बैनाइट



बैनाइट एक विडमैनस्टेटन पैटर्न या प्लेट जैसी सूक्ष्म संरचना है जो स्टील में 125-550 डिग्री सेल्सियस (मिश्र धातु पदार्थ के आधार पर) के तापमान पर बनती है। सबसे पहले ई.एस. डेवनपोर्ट और एडगर बैन द्वारा वर्णित, यह उन उत्पादों में से एक है जो तब बन सकता है जब ऑस्टेनाईट (लोहे की सतह-केंद्रित घन क्रिस्टल संरचना) को ऐसे तापमान पर ठंडा किया जाता है जहां यह फेराइट, सीमेन्टाईट, या फेराइट और सीमेंटाइट के संबंध में थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर नहीं रह जाता है। डेवनपोर्ट और बेन ने मूल रूप से सूक्ष्म संरचना को टेम्पर्ड मार्टेंसाईट के समान बताया गया है।

एक बढ़िया गैर-लैमेलर संरचना, बैनाइट में सामान्यतः सीमेंटाइट और लोहे के अव्यवस्था-समृद्ध एलोट्रोप होते हैं। बैनाइट में उपस्थित फेराइट में अव्यवस्थाओं का बड़ा घनत्व, और बैनाइट प्लेटलेट्स का अच्छा आकार, इस फेराइट को सामान्य से अधिक कठोर बनाता है।

ऑस्टेनाइट को बैनाइट में बदलने के लिए तापमान सीमा (125-550 डिग्री सेल्सियस) मोती जैसा और मार्टेंसाइट के मध्य होती है। वास्तव में, बैनिट-स्टार्ट तापमान की कोई मूलभूत निचली सीमा नहीं है। जब निरंतर शीतलन के समय बनता है, तो बैनाइट बनाने के लिए शीतलन दर पर्लाइट बनाने के लिए आवश्यक शीतलन दर से अधिक तीव्र होती है, किंतु मार्टेंसाइट (समान संरचना के स्टील्स में) बनाने के लिए आवश्यक गति से कम तीव्र होती है। अधिकांश मिश्र धातु तत्व बैनाइट के निर्माण को धीमा कर देंगे, चूँकि ऐसा करने में कार्बन सबसे प्रभावी है। एल्यूमीनियम या कोबाल्ट इस स्थिति में अपवाद हैं कि वे ऑस्टेनाइट के अपघटन को तेज कर सकते हैं और परिवर्तन तापमान बढ़ा सकते हैं।

मार्टेंसाइट और बैनाइट की सूक्ष्म संरचनाएँ पहली बार में अधिक समान लगती हैं, जिसमें पतली प्लेटें होती हैं जो कम-मिश्र धातु स्टील्स में एक साथ एकत्रित होती हैं। यह दो सूक्ष्म संरचनाओं द्वारा अपने परिवर्तन तंत्र के अनेक विधियों को साझा करने का परिणाम है। चूँकि, रूपात्मक अंतर उपस्थित हैं जिन्हें देखने के लिए संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की आवश्यकता होती है। एक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी के अनुसार , बैनाइट की सूक्ष्म संरचना अनटेम्पर्ड मार्टेंसाइट की तुलना में अधिक गहरी दिखाई देती है क्योंकि बैनाइट की उपसंरचना अधिक होती है।

बैनाइट की कठोरता समान स्टील कठोरता में पर्लाइट और अनटेम्पर्ड मार्टेंसाइट के मध्य हो सकती है। तथ्य यह है कि इसे आइसोथर्मल या निरंतर शीतलन दोनों के समय उत्पादित किया जा सकता है, यह एक बड़ा लाभ है, क्योंकि यह मिश्र धातु तत्वों के अत्यधिक परिवर्धन के बिना बड़े घटकों के उत्पादन की सुविधा प्रदान करता है। मार्टेंसिटिक स्टील्स के विपरीत, बैनाइट पर आधारित मिश्र धातुओं को अधिकांशतः शक्ति और क्रूरता को अनुकूलित करने के लिए परिवर्तन के पश्चात् आगे ऊष्मा उपचार की आवश्यकता नहीं होती है।

