बैनाइट: Difference between revisions

बैनाइट एक विडमैनस्टेटन पैटर्न या 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 | 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 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।<ref name=hard/><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|page=[https://archive.org/details/microstructurest00dura/page/n228 223]}}</ref>

बैनाइट की [[कठोरता]] समान स्टील कठोरता में पर्लाइट और अनटेम्पर्ड मार्टेंसाइट के बीच 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 बाद आगे ऊष्मा उपचार की आवश्यकता नहीं होती है।<ref>{{cite book|last=Davis | first=J.R. | title=कार्बन और मिश्र धातु इस्पात पर एएसएम हैंडबुक| year=1996 | publisher=ASM International}}</ref>

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 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 है, <ref>रेफरी>{{cite book | last=Smith | first=Cyril Stanley | page=225| title=मेटलोग्राफी का इतिहास| publisher=University of Chicago Press | year=1960}}<nowiki></ref></nowiki></ref> 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।<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 अस्पष्ट हो गई थी।<ref name=bain_in_steels_intro/>

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,<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 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 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>

'''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 अनेक  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===

सामान्यतः 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 सामान्यतः 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 शक्ति 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 अतिरिक्त , प्लेटों की वृद्धि को आसपास के ऑस्टेनाइट में प्लास्टिक के प्रवाह द्वारा समायोजित किया जाना चाहिए जो कि कठिन 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 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 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/>

लट्ठों के बीच बनने वाली सीमेंटाइट की मात्रा स्टील की कार्बन सामग्री पर आधारित होती है। कम कार्बन स्टील के लिए, आम तौर पर लथों के बीच असंतुलित स्ट्रिंगर या सीमेंटाइट के छोटे कण उपस्थित होंगे। उच्च कार्बन सामग्री वाले स्टील के लिए, स्ट्रिंगर आसन्न लथ की लंबाई के साथ निरंतर हो जाते हैं।<ref name=honeycombe>{{cite book |last1=Bhadeshia |first1=HKDH |last2=Honeycombe |first2=RWK  |title=Steels: Microstructure & Properties | year=2017|isbn=9780750680844}}</ref>

निचला बैनाइट 250 और 400 डिग्री सेल्सियस के बीच बनता है और ऊपरी बैनाइट की तुलना में अधिक विडमैनस्टेटन पैटर्न|प्लेट जैसा रूप लेता है। निचले बैनाइट में लट्ठों के बीच लगभग उतनी ही कम कोण वाली सीमाएँ नहीं होती हैं। निचले बैनाइट में, परिवर्तन तापमान कम होने पर फेराइट में आदत तल भी मिलर इंडेक्स|<111> से <110> की ओर स्थानांतरित हो जाएगा।<ref name=honeycombe/> निचले बैनाइट में, लोहे के एलोट्रोप और ऑस्टेनाइट के बीच इंटरफेस पर सीमेंटाइट [[केंद्रक]]

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, यानी भाग लेने वाले चरणों की रासायनिक संरचना में बदलाव के बिना परिवर्तन थर्मोडायनामिक रूप से असंभव हो जाता है।

बैनाइट पर शुरुआती 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 बाद पर्लाइट में विघटित हो जाएगा। यह इस तथ्य के बावजूद मामला 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 खिलाफ थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर कर दिया जाएगा।<ref>{{cite journal |last=Zener|first=C |title=ऑस्टेनाइट के अपघटन की गतिकी|journal=Transactions of the American Institute of Mining and Metallurgical Engineers |volume=167 |year=1946| pages=550–595|url=http://www.onemine.org/document/abstract.cfm?docid=45433&title=Kinetics-Of-The-Decomposition-Of-Austenite---Contents--Introduction}}</ref>