बैनाइट: Difference between revisions

[[File:Bainite TEM.jpg|thumb|Fe–0.98C–1.46Si–1.89Mn–0.26Mo–1.26Cr–0.09V wt% संरचना के साथ स्टील में बैनाइट, जिसे 15 दिनों के लिए 200°C पर परिवर्तित किया गया था]]

बैनाइट एक विडमैनस्टेटन पैटर्न | प्लेट जैसी सूक्ष्म संरचना है जो स्टील में 125-550 डिग्री सेल्सियस (मिश्र धातु सामग्री के आधार पर) के तापमान पर बनती है।<ref name=stam/>सबसे पहले ई.एस. डेवनपोर्ट और [[एडगर बैन]] द्वारा वर्णित,<ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2010/Bain.html |doi=10.1007/s11661-010-0250-2|title="निरंतर सबक्रिटिकल तापमान पर ऑस्टेनाइट का परिवर्तन" पर एक व्यक्तिगत टिप्पणी|journal=Metallurgical and Materials Transactions A|volume=41|issue=6|pages=1351–1390|year=2010|last1=Bhadeshia|first1=H.K.D.H.|bibcode=2010MMTA...41.1351B|doi-access=free}}</ref> यह उन उत्पादों में से एक है जो तब बन सकता है जब [[ ऑस्टेनाईट austenite ]] (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।

1920 के दशक में डेवनपोर्ट और एडगर बेन ने एक नए स्टील माइक्रोस्ट्रक्चर की खोज की, जिसे उन्होंने अस्थायी रूप से मार्टेंसाइट-ट्रोस्टाइट कहा, 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 बीच मध्यवर्ती था।<ref name=bain_in_steels_intro>{{cite book| last=Bhadeshia | first=H.K.D.H | author-link=Harry Bhadeshia |title=स्टील्स में बैनाइट| publisher=Institute of Materials | year=2015 | chapter=Introduction |isbn=9781909662742 |chapter-url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/bainite_NN.html}}</ref> इस माइक्रोस्ट्रक्चर को बाद में यूनाइटेड स्टेट्स स्टील कॉर्पोरेशन में बेन के सहयोगियों द्वारा बैनाइट नाम दिया गया, रेफरी>{{cite book | last=Smith | first=Cyril Stanley | page=225| title=मेटलोग्राफी का इतिहास| publisher=University of Chicago Press | year=1960}}</ref> हालांकि 1947 तक पुस्तकों के साथ वैज्ञानिक समुदाय द्वारा इस नाम को अपनाने में कुछ समय लग गया, लेकिन नाम के साथ बैनाइट का उल्लेख नहीं किया गया।<ref name=bain_in_steels_intro/>बेन और डेवनपोर्ट ने दो अलग-अलग 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 भ्रमित हो गई थी।<ref name=bain_in_steels_intro/>

==गठन==

[[File:CCT curve steel.svg|thumb|260px|स्टील मिश्र धातु के लिए निरंतर शीतलन परिवर्तन (सीसीटी) आरेख का चित्रण]]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।<ref>Bhadeshia, H. K. D. H. [http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2003/Lattices/bravais.html "The Bravais lattices"]. Phase-trans.msm.cam.ac.uk. Retrieved on 2019-03-03.</ref> ठंडा होने पर, यह सटीक 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 | सीमेंटाइट (Fe)₃सी)। चरण आरेख द्वारा इंगित थर्मोडायनामिक विचारों के अलावा, स्टील में चरण परिवर्तन रासायनिक गतिशीलता से काफी प्रभावित होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि सामान्य प्रसंस्करण स्थितियों के तहत लगभग 600 डिग्री सेल्सियस से नीचे लोहे के परमाणुओं का प्रसार मुश्किल हो जाता है। परिणामस्वरूप, जब परमाणु गतिशीलता सीमित होती है तो सूक्ष्म संरचनाओं की एक जटिल श्रृंखला उत्पन्न होती है। इससे स्टील माइक्रोस्ट्रक्चर की जटिलता बढ़ जाती है जो शीतलन दर से काफी 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 जहां से अपेक्षित चरण अंशों का अनुमान लगाया जा सकता है दिया गया तापीय चक्र.

