Chapter 3
Basic metallurgy of Fusion Weld
3.1 परिचय
यद्यपि fusion welding द्वारा बनाया गया weldment एक monolithic structure का निर्माण करता है, फिर भी ऐसा joint धातुकर्मीय (metallurgical) संरचना की दृष्टि से प्रत्येक बिंदु पर समान नहीं होता, जिसके परिणामस्वरूप उसके mechanical properties में भी स्थान-स्थान पर भिन्नता पाई जाती है। इसका कारण यह है कि welding के दौरान एक temperature gradient विकसित होता है, जो weld pool के केंद्र में प्राप्त होने वाले उच्चतम तापमान से लेकर weld axis के अनुप्रस्थ (transverse) दिशा में ambient temperature तक क्रमशः बदलता रहता है।
इस प्रकार प्रभावित होने वाले zone का विस्तार मुख्यतः heat input per unit
time,
welding velocity,
तथा work material के भौतिक गुणों जैसे melting point, thermal diffusivity आदि पर निर्भर करता है।
मूल रूप से एक weldment को तीन अलग-अलग zones में विभाजित किया जा सकता है, अर्थात् Weld Metal (WM) zone, जो weld bead का निर्माण करता है; Heat Affected Zone (HAZ);
तथा अप्रभावित Base Metal (BM) zone। Low carbon steels, जो विश्व में सबसे अधिक welded material है, के लिए weldment के इन तीनों zones को iron-carbon
equilibrium diagram पर दर्शाया जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.1 में दिखाया गया है।
WM
zone
और HAZ के बीच एक क्षेत्र होता है जिसे Fusion Zone कहा जाता है। यह parent metal का वह आयतन (volume) होता है जो वास्तव में पिघल जाता है, जैसा कि Fig. 3.2 में दर्शाया गया है, और बाद में Weld Metal zone अथवा weld bead का एक भाग बन जाता है।
जबकि Weld Metal Zone वास्तव में weld bead का निर्माण करता है और इसकी संरचना (structure) एक cast structure होती है, वहीं HAZ (Heat Affected Zone) को एक प्रकार से weldment का heat treated portion माना जा सकता है। दूसरी ओर, अप्रभावित Base Metal मूल work material होता है, जिसके साथ एक छोटा-सा क्षेत्र भी शामिल होता है जिसे लगभग 650°C तक गर्म किया गया होता है। इस कारण उसके grain size तथा परिणामस्वरूप उसके mechanical properties में हल्का परिवर्तन हो सकता है।
Material composition, welding speed तथा heat input की मात्रा के आधार पर, fusion welding द्वारा बने weldment के विभिन्न zones में अलग-अलग microstructures विकसित हो सकते हैं। Weld Metal Zone और HAZ में बनने वाले microstructures पर heating एवं cooling cycles के प्रभाव तथा उनके mechanical properties और service behaviour पर पड़ने वाले परिणामों का संक्षिप्त विवरण आगे के अनुभागों में दिया गया है।
3.2
Weld Metal Zone
Weld Metal Zone का निर्माण weld pool के solidification द्वारा होता है। Weld pool स्वयं parent material के एक भाग के पिघलने तथा, यदि प्रयोग किया जाए, electrode के पिघलने से प्राप्त अतिरिक्त धातु (additional material) के मिश्रण से बनता है।
यद्यपि weld pool कुछ हद तक metal mould casting के समान प्रतीत होता है, फिर भी दोनों स्थितियों में महत्वपूर्ण अंतर मौजूद होता है। Metal mould में पिघली हुई धातु (molten metal) को ठंडी या अपेक्षाकृत ठंडी mould cavity में डाला जाता है, जिसके कारण सामान्यतः molten metal temperature और mould wall temperature के बीच काफी अंतर होता है। इसके विपरीत, welding की स्थिति में weld pool के केंद्र से थोड़ी दूरी तक तापमान में क्रमिक (gradual) परिवर्तन होता है।
