Thermal Processing of Metal Alloys

1 May 2020 Off By Sdbamie

11) Thermal Processing of Metal Alloys


Annealing Processes

11.1 Introduction

Annealing is a heat treatment where the material is taken to a high temperature, kept there for some time and then cooled. High temperatures allow diffusion processes to occur fast. The time at the high temperature (soaking time) is long enough to allow the desired transformation to occur. Cooling is done slowly to avoid the distortion (warping) of the metal piece, or even cracking, caused by stresses induced by differential contraction due to thermal inhomogeneities. 

Benefits of annealing are:

  • relieve stresses
  • increase softness, ductility and toughness
  • produce a specific microstructure

11.2 Process Annealing

Deforming a piece that has been strengthened by cold working requires a lot of energy. Reverting the effect of cold work by process annealing eases further deformation. Heating allows recovery and recrystallization but is usually limited to avoid excessive grain growth and oxidation.


11.3 Stress Relief

Stresses resulting from machining operations of non-uniform cooling can be eliminated by stress relief annealing at moderately low temperatures, such that the effect of cold working and other heat treatments is maintained.


11.4 Annealing of Ferrous Alloys

Normalizing (or austenitizing) consists in taking the Fe-C alloy to the austenitic phase which makes the grain size more uniform, followed by cooling in air.
Full anneal involves taking hypoeutectoid alloys to the austenite phase and hypereutectoid alloys over the eutectoid temperature to soften pieces which have been hardened by plastic deformation, and which need to be machined.
Spheroidizing consists in prolongued heating just below the eutectoid temperature, which results in the soft spheroidite structure discussed in Sect. 10.5. This achieves maximum softness that minimizes the energy needed in subsequent forming operations.


Heat Treatment of Steels

1.5 Hardenability

To achieve a full conversion of austenite into hard martensite, cooling needs to be fast enough to avoid partial conversion into perlite or bainite. If the piece is thick, the interior may cool too slowly so that full martensitic conversion is not achieved. Thus, the martensitic content, and the hardness, will drop from a high value at the surface to a lower value in the interior of the piece. 

  • Hardenability is the ability of the material to be hardened by forming martensite.
  • Hardenability is measured by the Jominy end-quench test (Fig. 11.2).
  • Hardenability is then given as the dependence of hardness on distance from the quenched end. High hardenability means that the hardness curve is relatively flat.

11.6 Influence of Quenching Medium, Specimen Size, and Geometry

The cooling rate depends on the cooling medium. Cooling is fastest using water, then oil, and then air. Fast cooling brings the danger of warping and formation of cracks, since it is usually accompanied by large thermal gradients. The shape and size of the piece, together with the heat capacity and heat conductivity are important in determining the cooling rate for different parts of the metal piece. Heat capacity is the energy content of a heated mass, which needs to be removed for cooling. Heat conductivity measures how fast this energy is transported to the colder regions of the piece.

Precipitation Hardening

Hardening can be enhanced by extremely small precipitates that hinder dislocation motion. The precipitates form when the solubility limit is exceeded. Precipitation hardening is also called age hardening because it involves the hardening of the material over a prolonged time.


11.7 Heat Treatments

Precipitation hardening is achieved by:

  • solution heat treatment where all the solute atoms are dissolved to form a single-phase solution.
  • rapid cooling across the solvus line to exceed the solubility limit. This leads to a supersaturated solid solution that remains stable (metastable) due to the low temperatures, which prevent diffusion.
  • precipitation heat treatment where the supersaturated solution is heated to an intermediate temperature to induce precipitation and kept there for some time (aging).

If the process is continued for a very long time, eventually the hardness decreases. This is called overaging.

The requirements for precipitation hardening are:

  • appreciable maximum solubility
  • solubility curve that falls fast with temperature composition of the alloy that is less than the maximum solubility

11.8 Mechanism of Hardening

Strengthening involves the formation of a large number of microscopic nuclei, called zones. It is accelerated at high temperatures. Hardening occurs because the deformation of the lattice around the precipitates hinder slip. Aging that occurs at room temperature is called natural aging, to distinguish from the artificial aging caused by premeditated heating.

11.9 Miscellaneous Considerations

Since forming, machining, etc. uses more energy when the material is hard, the steps in the processing of alloys are usually:

  • solution heat treat and quench
  • do needed cold working before hardening
  • do precipitation hardening

Exposure of precipitation-hardened alloys to high temperatures may lead to loss of strength by overaging.