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 करीब होगी,<ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/abstracts/microalloyed.html |doi=10.4028/www.scientific.net/MSF.284-286.39|title=फेराइट-पर्लाइट माइक्रोस्ट्रक्चर के विकल्प|journal=Materials Science Forum|volume=284-286|pages=39–50|year=1998|last1=Bhadeshia|first1=Harshad K.D.H.|s2cid=137968590}}</ref> उदाहरण के लिए एलोट्रियोमोर्फिक फेराइट, सीमेंटाइट और पर्लाइट से युक्त। हालाँकि, ऑस्टेनाइट से पर्लाइट में परिवर्तन एक समय-निर्भर पुनर्निर्माण प्रतिक्रिया है जिसके लिए लोहे और कार्बन परमाणुओं के बड़े पैमाने 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 बेहद धीमा हो जाता है, जब तक कि सभी व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, यह बंद नहीं हो जाता। 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 बावजूद पर्लाइट नहीं बन सकता है।<ref>{{cite book | last=Durand-Charre | first=Madeleine | title=स्टील्स और कास्ट आयरन की सूक्ष्म संरचना| url=https://archive.org/details/microstructurest00dura | url-access=limited | year=2004 | publisher=Springer|isbn=978-3540209638|pages=[https://archive.org/details/microstructurest00dura/page/n201 195]–198}}</ref>

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|फेस-केंद्रित क्रिस्टल संरचना के विकृत [[ चतुष्कोणीय क्रिस्टल प्रणाली ]]|बॉडी में विरूपण द्वारा मार्टेंसाइट बना सकता है। केन्द्रित चतुष्कोणीय या शरीर-केन्द्रित घनीय संरचना। यह गैर-संतुलन चरण केवल कम तापमान पर ही बन सकता है, जहां प्रतिक्रिया के लिए प्रेरक शक्ति परिवर्तन द्वारा लगाए गए काफी 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।<ref>{{cite book|first1=A.K.|last1=Jena|first2=M.C.|last2=Chaturvedi|title=सामग्रियों में चरण परिवर्तन|year=1992|publisher=Prentice-Hall|isbn=978-0-13-663055-5|pages=408–409|chapter=Ch. 10}}</ref> इसके अलावा, 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 बीच एक क्षेत्र में रहता है जहां लोहे का स्व-प्रसार सीमित है लेकिन मार्टेंसाइट बनाने के लिए अपर्याप्त प्रेरक शक्ति है। बैनाइट, मार्टेंसाइट की तरह, बिना प्रसार के बढ़ता है लेकिन कुछ कार्बन फिर किसी भी अवशिष्ट ऑस्टेनाइट में विभाजित हो जाता है, या सीमेंटाइट के रूप में अवक्षेपित हो जाता है। एक और अंतर अक्सर तथाकथित निचले-बैनाइट के बीच किया जाता है, जो मार्टेंसाइट प्रारंभ तापमान के करीब 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 बीच कार्बन-समृद्ध अवशिष्ट ऑस्टेनाइट में कार्बाइड का निर्माण करेगा, जिससे वे कार्बाइड मुक्त हो जाएंगे। 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; दोनों सिद्धांत नीचे दर्शाए गए हैं।

