Phase Transformations in Metals

1 May 2020 Off By Sdbamie

10) Phase Transformations in Metals

10.1 Introduction

The goal is to obtain specific micro structures that will improve the mechanical properties of a metal, in addition to grain-size refinement, solid-solution strengthening, and strain-hardening.

10.2 Basic Concepts

Phase transformations that involve a change in the micro structure can occur through:

  • Diffusion
  • Maintaining the type and number of phases (e.g., solidification of a pure metal, allotropic transformation, recrystallization, grain growth.
  • Alteration of phase composition (e.g., eutectoid reactions, see 10.5)
  • Diffusionless
  • Production of metastable phases (e.g., martensitic transformation, see 10.5)

 

10.3 The Kinetics of Solid-State Reactions

Change in composition implies atomic rearrangement, which requires diffusion. Atoms are displaced by random walk. The displacement of a given atom, d, is not linear in time t (as would be for a straight trajectory) but is proportional to the square root of time, due to the tortuous path: d = c(Dt)
1/2 where c is a constant and D the diffusion constant. This time-dependence of the rate at which the reaction (phase transformation) occurs is what is meant by the term reaction kinetics.
D is called a constant because it does not depend on time, but it depends on temperature as we have seen in Ch. 5. Diffusion occurs faster at high temperatures.
Phase transformation requires two processes: nucleation and growth. Nucleation involves the formation of very small particles, or nuclei (e.g., grain boundaries, defects). This is similar to rain happening when water molecules condensed around dust particles. During growth, the nuclei grow in size at the expense of the surrounding material.
The kinetic behavior often has the S-shape form of Fig. 10.1, when plotting percent of material transformed vs. the logarithm of time. The nucleation phase is seen as an incubation period, where nothing seems to happen. Usually the transformation rate has the form r = A e-Q/RT (similar to the temperature dependence of the diffusion constant), in which case it is said to be thermally activated.

10.4 Multiphase Transformations

To describe phase transformations that occur during cooling, equilibrium phase diagrams are inadequate if the transformation rate is slow compared to the cooling rate. This is usually the case in practice, so that equilibrium microstructures are seldom obtained. This means that the transformations are delayed (e.g., case of supercooling), and metastable states are formed. We then need to know the effect of time on phase transformations.

Microstructural and Property Changes in Fe-C Alloys

10.5 Isothermal Transformation Diagrams

We use as an example the cooling of an eutectoid alloy (0.76 wt% C) from the austenite (g- phase) to pearlite, that contains ferrite (a) plus cementite (Fe3C or iron carbide). When cooling proceeds below the eutectoid temperature (727
oC) nucleation of pearlite starts. The S-shaped curves (fraction of pearlite vs. log. time, fig. 10.3) are displaced to longer times at higher temperatures showing that the transformation is dominated by nucleation (the nucleation period is longer at higher temperatures) and not by diffusion (which occurs faster at higher temperatures).
The family of S-shaped curves at different temperatures can be used to construct the TTT (TimeTemperature-Transformation) diagrams  For these diagrams to apply, one needs to cool the material quickly to a given temperature To before the transformation occurs, and keep it at that temperature over time. The horizontal line that indicates constant temperature To intercepts the TTT curves on the left (beginning of the transformation) and the right (end of the transformation); thus one can read from the diagrams when the transformation occurs. The formation of pearlite shown in fig. 10.4 also indicates that the transformation occurs sooner at low temperatures, which is an indication that it is controlled by the rate of nucleation. At low temperatures, nucleation occurs fast and grain growth is reduced (since it occurs by diffusion, which is hindered at low temperatures). This reduced grain growth leads to fine-grained microstructure (fine pearlite). At higher temperatures, diffusion allows for larger grain growth, thus leading
to coarse pearlite.
At lower temperatures nucleation starts to become slower, and a new phase is formed, bainite. Since diffusion is low at low temperatures, this phase has a very fine (microscopic) microstructure. Spheroidite is a coarse phase that forms at temperatures close to the eutectoid temperature. The relatively high temperatures caused a slow nucleation but enhances the growth of the nuclei leading to large grains.
A very important structure is martensite, which forms when cooling austenite very fast (quenching) to below a maximum temperature that is required for the transformation. It forms nearly instantaneously when the required low temperature is reached; since no thermal activation is needed, this is called an athermal transformation. Martensite is a different phase, a body-centered tetragonal (BCT) structure with interstitial C atoms. Martensite is metastable and decomposes into ferrite and pearlite but this is extremely slow (and not
noticeable) at room temperature.
In the examples, we used an eutectoid composition. For hypo- and hypereutectoid alloys, the analysis is the same, but the proeutectoid phase that forms before cooling through the eutectoid temperature is also part of the final microstructure.

10.6 Continuous Cooling Transformation Diagrams – not covered

10.7 Mechanical Behavior of Fe-C Alloys

The strength and hardness of the different microstructures is inversely related to the size of the microstructures. Thus, spheroidite is softest, fine pearlite is stronger than coarse pearlite, bainite is stronger than pearlite and martensite is the strongest of all. The stronger and harder the phase the more brittle it
becomes.