एनीलिंग प्रक्रियाएँ

11.1 परिचय

एनीलिंग एक गर्मी उपचार है जहां सामग्री को उच्च तापमान पर ले जाया जाता है, कुछ समय के लिए वहां रखा जाता है और फिर ठंडा किया जाता है। उच्च तापमान प्रसार प्रक्रियाओं को तेजी से होने देता है। उच्च तापमान (भिगोने का समय) का समय वांछित परिवर्तन की अनुमति देने के लिए पर्याप्त है। धातु के टुकड़े के विरूपण (वारपिंग) से बचने के लिए धीरे-धीरे ठंडा किया जाता है, या यहां तक ​​कि क्रैकिंग भी होता है, जो थर्मल अकार्बनिकता के कारण अंतर संकुचन द्वारा प्रेरित तनाव के कारण होता है। 

Annealing के लाभ हैं:

  • तनाव दूर करें
  • कोमलता, लचीलापन और क्रूरता बढ़ाएँ
  • एक विशिष्ट माइक्रोस्ट्रक्चर का उत्पादन करें

11.2 प्रक्रिया की घोषणा

ठंडा काम करके मजबूत किए गए टुकड़े को ख़राब करने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। प्रक्रिया के द्वारा ठंड के काम के प्रभाव को बदलने से विरूपण को और कम करने में आसानी होती है। ताप वसूली और पुन: क्रिस्टलीकरण की अनुमति देता है लेकिन आमतौर पर अत्यधिक अनाज विकास और ऑक्सीकरण से बचने के लिए सीमित है।

11.3 तनाव से राहत

गैर-समान शीतलन के मशीनिंग संचालन के परिणामस्वरूप होने वाली तनावों को मामूली कम तापमान पर तनाव से राहत देकर समाप्त किया जा सकता है, जैसे कि ठंड काम करने और अन्य गर्मी उपचार का प्रभाव बनाए रखा जाता है।

11.4 फेरस मिश्र की घोषणा

सामान्यीकरण (या austenitizing) में Fe-C मिश्र धातु को ऐस्टेनिटिक चरण में ले जाना शामिल है जो अनाज के आकार को अधिक समान बनाता है, जिसके बाद हवा में ठंडा होता है।
पूर्ण वार्षिकी में हाइपोएक्टेक्टोइड मिश्र धातुओं को ऐस्टेनाईट चरण में ले जाना और हाइपरेयूटेक्टोइड मिश्र धातुओं को तापमान को नरम करना, जो प्लास्टिक विरूपण द्वारा कठोर किए गए हैं, और जिन्हें मशीनीकृत करने की आवश्यकता है।
Spheroidizing लंबे समय तक हीटिंग में शामिल हैं eutectoid तापमान के नीचे, जिसके परिणामस्वरूप संप्रदाय में चर्चा की गई नरम गोलाकार संरचना होती है। 10.5। यह अधिकतम कोमलता प्राप्त करता है जो बाद के संचालन कार्यों में आवश्यक ऊर्जा को कम करता है।

स्टील का हीट ट्रीटमेंट

1.5 कठोरता

हार्ड मार्टेंस में ऑस्टेनाईट का पूर्ण रूपांतरण प्राप्त करने के लिए, ठंडा करने के लिए तेजी से पर्याप्त होना चाहिए ताकि पेर्लाइट या बैनेट में आंशिक रूपांतरण से बचा जा सके। यदि टुकड़ा मोटा है, तो इंटीरियर बहुत धीरे-धीरे ठंडा हो सकता है ताकि पूर्ण मार्टेंसिक रूपांतरण प्राप्त न हो। इस प्रकार, मार्टेंसिटिक सामग्री, और कठोरता, सतह पर एक उच्च मूल्य से टुकड़े के इंटीरियर में कम मूल्य तक गिर जाएगी। 

  • हार्डेंसेबिलिटी उस सामग्री की क्षमता है जिसे मार्टेंसाइट बनाकर कठोर किया जाता है।
  • हार्डनेबिलिटी को जोमिनी एंड-क्वेंच टेस्ट (चित्र 11.2) द्वारा मापा जाता है।
  • कठोरता को तब बुझ चुके छोर से दूरी पर कठोरता की निर्भरता के रूप में दिया जाता है। उच्च कठोरता का मतलब है कि कठोरता वक्र अपेक्षाकृत सपाट है।