इतिहास
1920 के दशक में डेवनपोर्ट और एडगर बेन ने एक नए स्टील माइक्रोस्ट्रक्चर की खोज की थी, जिसे उन्होंने अस्थायी रूप से मार्टेंसाइट-ट्रोस्टाइट कहा गया था, क्योंकि यह पहले से ही ज्ञात कम तापमान वाले मार्टेंसाइट चरण और जिसे तब ट्रूस्टाइट (अब फाइन-पर्लाइट) के रूप में जाना जाता था, के मध्य मध्यवर्ती था। इस माइक्रोस्ट्रक्चर को पश्चात् में यूनाइटेड स्टेट्स स्टील कॉर्पोरेशन में बेन के सहयोगियों द्वारा बैनाइट नाम दिया गया है, चूँकि 1947 तक पुस्तकों के साथ वैज्ञानिक समुदाय द्वारा इस नाम को अपनाने में कुछ समय लग गया था, किंतु नाम के साथ बैनाइट का उल्लेख नहीं किया गया था। बेन और डेवनपोर्ट ने दो अलग-भिन्न रूपों के अस्तित्व पर भी ध्यान दिया: 'अपर-रेंज' बैनाइट जो उच्च तापमान पर बनता था और 'लोअर-रेंज' बैनाइट जो मार्टेंसाइट प्रारंभ तापमान के पास बनता था (इन रूपों को अब ऊपरी- और निचले-बैनाइट के रूप में जाना जाता है) क्रमश प्रारंभिक शब्दावली कुछ मिश्रधातुओं में, पर्लाइट प्रतिक्रिया की निचली सीमा और प्रोयूटेक्टॉइड फेराइट की अतिरिक्त संभावना के साथ बैनाइट की ऊपरी सीमा के ओवरलैप द्वारा और अधिक अस्पष्ट हो गई थी।

निर्माण
लगभग 900 डिग्री सेल्सियस से ऊपर एक सामान्य निम्न-कार्बन स्टील पूरी तरह से ऑस्टेनाइट से बना होता है, जो लोहे का एक उच्च तापमान चरण होता है जिसमें घन क्लोज-पैक क्रिस्टल संरचना होती है। ठंडा होने पर, यह स्पष्ट रासायनिक संरचना के आधार पर, चरणों, फेराइट और सीमेंटाइट के मिश्रण में परिवर्तित हो जाता है। यूटेक्टॉइड संरचना का एक स्टील संतुलन की स्थिति में पर्लाइट में बदल जाएगा - लोहे और सीमेंटाइट के एलोट्रोप का एक इंटरलीव्ड मिश्रण या सीमेंटाइट(Fe3C) चरण आरेख द्वारा निरुपित थर्मोडायनामिक विचारों के अतिरिक्त, स्टील में चरण परिवर्तन रासायनिक गतिशीलता से अधिक प्रभावित होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि सामान्य प्रसंस्करण स्थितियों के अनुसार लगभग 600 डिग्री सेल्सियस से नीचे लोहे के परमाणुओं का प्रसार कठिन हो जाता है। परिणामस्वरूप, जब परमाणु गतिशीलता सीमित होती है तो सूक्ष्म संरचनाओं की एक सम्मिश्र श्रृंखला उत्पन्न होती है। इससे स्टील माइक्रोस्ट्रक्चर की सम्मिश्रता बढ़ जाती है जो शीतलन दर से अधिक प्रभावित होती है। इसे एक सतत शीतलन परिवर्तन (सीसीटी) आरेख द्वारा चित्रित किया जा सकता है जो एक चरण बनाने के लिए आवश्यक समय को प्लॉट करता है जब एक नमूना एक विशिष्ट दर पर ठंडा होता है और इस प्रकार समय-तापमान स्थान में क्षेत्र दिखाता है किसी दिए गए थर्मल चक्र के लिए अपेक्षित चरण अंशों का अनुमान लगाया जा सकता है।.

