कार्बन सामग्री और शमन स्टील्स में Martensite गठन के बीच संबंध

परिचय: स्टील हार्डनिंग में कार्बन की क्रिटिकल रोल

स्टील सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल इंजीनियरिंग मिश्र धातु बनी हुई है, और इसकी यांत्रिक गुणों को मूल रूप से गर्मी उपचार द्वारा नियंत्रित किया जाता है। विभिन्न ताप उपचार प्रक्रियाओं में, शमन-अस्टेनाइट चरण से रेपिड कूलिंग - मार्टेनसाइट को उत्पन्न करता है, एक सूक्ष्म संरचना जो असाधारण कठोरता और ताकत प्रदान करती है। स्टील की कार्बन सामग्री एक ही सबसे प्रभावशाली कारक है जो मार्टेंससाइट गठन, इसकी अंतिम संरचना और परिणामी गुणों को नियंत्रित करती है। यह लेख शमन स्टील्स में कार्बन सामग्री और मार्टेंससाइट के बीच संबंधों का व्यापक, तकनीकी अन्वेषण प्रदान करता है, जिसमें परिवर्तन तंत्र, यांत्रिक व्यवहार और व्यावहारिक विनिर्माण विचार शामिल हैं।

Martensite Formation Fundamental

मार्टेंससाइट एक मेटास्टेबल चरण है जो एक द्विसंख्यक, चेहरे से जुड़े क्यूबिक (FCC) से शरीर से जुड़े टेट्रागोनल (BCT) संरचना के लिए एक अस्थिर परिवर्तन से बना है। तेजी से शमन (कोलिंग की दर 100 °C / s से 1000 °C / s के आधार पर कार्बन सामग्री के आधार पर) कार्बन परमाणुओं के प्रसार को दबा देता है, उन्हें लोहे के जाली के अंतरस्थल स्थलों में फँसाता है। कार्बन के इस अतिसंतृप्ति एक में घन जाली को विकृत करती है, जिसमें सी / एक अनुपात कार्बन सामग्री के साथ रैखिक रूप से बढ़ जाता है। परिवर्तन केवल तापमान पर निर्भर करता है।

मार्टेंसाइट की प्रमुख विशेषताओं में इसके acicular (needle-like) morphology, उच्च विच्छेदन घनत्व और जुड़वाओं या लेटों का एक अच्छा उपसंरचना शामिल है। morphology स्वयं कार्बन सामग्री पर निर्भर करता है: कम कार्बन स्टील्स (0.4% C से नीचे) समानांतर प्लेटों के साथ लेट मार्टेंसाइट बनाने की प्रवृत्ति रखते हैं, जबकि उच्च कार्बन स्टील्स (0.6% C से ऊपर) एक विशेषता ज़िगज़ैग पैटर्न के साथ प्लेट मार्टेंसाइट का उत्पादन करते हैं। ये अंतर सीधे परिवर्तन तनाव और कतरनी विरूपण को समायोजित करने के लिए ऑस्टेनाइट की क्षमता से संबंधित हैं।

कैसे कार्बन सामग्री गोर्न्स Martensite रूपांतरण

एक अंतर-स्थाई मिश्र धातु तत्व के रूप में कार्बन

कार्बन परमाणु एफसीसी ऑस्टेनाइट जाली के भीतर ओक्टाड्रल अंतरस्थाई साइटों पर कब्जा कर लेते हैं। शमन के दौरान, कार्बन सीमेंटाइट (Fe3C) या अन्य कार्बाइड बनाने के लिए काफी तेजी से फैल नहीं सकता है; इसके बजाय, यह फंस गया है, एक गंभीर टेट्रागोनल विरूपण को लागू करता है। टेट्रागोनलिटी (C / A अनुपात) की डिग्री 1.0 से 0%C तक बढ़ जाती है। यह विरूपण मार्टेंसाइट की चरम कठोरता के लिए जिम्मेदार है।

कार्बन सामग्री और एमएस तापमान के बीच संबंध महत्वपूर्ण और अच्छी तरह से स्थापित है: कार्बन में प्रत्येक 0.1% की वृद्धि लगभग 30-40 °C तक सुश्री को कम करती है।

Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30.4(%Mn) - 17.7(%Ni) - 12.1(%Cr) - 7.5(%Mo) + ...

