टेंसिटी शुरू तापमान (Ms) कार्बन सामग्री पर निर्भर करता है। उच्च कार्बन स्टील्स के लिए, Ms कमरे के तापमान से नीचे है, जिसका अर्थ है बरकरार रखा ऑस्टेनाइट मौजूद हो सकता है।

क्लासिक टाइम-टेम्परेचर-ट्रांसफॉर्मेशन (TTT) आरेख इन नियमों को प्रदर्शित करता है। एक ठंडा वक्र चुनने से, मेटलर्जिस्ट वांछित सूक्ष्म संरचना को लक्षित कर सकते हैं।

तापमान स्थिरता पर मिश्र धातु तत्वों का प्रभाव

प्रैक्टिकल स्टील्स में मैंगनीज, क्रोमियम, निकल, मोलिब्डेनम आदि होते हैं, जो चरण की सीमाओं और परिवर्तन कीनेटिक्स को बदल देते हैं। उदाहरण के लिए:

निकल और मैंगनीज ऑस्टेनाइट क्षेत्र (कम ए 3 तापमान) का विस्तार करते हैं और यूटेक्टॉइड कार्बन सामग्री को कम करते हैं।
क्रोमियम, वैनेडियम और मोलिब्डेनम फेराइट को स्थिर करते हैं और मिश्र धातु कार्बाइड के गठन को बढ़ावा देते हैं, जिससे यूटेक्टॉइड तापमान बढ़ जाता है।
मिश्र धातु तत्व आम तौर पर प्रसार को धीमा कर देते हैं, टीटीटी वक्र को लंबे समय तक बदल देते हैं और इसे मार्शलसाइट बनाने में आसान बनाते हैं (यानी वे कठोरता बढ़ाते हैं)।

इन बदलावों को समझना गर्मी उपचार तापमान का चयन करने के लिए महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, एक मानक 4340 स्टील (Ni-Cr-Mo) को सादे 1045 (780-820°C) की तुलना में उच्च तापमान (840-870 °C) की आवश्यकता होती है।

प्रैक्टिकल हीट ट्रीटमेंट एप्लीकेशन

हिंदी

एनीलिंग में ऑस्टेनाइट रेंज (या A1) से ऊपर की ओर हीटिंग और धीरे धीरे ठंडा (फर्नस कूलिंग) शामिल है। यह स्टील को नरम करता है, आंतरिक तनाव को राहत देता है, और एक मोटे मोती सूक्ष्म संरचना पैदा करता है। पूर्ण एनीलिंग (Above A3) अनाज संरचना को परिष्कृत करता है; गोलाकार एनीलिंग (A1) के नीचे) अधिकतम machinability के लिए गोलाकार सीमेंटाइट बनाता है।

सामान्यीकरण

ऑस्टेनाइट और एयर कूलिंग के लिए ताप एक समान, ठीक मोती सूक्ष्म संरचना पैदा करता है। सामान्यीकृत रूप से, समान रूप से लुढ़का या कास्ट स्थितियों की तुलना में समरूपता और यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाता है। यह अक्सर सख्त होने के लिए पूर्व उपचार के रूप में प्रयोग किया जाता है।

शमन और तड़के

ऑस्टेनाइट से पानी, तेल या हवा में शमन (rapid ठंडा) मर्टनसाइट पैदा करता है। परिणामस्वरूप स्टील बहुत कठिन लेकिन भंगुर और तनावग्रस्त है। तड़के में कार्बन प्रीपिसिटेशन को ठीक कार्बाइड के रूप में कम करने, कठोरता को कम करने और बेरहमी बढ़ाने की अनुमति देने के लिए A1 (आम तौर पर 150-650 °C) के नीचे तापमान पर पुनः ताप शामिल है। तड़के तापमान शक्ति और लचीलापन के अंतिम संतुलन को नियंत्रित करता है।

Isothermal हीट ट्रीटमेंट

ऑस्टेम्परिंग (बैनाइट गठन तापमान पर स्नान के लिए शमन) उत्कृष्ट क्रूरता के साथ बैनिटिक सूक्ष्म संरचनाएं पैदा करता है। मार्टेम्परिंग (Ms के ऊपर सिर्फ शमन, फिर धीमी शीतलन) विरूपण को कम करता है और सीधे शमन की तुलना में क्रैक करता है। दोनों प्रक्रियाएं तापमान-निर्भर परिवर्तन गति का उपयोग करती हैं।

निष्कर्ष

तापमान भिन्नता सीधे लौह कार्बन मिश्र धातुओं में चरण स्थिरता को नियंत्रित करती है। चरण आरेख और परिवर्तन केनेटिक्स को समझने के द्वारा, इंजीनियर गर्मी उपचार चक्रों को डिजाइन कर सकते हैं जो विशिष्ट ताकत, कठोरता और क्रूरता आवश्यकताओं के अनुरूप सूक्ष्म संरचनाएं उत्पन्न करते हैं। चाहे रेल स्टील के लिए ठीक मोती प्राप्त करना, उपकरणों को काटने के लिए मार्टेंससाइट, या गियर के लिए बेनाइट, हीटिंग और शीतलन दरों का सटीक नियंत्रण प्रमुख है। उन्नत उच्च शक्ति वाले स्टील्स (AHSS) में निरंतर शोध और अनुरूप शमन प्रक्रियाओं को Fe-C मिश्र धातुओं के साथ प्राप्त होने वाली सीमाओं को धक्का जारी है।

]प्राधिकृत संदर्भों के लिए, ASM हैंडबुक वॉल्यूम 4: हीट ट्रीटमेंट और आयरन-कार्बन चरण आरेख प्रविष्टि विकिपीडिया पर व्यापक विवरण प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, MatWeb डेटाबेस विभिन्न गर्मी-उपचारित स्टील्स के लिए यांत्रिक संपत्ति डेटा प्रदान करता है। ]