11.6 शमन मध्यम, नमूना आकार और ज्यामिति का प्रभाव

शीतलन दर शीतलन माध्यम पर निर्भर करती है। ठंडा पानी, फिर तेल, और फिर हवा का उपयोग करके सबसे तेज़ है। तेज शीतलन से दरारें बनने और फटने का खतरा होता है, क्योंकि यह आमतौर पर बड़े थर्मल ग्रेडिएंट्स के साथ होता है। धातु के टुकड़े के विभिन्न भागों के लिए शीतलन दर निर्धारित करने में गर्मी की क्षमता और गर्मी चालकता के साथ-साथ टुकड़े का आकार और आकार महत्वपूर्ण है। ताप क्षमता एक गर्म द्रव्यमान की ऊर्जा सामग्री है, जिसे ठंडा करने के लिए निकालने की आवश्यकता होती है। गर्मी चालकता मापता है कि इस ऊर्जा को टुकड़े के ठंडे क्षेत्रों में कितनी तेजी से पहुँचाया जाता है।

तेजी से सख्त होना

हार्डनिंग को बहुत छोटे अवक्षेप द्वारा बढ़ाया जा सकता है जो अव्यवस्था की गति में बाधा उत्पन्न करता है। घुलनशीलता की सीमा पार होने पर अवक्षेप बनता है। वर्षा के सख्त होने को आयु का सख्त होना भी कहा जाता है क्योंकि इसमें लंबे समय तक सामग्री का सख्त होना शामिल है।

11.7 हीट उपचार

वर्षाकालीन वर्षा द्वारा प्राप्त की जाती है:

  • समाधान गर्मी उपचार जहां सभी विलेय परमाणुओं को एकल-चरण समाधान बनाने के लिए भंग कर दिया जाता है।
  • घुलनशीलता सीमा को पार करने के लिए सॉल्वस लाइन के पार तेजी से शीतलन। यह एक सुपरसैचुरेटेड ठोस समाधान की ओर जाता है जो कम तापमान के कारण स्थिर (मेटास्टेबल) रहता है, जो प्रसार को रोकता है।
  • वर्षा ताप उपचार जहां वर्षा को प्रेरित करने के लिए एक मध्यवर्ती तापमान पर गर्म किया जाता है और कुछ समय के लिए रखा जाता है (उम्र बढ़ने)।

यदि प्रक्रिया को बहुत लंबे समय तक जारी रखा जाता है, तो अंततः कठोरता कम हो जाती है। इसे ओवरएजिंग कहा जाता है।

वर्षा सख्त करने की आवश्यकताएं हैं:

  • प्रशंसनीय अधिकतम घुलनशीलता
  • घुलनशीलता वक्र जो मिश्र धातु की तापमान संरचना के साथ तेजी से गिरता है जो अधिकतम घुलनशीलता से कम है

11.8 हार्डिंग का तंत्र

सुदृढ़ीकरण में बड़ी संख्या में सूक्ष्म नाभिक का गठन होता है, जिसे ज़ोन कहा जाता है। यह उच्च तापमान पर त्वरित होता है। हार्डनिंग इसलिए होता है क्योंकि उपजी जाली के चारों ओर जाली का विरूपण फिसल जाता है। उम्र बढ़ने कि कमरे के तापमान पर होता है, प्राकृतिक उम्र बढ़ने कहा जाता है, पूर्वनिर्मित हीटिंग की वजह से कृत्रिम उम्र बढ़ने से अलग करने के लिए।

11.9 विविध विचार

बनाने के बाद से, मशीनिंग, आदि अधिक ऊर्जा का उपयोग करते हैं जब सामग्री कठिन होती है, मिश्र धातुओं के प्रसंस्करण में कदम आमतौर पर होते हैं:

  • समाधान गर्मी उपचार और बुझाने
  • सख्त होने से पहले ठंड काम करने की जरूरत है
  • वर्षा कठिन है

उच्च तापमान पर वर्षा-कठोर मिश्र धातुओं के संपर्क में रहने से अधिक शक्ति का नुकसान हो सकता है।

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