यदि स्टील को ऊंचे तापमान पर धीरे-धीरे ठंडा किया जाता है या समतापीय रूप से परिवर्तित किया जाता है, तो प्राप्त सूक्ष्म संरचना संतुलन के समीप होगी, उदाहरण के लिए एलोट्रियोमोर्फिक फेराइट, सीमेंटाइट और पर्लाइट से युक्त है चूँकि, ऑस्टेनाइट से पर्लाइट में परिवर्तन एक समय-निर्भर पुनर्निर्माण प्रतिक्रिया है जिसके लिए लोहे और कार्बन परमाणुओं के बड़े मापदंड पर आंदोलन की आवश्यकता होती है। जबकि अंतरालीय कार्बन मध्यम तापमान पर भी आसानी से फैलता है, लोहे का स्व-प्रसार 600 डिग्री सेल्सियस से नीचे के तापमान पर अधिक धीमा हो जाता है, जब तक कि सभी व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, यह बंद नहीं हो जाता है। परिणामस्वरूप, तेजी से ठंडा किया गया स्टील ऐसे तापमान तक पहुंच सकता है जहां प्रतिक्रिया अधूरी होने और शेष ऑस्टेनाइट थर्मोडायनामिक रूप से अस्थिर होने के अतिरिक्त पर्लाइट नहीं बन सकता है। उच्च तापमान परिवर्तनों से बचने के लिए पर्याप्त तेजी से ठंडा किया जाने वाला ऑस्टेनाइट, लोहे या कार्बन के किसी भी प्रसार के बिना, ऑस्टेनाइट के फेस-केंद्रित क्यूबिक या फेस-केंद्रित क्रिस्टल संरचना के विकृत चतुष्कोणीय क्रिस्टल प्रणाली या निकाय में विरूपण द्वारा मार्टेंसाइट बना सकता है। केन्द्रित चतुष्कोणीय या निकाय -केन्द्रित घनीय संरचना है यह गैर-संतुलन चरण केवल कम तापमान पर ही बन सकता है, जहां प्रतिक्रिया के लिए प्रेरक शक्ति परिवर्तन द्वारा लगाए गए अधिक जाली तनाव को दूर करने के लिए पर्याप्त है। परिवर्तन अनिवार्य रूप से चरण अंश के साथ समय-स्वतंत्र है जो केवल महत्वपूर्ण मार्टेंसाइट प्रारंभ तापमान के नीचे शीतलन की डिग्री पर निर्भर करता है। इसके अतिरिक्त, यह संस्थागत या अंतरालीय परमाणुओं के प्रसार के बिना होता है और इसलिए मार्टेंसाइट को मूल ऑस्टेनाइट की संरचना विरासत में मिलती है।

बैनाइट तापमान सीमा में इन दो प्रक्रियाओं के मध्य एक क्षेत्र में रहता है जहां लोहे का स्व-प्रसार सीमित है किंतु मार्टेंसाइट बनाने के लिए अपर्याप्त प्रेरक शक्ति है। बैनाइट, मार्टेंसाइट की तरह, बिना प्रसार के बढ़ता है किंतु कुछ कार्बन फिर किसी भी अवशिष्ट ऑस्टेनाइट में विभाजित हो जाता है, या सीमेंटाइट के रूप में अवक्षेपित हो जाता है। एक और अंतर अधिकांशतः तथाकथित निचले-बैनाइट के मध्य किया जाता है, जो मार्टेंसाइट प्रारंभ तापमान के समीप तापमान पर बनता है, और ऊपरी-बैनाइट जो उच्च तापमान पर बनता है। यह अंतर उस तापमान पर कार्बन की प्रसार दर से उत्पन्न होता है जिस पर बैनाइट बन रहा है। यदि तापमान अधिक है तो कार्बन नवगठित फेराइट से दूर तेजी से फैलेगा और फेरिटिक प्लेटों के मध्य कार्बन-समृद्ध अवशिष्ट ऑस्टेनाइट में कार्बाइड का निर्माण करेगा, जिससे वे कार्बाइड मुक्त हो जाएंगे। और कम तापमान पर कार्बन अधिक धीमी गति से फैलेगा और बैनिटिक फेराइट छोड़ने से पहले अवक्षेपित हो सकता है। बैनाइट के परिवर्तन तंत्र की विशिष्टताओं पर कुछ विवाद है; जो दोनों सिद्धांत नीचे दर्शाए गए हैं।