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 बजाय 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 बजाय),<ref>{{cite journal|doi=10.1179/mst.1996.12.2.121 |url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/abstracts/swallow.html|title=बैनिटिक परिवर्तन के कारण होने वाले विस्थापन का उच्च रिज़ॉल्यूशन अवलोकन|journal=Materials Science and Technology|volume=12|issue=2|pages=121–125|year=1996|last1=Swallow|first1=E.|last2=Bhadeshia|first2=H. K. D. H.}}</ref> और स्टील्स में सभी विस्थापित परिवर्तनों के लिए विशिष्ट है, उदाहरण के लिए, मार्टेंसाइट, बैनाइट और विडमैनस्टेटन फेराइट। ऐसी राहत के साथ एक तनाव ऊर्जा जुड़ी होती है, जो परिवर्तन उत्पाद के प्लेट आकार की ओर ले जाती है<ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2018/mechanism.html |doi=10.3139/105.110338|title=बैनाइट परिवर्तन का परमाणु तंत्र|journal= HTM Journal of Heat Treatment and Materials|volume=72|issue=6|pages=340–345|year=2017|last1=Bhadeshia|first1=H. K. D. H.|bibcode=2017HJHTM..72..340B }}</ref> कोई भी प्रसार ऑस्टेनाइट के प्रसारहीन परिवर्तन के बाद होता है, उदाहरण के लिए सुपरसैचुरेटेड बैनिटिक फेराइट से कार्बन का विभाजन, या कार्बाइड की वर्षा; यह मार्टेंसाइट के तड़के के समान है।

बैनाइट की कई विशेषताएं हैं जिनकी इस सिद्धांत द्वारा सही भविष्यवाणी की गई है, जिनमें शामिल हैं:

* तथ्य यह है कि अतिरिक्त कार्बन बैनिटिक फेराइट के दोष-मुक्त क्षेत्रों के अंदर भी बरकरार रहता है।<ref>{{cite journal|doi=10.1016/j.jallcom.2012.02.130|title=बैनाइट की प्रसारहीन परिवर्तन प्रकृति का नया प्रयोगात्मक साक्ष्य|journal=Journal of Alloys and Compounds|volume=577|pages=S626–S630|year=2013|last1=Caballero|first1=F.G.|last2=Miller|first2=M.K.|last3=Garcia-Mateo|first3=C.|last4=Cornide|first4=J.}}</ref>

* तथ्य यह है कि बैनिटिक फेराइट की इकाई कोशिका घन के बजाय चतुष्कोणीय हो सकती है।<ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/solubility.html |doi=10.1016/j.scriptamat.2012.10.017|title=ऑस्टेनाइट के साथ संतुलन में टेट्रागोनल फेराइट में कार्बन की घुलनशीलता|journal=Scripta Materialia|volume=68|issue=3–4|pages=195–198|year=2013|last1=Jang|first1=Jae Hoon|last2=Bhadeshia|first2=H.K.D.H.|last3=Suh|first3=Dong-Woo}}</ref><ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2013/noncubic.html |doi=10.1016/j.scriptamat.2013.05.035|title=गैर-घन बैनिटिक फेराइट के लिए प्रायोगिक साक्ष्य|journal=Scripta Materialia|volume=69|issue=5|pages=409–412|year=2013|last1=Hulme-Smith|first1=C.N.|last2=Lonardelli|first2=I.|last3=Dippel|first3=A.C.|last4=Bhadeshia|first4=H.K.D.H.|citeseerx=10.1.1.398.6559}}</ref><ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2013/Cottrell.html |doi=10.1080/14786435.2013.775518|title=घन और चतुष्कोणीय फेराइट में कार्बन|journal=Philosophical Magazine|volume=93|issue=28–30|pages=3714–3725|year=2013|last1=Bhadeshia|first1=H.K.D.H.|bibcode=2013PMag...93.3714B|s2cid=16042031}}</ref><ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2015/tetra.html |doi=10.1179/1743284714Y.0000000691|title=बैनिटिक फेराइट में टेट्रागोनैलिटी के और सबूत|journal=Materials Science and Technology|volume=31|issue=2|pages=254–256|year=2015|last1=Hulme-Smith|first1=C. N.|last2=Peet|first2=M. J.|last3=Lonardelli|first3=I.|last4=Dippel|first4=A. C.|last5=Bhadeshia|first5=H. K. D. H.|doi-access=free}}</ref>