10.8 Tempered Martensite

Martensite is so brittle that it needs to be modified in many practical cases. This is done by heating it to 250-650 oC for some time (tempering) which produces tempered martensite, an extremely fine-grained and well dispersed cementite grains in a ferrite matrix.

10.1 परिचय

लक्ष्य विशिष्ट सूक्ष्म संरचनाओं को प्राप्त करना है जो अनाज के आकार शोधन, ठोस-समाधान को मजबूत करने और तनाव-कठोर करने के अलावा, धातु के यांत्रिक गुणों में सुधार करेगा।

10.2 मूल अवधारणा

चरण परिवर्तन जो सूक्ष्म संरचना में परिवर्तन को शामिल करते हैं:

  • प्रसार
  • चरणों और प्रकार की संख्या को बनाए रखना (जैसे, एक शुद्ध धातु का ठोसकरण, एलोट्रोपिक परिवर्तन, पुनर्संरचना, अनाज का विकास।
  • चरण रचना का परिवर्तन (उदाहरण के लिए, यूटेक्टॉइड प्रतिक्रियाएं, 10.5 देखें)
  • Diffusionless
  • मेटास्टेबल चरणों का उत्पादन (उदाहरण के लिए, मार्शनेटिक ट्रांसफ़ॉर्मेशन, 10.5 देखें)

10.3 ठोस-राज्य प्रतिक्रियाओं की कैनेटीक्स

संरचना में परिवर्तन से तात्पर्य है परमाणु पुनर्व्यवस्था, जिसमें विसरण की आवश्यकता होती है। यादृच्छिक चलने से परमाणुओं को विस्थापित किया जाता है। किसी दिए गए परमाणु का विस्थापन, d, समय t में रैखिक नहीं है (जैसा कि एक सीधे प्रक्षेपवक्र के लिए होगा), लेकिन समय के वर्गमूल के लिए आनुपातिक है, जो अत्याचारी पथ के कारण होता है: d = c (Dt)
1/2 जहाँ c एक स्थिरांक है और D प्रसार स्थिरांक है। यह उस समय की दर पर निर्भर करता है जिस पर प्रतिक्रिया (चरण परिवर्तन) होती है, जो कि प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया कैनेटीक्स का अर्थ है।
डी को एक स्थिरांक कहा जाता है क्योंकि यह समय पर निर्भर नहीं करता है, लेकिन यह तापमान पर निर्भर करता है जैसा कि हमने Ch में देखा है। 5. प्रसार उच्च तापमान पर तेजी से होता है।
चरण परिवर्तन के लिए दो प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है: न्यूक्लिएशन और विकास। न्यूक्लिएशन में बहुत छोटे कणों, या नाभिक (जैसे, अनाज की सीमाएं, दोष) का गठन शामिल है। यह वर्षा के समान है जब पानी के अणु धूल के कणों के चारों ओर संघनित हो जाते हैं। वृद्धि के दौरान, नाभिक आसपास की सामग्री की कीमत पर आकार में बढ़ता है।
गतिज व्यवहार में अक्सर अंजीर का एस-आकार होता है। 10.1, जब सामग्री का प्रतिशत साजिश रचता है बनाम समय का लघुगणक। न्यूक्लिएशन चरण को ऊष्मायन अवधि के रूप में देखा जाता है, जहां कुछ भी नहीं होता है। आमतौर पर परिवर्तन दर में r = A eQ / RT (विसरण स्थिरांक की तापमान निर्भरता के समान) होता है, जिस स्थिति में इसे ऊष्मीय रूप से सक्रिय कहा जाता है।

10.4 मल्टीफ़ेज़ ट्रांसफ़ॉर्मेशन

शीतलन के दौरान होने वाले चरण परिवर्तनों का वर्णन करने के लिए, यदि शीतलन दर की तुलना में परिवर्तन की गति धीमी है, तो संतुलन चरण आरेख अपर्याप्त हैं। यह आम तौर पर व्यवहार में मामला है, ताकि संतुलन सूक्ष्मजीवों को शायद ही कभी प्राप्त किया जाता है। इसका मतलब है कि परिवर्तनों में देरी हो रही है (उदाहरण के लिए, सुपरकोलिंग का मामला), और मेटास्टेबल राज्य बनते हैं। हमें तब चरण परिवर्तनों पर समय के प्रभाव को जानना होगा।