विस्थापन सिद्धांत
बैनाइट के लिए विशिष्ट गठन तंत्र पर सिद्धांतों में से एक यह है कि यह कतरनी परिवर्तन से होता है, जैसा कि मार्टेंसाइट में होता है। क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन प्रसार के अतिरिक्त विरूपण द्वारा प्राप्त किया जाता है। बैनाइट से जुड़ा आकार परिवर्तन एक अपरिवर्तनीय है - एक बड़े कतरनी घटक के साथ समतल तनाव। इस प्रकार की विकृति का तात्पर्य परमाणुओं की एक अनुशासित गति से है (प्रसार से जुड़े अराजक स्थानांतरण के अतिरिक्त ), और स्टील्स में सभी विस्थापित परिवर्तनों के लिए विशिष्ट है, उदाहरण के लिए, मार्टेंसाइट, बैनाइट और विडमैनस्टेटन फेराइट ऐसी प्रमुखता के साथ एक तनाव ऊर्जा जुड़ी होती है, जो परिवर्तन उत्पाद के प्लेट आकार की ओर ले जाती है जिसमे कोई भी प्रसार ऑस्टेनाइट के प्रसारहीन परिवर्तन के पश्चात् होता है, उदाहरण के लिए सुपरसैचुरेटेड बैनिटिक फेराइट से कार्बन का विभाजन, या कार्बाइड की वर्षा; यह मार्टेंसाइट के टेम्परिंग के समान है।

बैनाइट की अनेक विशेषताएं हैं जिनकी इस सिद्धांत द्वारा सही पूर्वानुमान की गई है, जिनमें सम्मिलित हैं:
 * प्लेट का आकार, जो परिवर्तन के साथ आकार विरूपण के कारण तनाव ऊर्जा के न्यूनतमकरण का परिणाम है।
 * तथ्य यह है कि अतिरिक्त कार्बन बैनिटिक फेराइट के दोष-मुक्त क्षेत्रों के अंदर भी बनाय रहता है।
 * तथ्य यह है कि बैनिटिक फेराइट की इकाई कोशिका घन के अतिरिक्त चतुष्कोणीय हो सकती है।
 * तथ्य यह है कि जब ऑस्टेनाइट को पहली बार प्लास्टिक रूप से विकृत किया जाता है, तो बैनाइट परिवर्तन नाटकीय रूप से धीमा हो सकता है, एक घटना जिसे यांत्रिक स्थिरीकरण के रूप में जाना जाता है, जो विस्थापित परिवर्तनों के लिए अद्वितीय है।
 * स्पष्ट तथ्य यह है कि विस्थापन तब होता है जब बैनाइट बढ़ता है। परिवर्तन मार्टेंसाइट की तरह ही विरूपण और क्रिस्टल संरचना परिवर्तन का एक संयोजन है।

विवादात्मक सिद्धांत
बैनाइट की परिवर्तन प्रक्रिया का प्रसार सिद्धांत इस धारणा पर आधारित है कि बैनिटिक फेराइट प्लेट उच्च तापमान पर विडमैनस्टेटन फेराइट के समान तंत्र के साथ बढ़ती है। इस प्रकार इसकी वृद्धि दर इस बात पर निर्भर करती है कि बढ़ते फेराइट से ऑस्टेनाइट में कार्बन कितनी तेजी से फैल सकता है। एक समान्य ग़लतफ़हमी यह है कि यह तंत्र सुसंगत इंटरफेस और सतही प्रमुखता की संभावना को बाहर करता है। वास्तव में यह कुछ लोगों द्वारा स्वीकार किया जाता है कि विडमैनस्टेटन फेराइट का निर्माण कार्बन प्रसार द्वारा नियंत्रित होता है और एक समान सतह प्रमुखता दिखाता है।