* तथ्य यह है कि जब ऑस्टेनाइट को पहली बार प्लास्टिक रूप से विकृत किया जाता है, तो बैनाइट परिवर्तन नाटकीय रूप से मंद हो सकता है, एक घटना जिसे यांत्रिक स्थिरीकरण के रूप में जाना जाता है, जो विस्थापित परिवर्तनों के लिए अद्वितीय है।<ref>{{cite journal|url=http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/abstracts/phil.stabilise.html |title=बैनाइट का यांत्रिक स्थिरीकरण|journal=Materials Science and Technology |volume=11 |issue=11 |pages=1116–1128 |doi=10.1179/mst.1995.11.11.1116|year=1995 |last1=Shipway |first1=P. H. |last2=Bhadeshia |first2=H. K. D. H. }}</ref>

===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 आम ग़लतफ़हमी यह है कि यह तंत्र सुसंगत इंटरफेस और सतही राहत 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 राहत दिखाता है।<ref name=JohnAgren>{{cite journal |vauthors= Loginova I, Agren J, Amberg G|date= 2004 |title= On the formation of Widmanstatten ferrite in binaryFe–C – phase-field approach |url= https://www.academia.edu/840003 |journal= Acta Materialia |volume= 52 |issue= 13|pages= 4055–4063 |doi= 10.1016/j.actamat.2004.05.033 |bibcode= 2004AcMat..52.4055L |access-date= 15 Apr 2017}}</ref>

===आकृति विज्ञान===

आमतौर पर बैनाइट समुच्चय के रूप में प्रकट होता है, जिसे फेराइट प्लेटों (उप-इकाइयों) के ढेर कहा जाता है, जो बरकरार ऑस्टेनाइट, मार्टेंसाइट या सीमेंटाइट द्वारा अलग किए जाते हैं।<ref name=bain_in_steels_morph>{{cite book| last=Bhadeshia| first=H.K.D.H| title=स्टील्स में बैनाइट| publisher=Institute of Materials| year=2001| chapter=Ch. 3: Bainitic ferrite| pages=19–25|isbn=978-1861251121}}</ref> जबकि उप-इकाइयाँ 2-आयामी अनुभाग पर देखने पर अलग-अलग दिखाई देती हैं, वे वास्तव में 3-आयामों में परस्पर जुड़ी होती हैं और आमतौर पर एक लेंटिकुलर प्लेट या लैथ आकृति विज्ञान पर आधारित होती हैं। ढेर 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।<ref name=singh_bhadeshia>{{cite journal |last=Singh |first=S.B. |author2=Bhadeshia, H.K.D.H. |title=कम-मिश्र धातु इस्पात में बैनाइट प्लेट-मोटाई का अनुमान|journal=Materials Science and Engineering A |volume=245 |year=1998 |issue=1| pages=72–79|doi=10.1016/S0921-5093(97)00701-6}}</ref> [[तंत्रिका नेटवर्क]] मॉडल ने संकेत दिया है कि यह तापमान का प्रत्यक्ष प्रभाव नहीं है, बल्कि प्रतिक्रिया के लिए ड्राइविंग बल की तापमान निर्भरता और प्लेटों के आसपास ऑस्टेनाइट की ताकत का परिणाम है।<ref name=singh_bhadeshia/>उच्च तापमान पर, और इसलिए कम अंडरकूलिंग पर, कम थर्मोडायनामिक ड्राइविंग 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 अलावा, प्लेटों की वृद्धि को आसपास के ऑस्टेनाइट में प्लास्टिक के प्रवाह द्वारा समायोजित किया जाना चाहिए जो कि मुश्किल है अगर ऑस्टेनाइट मजबूत है और प्लेट की वृद्धि का विरोध करता है।

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