Fe-C मिश्र में माइक्रोस्ट्रक्चरल और संपत्ति परिवर्तन

10.5 इज़ोटेर्मल परिवर्तन आरेख

हम एक उदाहरण के रूप में यूस्टेनाईट (g- चरण) से प्यूलाइट तक एक यूटेक्टॉइड मिश्र धातु (0.76 wt% C) के शीतलन का उपयोग करते हैं, जिसमें फेराइट (ए) प्लस सीमेंटाइट (Fe3C या आयरन कार्बाइड) होता है। जब कूलिंग यूटीकॉइड तापमान (727
oC) से नीचे बढ़ता है, तो प्यूलाइट का न्यूक्लियेशन शुरू होता है। एस-आकार के घटता (पर्लाइट बनाम लॉग का समय। अंजीर। 10.3) को उच्च तापमान पर अधिक समय तक विस्थापित किया जाता है, जिससे पता चलता है कि परिवर्तन पर न्यूक्लिएशन का प्रभुत्व है (न्यूक्लियेशन की अवधि अधिक तापमान पर होती है) और विसरण से नहीं ( जो अधिक तापमान पर तेजी से होता है)।
अलग-अलग तापमानों पर एस-आकार के घटता के परिवार का उपयोग टीटीटी (टाइमटेन्प-ट्रांसफॉर्मेशन) आरेखों के निर्माण के लिए किया जा सकता है। इन आरेखों को लागू करने के लिए, किसी को किसी दिए गए तापमान पर सामग्री को जल्दी से ठंडा करने के लिए परिवर्तन होने से पहले, और इसे रखना होगा। समय के साथ वह तापमान। क्षैतिज रेखा जो निरंतर तापमान को इंगित करती है बाएं (परिवर्तन की शुरुआत) और सही (परिवर्तन का अंत) पर टीटीटी घटता को स्वीकार करने के लिए; इस प्रकार एक आरेख से पढ़ सकता है जब परिवर्तन होता है। अंजीर में दिखाया गया मोती का गठन। 10.4 यह भी इंगित करता है कि परिवर्तन कम तापमान पर जल्दी होता है, जो एक संकेत है कि इसे न्यूक्लियेशन की दर से नियंत्रित किया जाता है। कम तापमान पर, न्यूक्लिएशन तेजी से होता है और दाने का विकास कम हो जाता है (क्योंकि यह प्रसार द्वारा होता है,) जो कम तापमान पर बाधा है)। इस कम अनाज की वृद्धि से सूक्ष्म दानेदार माइक्रोस्ट्रक्चर (महीन मोती) बन जाता है। उच्च तापमान पर, प्रसार बड़े अनाज के विकास की अनुमति देता है, इस प्रकार अग्रणी होता है
मोती का लेप करना।
कम तापमान पर न्यूक्लिएशन धीमा होने लगता है, और एक नया चरण बन जाता है, बैनीट। चूंकि कम तापमान पर विसरण कम होता है, इसलिए इस चरण में बहुत ही सूक्ष्म (सूक्ष्म) सूक्ष्मदर्शी होता है। Spheroidite एक मोटे चरण है जो यूटेक्टॉइड तापमान के करीब तापमान पर बनता है। अपेक्षाकृत उच्च तापमान ने एक धीमी गति से न्यूक्लियेशन पैदा किया, लेकिन बड़े अनाजों के लिए नाभिक के विकास को बढ़ाता है।
एक बहुत ही महत्वपूर्ण संरचना मार्टेन्साइट है, जो रूपांतर के लिए आवश्यक अधिकतम तापमान से नीचे बहुत तेजी से (शमन) ठंडा करते समय बनता है। आवश्यक तापमान कम हो जाने पर यह लगभग तुरंत बन जाता है; चूंकि किसी भी थर्मल सक्रियण की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए इसे एट्रैटल परिवर्तन कहा जाता है। मार्टेन्साइट एक अलग चरण है, एक शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल (बीसीटी) संरचना है जिसमें अंतरालीय सी परमाणु होते हैं। मार्टेन्सिट मेटास्टेबल है और फेराइट और पर्लाइट में विघटित होता है लेकिन यह
कमरे के तापमान पर बेहद धीमा (और ध्यान देने योग्य नहीं ) है।
उदाहरणों में, हमने एक यूटेक्टोइड रचना का उपयोग किया। हाइपो- और हाइपरेक्टेक्टोइड मिश्र धातुओं के लिए, विश्लेषण समान है, लेकिन यूटेक्टोइड तापमान के माध्यम से ठंडा होने से पहले बनने वाला प्रोएक्टेक्टॉइड चरण भी अंतिम माइक्रोस्ट्रक्चर का हिस्सा है।

10.6 निरंतर शीतलन परिवर्तन आरेख – कवर नहीं

10.7 Fe-C मिश्र के यांत्रिक व्यवहार

विभिन्न माइक्रोस्ट्रक्चर की ताकत और कठोरता माइक्रोस्ट्रक्चर के आकार से विपरीत होती है। इस प्रकार, स्फेरॉइटाइट सबसे नरम है, मोटे मोती की परत मोटे मोती की तुलना में अधिक मजबूत है, और मोती की तुलना में बैनेटाइट अधिक मजबूत है और मार्टेन्साइट सबसे मजबूत है। चरण जितना मजबूत और कठोर होगा उतना ही भंगुर होगा

10.8 टेम्पर्ड मार्टेन्साइट

मार्टेंसाइट इतना भंगुर है कि इसे कई व्यावहारिक मामलों में संशोधित करने की आवश्यकता है। यह कुछ समय (तड़के) के लिए इसे 250-650 oC तक गर्म करके किया जाता है, जो कि टेम्पर्ड मार्टेनाइट, एक बेहद महीन और अच्छी तरह से बिखरे हुए सीमेंटाइट अनाज को फेराइट मैट्रिक्स में पैदा करता है।

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