आकृति विज्ञान
सामान्यतः बैनाइट समुच्चय के रूप में प्रकट होता है, जिसे फेराइट प्लेटों (उप-इकाइयों) के संग्रह कहा जाता है, जो निरंतर ऑस्टेनाइट, मार्टेंसाइट या सीमेंटाइट द्वारा भिन्न किए जाते हैं। जबकि उप-इकाइयाँ 2-आयामी अनुभाग पर देखने पर अलग-भिन्न दिखाई देती हैं, वे वास्तव में 3-आयामों में परस्पर जुड़ी होती हैं और सामान्यतः एक लेंटिकुलर प्लेट या लैथ आकृति विज्ञान पर आधारित होती हैं। संग्रह स्वयं पच्चर के आकार के होते हैं जिनका मोटा सिरा न्यूक्लियेशन स्थल से जुड़ा होता है।

परिवर्तन तापमान के साथ फेरिटिक प्लेटों की मोटाई बढ़ती हुई पाई जाती है। तंत्रिका नेटवर्क मॉडल ने संकेत दिया है कि यह तापमान का प्रत्यक्ष प्रभाव नहीं है, चूँकि प्रतिक्रिया के लिए ड्राइविंग बल की तापमान निर्भरता और प्लेटों के आसपास ऑस्टेनाइट की शक्ति का परिणाम है। उच्च तापमान पर, और इसलिए कम अंडरकूलिंग पर, कम थर्मोडायनामिक चालन बल न्यूक्लिएशन दर में कमी का कारण बनता है जो व्यक्तिगत प्लेटों को एक-दूसरे से भौतिक रूप से टकराने से पहले बड़ा होने की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, प्लेटों की वृद्धि को आसपास के ऑस्टेनाइट में प्लास्टिक के प्रवाह द्वारा समायोजित किया जाना चाहिए जो कि कठिन है अगर ऑस्टेनाइट सशक्त है और प्लेट की वृद्धि का विरोध करता है।

ऊपरी बैनाइट
ऊपरी बैनाइट संग्रहों में लगभग 400-550°C तक बनता है। इन संग्रहों में फेराइट के अनेक लैथ होते हैं जो लगभग एक-दूसरे के समानांतर होते हैं और जो आसपास के ऑस्टेनाइट के साथ कुर्दजुमोव-सैक्स संबंध प्रदर्शित करते हैं, चूँकि परिवर्तन तापमान कम होने पर यह संबंध कम हो जाता है। इन संग्रहों में फेराइट की कार्बन सांद्रता 0.03% से कम है, जिसके परिणामस्वरूप लैथ के चारों ओर कार्बन युक्त ऑस्टेनाइट होता है।

लट्ठों के मध्य बनने वाली सीमेंटाइट की मात्रा स्टील की कार्बन पदार्थ पर आधारित होती है। कम कार्बन स्टील के लिए, सामान्यतः लथों के मध्य असंतुलित स्ट्रिंगर या सीमेंटाइट के छोटे कण उपस्थित होंगे। उच्च कार्बन पदार्थ वाले स्टील के लिए, स्ट्रिंगर आसन्न लथ की लंबाई के साथ निरंतर हो जाते हैं।

निचला बैनाइट
निचला बैनाइट 250 और 400 डिग्री सेल्सियस के मध्य बनता है और ऊपरी बैनाइट की तुलना में अधिक प्लेट जैसा रूप लेता है। निचले बैनाइट में लट्ठों के मध्य लगभग उतनी ही कम कोण वाली सीमाएँ नहीं होती हैं। निचले बैनाइट में, परिवर्तन तापमान कम होने पर फेराइट में आदत तल भी से की ओर स्थानांतरित हो जाएगा। निचले बैनाइट में, सीमेंटाइट फेराइट और ऑस्टेनाइट के मध्य इंटरफेस पर न्यूक्लियेट करता है।