इस प्रकार, 0.8%C के साथ एक सादे कार्बन स्टील में लगभग 200 °C है, जबकि 0.2%C स्टील में 500 °C के पास Ms है। मार्टेंससाइट फिनिश (Mf) तापमान आम तौर पर Ms के नीचे 200-250 °C होता है, हालांकि उच्च कार्बन स्टील्स Mf कमरे के तापमान से नीचे गिर सकता है, जिससे ऑस्टेनाइट को बनाए रखा जा सकता है।

क्रिटिकल कूलिंग रेट और हार्डेनबिलिटी

मार्टेंससाइट बनाने के लिए, शीतलन दर महत्वपूर्ण शीतलन दर (CCR) से अधिक होनी चाहिए - न्यूनतम दर जो कि मोती या बेनाइट के लिए प्रसारात्मक परिवर्तनों से बचाती है। कार्बन सामग्री CCR को दृढ़ता से प्रभावित करती है। उच्च कार्बन लंबे समय तक लगातार शीतलन परिवर्तन (CCT) आरेख की मोती नाक को बदल देता है, जिससे धीमी शमन के साथ पूर्ण मार्टेंस को हासिल करना आसान हो जाता है (उदाहरण के लिए, पानी के बजाय तेल)। हालांकि, बहुत अधिक कार्बन (0.8%) वास्तव में सीमेंटाइट वर्षा से बचने की आवश्यकता के कारण CCR को बढ़ा सकते हैं। मैंगनीज, क्रोमियम, निकल और मोलिब्डेनम जैसे तत्वों को अक्सर ठंडा करने की आवश्यकता होती है।

Carbon Content (wt%)	Typical Ms (°C)	Hardenability	Preferred Quenchant
0.05 – 0.25	450 – 500	Low	Water
0.30 – 0.50	350 – 450	Moderate	Water (small sections) or oil
0.60 – 0.80	200 – 350	High	Oil or polymer
0.90 – 1.20	100 – 200	Very high	Oil or martempering

नोट: मिश्र धातु के जोड़ इन सीमाओं को काफी हद तक बदल सकते हैं। आगे विवरण के लिए, देखें ASM इंटरनेशनल के हीट ट्रीटमेंट संसाधनों].

कार्बन सामग्री और यांत्रिक गुण

कठोरता और शक्ति

As-carbon-queenched martensite कठोरता लगभग 0.8% C तक कार्बन सामग्री के साथ मोटे तौर पर रैखिक है। एक शास्त्रीय समीकरण है:

Hardness (HRC) ≈ 60,6,6,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5,5

इस प्रकार, 0.2%C कठोरता पर लगभग 47 HRC है; 0.8%C पर यह लगभग 67 HRC तक पहुंचता है। 0.8%C से परे, कठोरता पठार क्योंकि अतिरिक्त कार्बन समाधान में बनी हुई है लेकिन बढ़ती हुई टेट्रागोनलिटी माइक्रोक्रैकिंग की ओर जाता है और ऑस्टेनाइट को बनाए रखता है। तन्यता ताकत समान रूप से 0.2%C के लिए लगभग 1,000 एमपीए से बढ़ जाती है उच्च कार्बन मार्टेंसाइट के लिए 2,500 एमपीए से अधिक।

लचीलापन और कठोरता

मार्टेंससाइट स्वाभाविक रूप से भंगुर है क्योंकि इसकी अतिसंतृप्त जाली, उच्च आंतरिक तनाव और जुड़ना क्षेत्रों (विशेष रूप से उच्च कार्बन स्टील में) की उपस्थिति के कारण। कम कार्बन लैथ मार्टेंससाइट में फ्रैक्चर की बूंदों को बढ़ाकर उच्च कार्बन प्लेट मार्टेंस में 1% से कम तक गिर जाता है। प्रभाव बेरहमी भी प्लमेट्स, अप्रचारित उच्च कार्बन मार्टेंससाइट को लगभग अनुपयुक्त बनाती है। यह व्यापार बंद कठोरता की कीमत पर कुछ लचीलापन को बहाल करने के लिए एक तड़के कदम को मजबूर करता है।