अपूर्ण परिवर्तन
वर्तमान संदर्भ में, अधूरा परिवर्तन इस तथ्य को संदर्भित करता है कि कार्बाइड अवक्षेपण की अनुपस्थिति में, ऑस्टेनाइट के संतुलन या पैराएक्विलिब्रियम रासायनिक संरचना तक पहुंचने से पहले ही बैनाइट प्रतिक्रिया बंद हो जाती है। यह उस बिंदु पर रुकता है जहां समान संरचना वाले ऑस्टेनाइट और फेराइट की मुक्त ऊर्जा समान हो जाती है, अथार्त भाग लेने वाले चरणों की रासायनिक संरचना में बदलाव के बिना परिवर्तन थर्मोडायनामिक रूप से असंभव हो जाता है।

बैनाइट पर प्रारंभिक शोध में पाया गया कि किसी दिए गए तापमान पर ऑस्टेनाइट का केवल एक निश्चित मात्रा अंश ही बैनाइट में बदल जाएगा और शेष लंबे विलंब के पश्चात् पर्लाइट में विघटित हो जाएगा। यह इस तथ्य के अतिरिक्त स्थिति था कि ऑस्टेनाइट से पर्लाइट में पूर्ण परिवर्तन उच्च तापमान पर प्राप्त किया जा सकता था जहां ऑस्टेनाइट अधिक स्थिर था। तापमान कम होने पर बैनाइट का अंश बढ़ सकता है। इसे अंततः इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए समझाया गया कि जब बैनिटिक फेराइट का निर्माण हुआ तो सुपरसैचुरेटेड कार्बन आसपास के ऑस्टेनाइट में निष्कासित हो जाएगा और इस प्रकार इसे आगे के परिवर्तन के विरुद्ध थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर कर दिया जाएगा।

मार्टेंसाइट और बैनाइट के मध्य अंतर
बैनाइट को अनिवार्य रूप से मार्टेन्साइट के रूप में माना जा सकता है जो परिवर्तन के समय गर्म हो जाता है। यह मार्टेंसाइट की तुलना में अधिक तापमान पर बनता है, और यहां तक ​​कि मार्टेंसाइट ऑटोटेम्पर भी हो सकता है। चूँकि परिवर्तन का तापमान अधिक होता है, ऑस्टेनाइट स्वयं यांत्रिक रूप से सशक्त होता है, जिससे कि बैनाइट के कारण होने वाली आकृति विकृति आसन्न ऑस्टेनाइट के प्लास्टिक विरूपण से शिथिल हो जाती है। परिणामस्वरूप, बैनाइट की बढ़ती प्लेट को अव्यवस्थाओं के जंगल का सामना करना पड़ता है जो अंततः प्लेट के ऑस्टेनाइट अनाज की सीमा तक पहुंचने से पहले ही इसकी वृद्धि को समाप्त कर देता है। इसलिए बैनाइट की प्लेटें उसी स्टील में मार्टेंसाइट की प्लेटों से छोटी हो सकती हैं। फिर परिवर्तन एक उप-इकाई तंत्र द्वारा आगे बढ़ता है जिसमें नई प्लेटों का क्रमिक न्यूक्लियेशन सम्मिलित होता है।

अनुप्रयोग
स्टील में बैनाइट सामग्री बढ़ने के साथ, कठोरता, उपज और तन्यता ताकत बैनाइट सामग्री के लिए 50% तक लगभग स्थिर रहती है, और फिर सीए 30% तक बढ़ जाती है। इसलिए रोल्स-रॉयस होल्डिंग्स और टाटा स्टील द्वारा हाई-बैनाइट स्टील्स के मीटर-आकार के शाफ्ट और प्लेटों का व्यावसायिक रूप से बड़े मापदंड पर उत्पादन किया गया है।

बाहरी संबंध

 * Free textbooks devoted to bainite, all three editions.
 * The Alloying Elements in Steel, by Edgar C. Bain
 * Overview of Bainite in multiple languages
 * Davenport and Bain's original article
 * World's first bulk nanostructured metal