Austenite

उच्च कार्बन सामग्री कम तापमान के लिए ऑस्टेनाइट को स्थिर करती है, जिसका अर्थ है एमएफ तापमान परिवेश से नीचे गिर सकता है। नतीजतन, ऑस्टेनाइट का एक अंश शमन के बाद अपरिवर्तित रहता है। उदाहरण के लिए, 1.0%C स्टील 10-30% ऑस्टेनाइट को बनाए रख सकता है। यह नरम चरण समग्र कठोरता को कम कर सकता है और आयामी अस्थिरता का कारण बन सकता है। इसके बाद उप-शून्य उपचार (क्रायोजेनिक प्रसंस्करण) या एकाधिक tempering चक्रों का उपयोग निरंतर ऑस्टेनाइट को मार्टसाइट में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। हालांकि, कुछ अनुप्रयोगों में थोड़ी मात्रा में बनाए रखा ऑस्टेनाइट (5-10%) की गई है।

प्रैक्टिकल प्रोसेसिंग इम्प्लीमेंट

Quenching medium का चयन

• ] कम कार्बन स्टील्स (0.02-0.3% C): CCR तक पहुंचने के लिए तेजी से ठंडा (जैसे, आइस्ड नमकीन या पानी) की आवश्यकता होती है; फिर भी, पूर्ण मार्टेंसिटी केवल पतली वर्गों में हासिल की जा सकती है। अक्सर इन्हें सतह के कार्बन को बढ़ाने के लिए कार्बोराइजिंग के लिए इस्तेमाल किया जाता है।
• Medium-कार्बन स्टील्स (0.3-0.6% C):] पानी की शमन आम है, लेकिन तेल का इस्तेमाल बेहतर कठोरता वाले मिश्र धातुओं के लिए किया जा सकता है। शाफ़्ट और गियर जैसे संरचनात्मक घटकों के लिए संतुलित गुणों को प्राप्त करने के लिए टेम्परिंग आवश्यक है।
• ]उच्च कार्बन स्टील्स (0.6-1.2% C): तेल शमन थर्मल शॉक से क्रैकिंग से बचने के लिए विशिष्ट है। मार्टेम्परिंग (ऑस्टेम्परिंग वेरिएंट) विरूपण को कम करने में मदद करते हैं। उपकरण, मर जाता है, बीयरिंग और स्प्रिंग्स काटने के लिए इस्तेमाल किया जाता है।

Tempering प्रतिक्रिया

Tempering martensite संक्रमण कार्बाइड (कम कार्बन में ε-carbide, उच्च कार्बन में सीमेंट) की वर्षा का कारण बनता है, dislocations की वसूली, और अवशिष्ट तनाव में कमी। tempering के दौरान as-quenched कठोरता ड्रॉप उच्च कार्बन स्टील्स के लिए खड़ी है क्योंकि अधिक supersaturated कार्बन कार्बाइड बनाने के लिए उपलब्ध है। हालांकि, माध्यमिक सख्त सीआर, मो, वी (जैसे, एच 13 उपकरण स्टील) जैसे मजबूत कार्बाइड पूर्व जैसे मिश्र धातु इस्पात में होता है जब 500-600 °C रेंज में तड़के। उच्च कार्बन उपकरण स्टील्स अक्सर बनाए रखा austenite और स्थिर आयामों को बदलने के लिए कई tempers की आवश्यकता होती है।

मिश्र धातु तत्व और कार्बन के साथ उनके इंटरप्ले

मिश्र धातु तत्वों के अलावा कई मायनों में मार्टेंससाइट परिवर्तन को संशोधित करता है:

• Nickel and Manganese: लोअर एमएस तापमान, ऑस्टेनाइट को बनाए रखने की प्रवृत्ति को बढ़ाता है।
• ]क्रोमियम और मोलिब्डेनम: वर्धित कठोरता, उच्च कार्बन स्टील्स के लिए तेल शमन की अनुमति देता है। वे भी तड़के के दौरान कार्बाइड गठन को बढ़ावा देते हैं।
• Vanadium and Titanium: फार्म ठीक कार्बाइड कि पिन अनाज की सीमाओं और refinine martensite पैकेट आकार.
• Silicon: Retards, tempering के दौरान नरम, वसंत स्टील्स के लिए फायदेमंद।

मिश्र धातु प्रभावों की गहन चर्चा के लिए, ]] का उल्लेख सख्ती से पर कुल मटेरिया लेख।

आवेदन के लिए सही कार्बन सामग्री का चयन करना

इंजीनियर्स सेवा आवश्यकताओं से मेल खाते हैं:

• ] कम कार्बन (0.05-0.25% C) - केस-हार्डनिंग स्टील्स: कोर कठिन रहता है; सतह को 0.8-1.0% C तक कार्बराइज किया जाता है और एक कठोर, पहनने वाले प्रतिरोधी मामले का उत्पादन करने के लिए बुझती है। उदाहरण: carburized गियर, कैंषफ़्ट, स्टैम्पिंग।
• Medium carbon (0.3-0.5% C) - Quenched और टेम्पर्ड स्टील्स: एक्सल के लिए ताकत, क्रूरता और थकान प्रतिरोध प्रदान करें, रॉड, बोल्ट और मशीन भागों को जोड़ने।
• ]उच्च कार्बन (0.6-1.2% C) - पहनने के लिए प्रतिरोधी और उपकरण स्टील्स: शमन और तड़के के बाद अधिकतम कठोरता प्रदान करें, सावधानीपूर्वक तनाव राहत के साथ यद्यपि। मरना, चाकू, रेज़र, ठंड बनाने वाले उपकरण और वसंत तारों के लिए इस्तेमाल किया जाता है।
• ]अल्ट्रा उच्च कार्बन (1.2-2.0% C) - विशेष अनुप्रयोग: अत्यधिक भंगुरता के कारण दुर्लभ रूप से इस्तेमाल किया; उच्च पहनने वाले घटकों के लिए पाउडर धातु विज्ञान या विशेष गर्मी उपचार के माध्यम से संसाधित किया जा सकता है।

निष्कर्ष

इस्पात की कार्बन सामग्री मास्टर परिवर्तनीय नियंत्रण मार्टेंसाइट गठन, इसकी क्रिस्टल संरचना और यांत्रिक गुणों को जारी करने वाली है। कठोरता, लचीलापन को निर्धारित करने के लिए एमएस तापमान और महत्वपूर्ण शीतलन दर को स्थानांतरित करने से, और ऑस्टेनाइट को बनाए रखने के लिए कार्बन की भूमिका गर्मी उपचारकर्ताओं और डिजाइन इंजीनियरों के लिए आधार है। कार्बन, मिश्र धातु तत्वों और शमन मापदंडों के बीच अंतर-खेल को समझने के द्वारा, निर्माता लगातार अनुकूलित प्रदर्शन के साथ स्टील्स को वितरित कर सकते हैं - जबकि लक्ष्य एक ब्लेड के लिए रेजर-शर्प कठोरता है, ऑटोमोटिव गियर के लिए थकान प्रतिरोध, या खनन उपकरण के लिए प्रभाव बेरहमी। कार्बन सामग्री के लचीलेपन नियंत्रण, उचित शमन और प्रमुख प्रथाओं के साथ संयुक्त।

आधुनिक ताप उपचार तकनीकों पर आगे पढ़ने के लिए, ] देखें औद्योगिक ताप पत्रिका की तकनीकी पुस्तकालय और प्रासंगिक मानकों से ASTM International ]].