इसके अतिरिक्त, किसी casting के solidification के लिए आवश्यक है कि molten metal को undercooled किया जाए, ताकि solid grains के nucleation के लिए पर्याप्त free energy उपलब्ध हो सके। इसके बाद ये solid grains पिघली हुई धातु (melt) के भीतर बढ़ते हैं। किसी भी individual grain की वृद्धि तभी शुरू होती है जब वह एक critical radius प्राप्त कर लेता है, जो degree of undercooling पर निर्भर करता है।
इसके विपरीत, weld pool में उपस्थित molten metal का solidification उस समय शुरू हो जाता है जब उसका तापमान उस material composition के liquidus temperature तक पहुँच जाता है। इसमें undercooling की आवश्यकता नहीं होती, क्योंकि आंशिक रूप से पिघले हुए grains स्वयं nuclei का कार्य करते हैं, जिनसे नए grains की वृद्धि solidifying weld pool के भीतर शुरू हो जाती है। इस प्रकार के solidification को Epitaxial Solidification कहा जाता है।
इस अनुभाग में solidification के इन दोनों प्रकारों की चर्चा की गई है तथा विभिन्न thermal gradients के अंतर्गत प्राप्त होने वाले संभावित microstructures का विस्तृत वर्णन प्रस्तुत किया गया है।
3.2.1
Metals और Alloys के Solidification का सामान्य सिद्धांत
(Permanent Mould Castings में Grains की Growth)
Mould में उपस्थित molten metal का solidification सूक्ष्म grains अथवा crystals के nucleation से प्रारम्भ होता है। ये छोटे-छोटे grains बाद में उपलब्ध crystallographic तथा thermal conditions के प्रभाव में बढ़ते हैं। इन grains का आकार (size) और प्रकृति (character) मुख्य रूप से material composition तथा cooling rate द्वारा नियंत्रित होती है। Growth तब तक जारी रहती है जब तक उपलब्ध समस्त molten metal ठोस (solid) रूप में परिवर्तित नहीं हो जाता।
मूलतः metals और alloys के solidification का कारण यह है कि किसी solid crystal में atoms की व्यवस्था (arrangement) उसी धातु के molten state की तुलना में कम free energy रखती है। हालांकि freezing point से ऊपर liquid state अधिक स्थिर (stable) होती है। Freezing point पर किसी भी दिशा में परिवर्तन के लिए कोई driving force नहीं होती, अर्थात् free energy change शून्य होता है और प्रणाली equilibrium की अवस्था में होती है।
इसी कारण molten metal से भरा हुआ crucible ठीक freezing point पर जमना प्रारम्भ नहीं करता, क्योंकि उस समय solidification के लिए कोई driving force उपलब्ध नहीं होती। यह किसी निम्न तापमान पर जमना प्रारम्भ करता है। Liquid-solid
equilibrium temperature से जितना अधिक तापमान नीचे लाया जाता है, solidification के लिए driving force उतनी ही अधिक हो जाती है।
प्रयोगों द्वारा यह सिद्ध किया गया है कि किसी molten metal में crystals स्वतः (spontaneously) तब तक नहीं बन सकते जब तक melt को पर्याप्त मात्रा में undercool न किया जाए।
Pure
metals
में crystals के spontaneous nucleation के लिए आवश्यक undercooling सामान्यतः equilibrium freezing
temperature
(Kelvin scale में व्यक्त) का लगभग 20% होता है। लेकिन व्यवहार में melt में प्रायः कुछ foreign bodies उपस्थित होते हैं, जो nucleation को अत्यधिक सरल बना देते हैं और केवल कुछ डिग्री सेल्सियस (°C) के undercooling पर ही crystals बनने लगते हैं।
Solidification तुरंत प्रारम्भ न होने का कारण यह है कि liquid-solid
equilibrium temperature से थोड़ा नीचे तापमान होने पर भी नए crystal surface के निर्माण के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह उसी प्रकार है जैसे surface tension के विरुद्ध किसी soap bubble को फुलाने और बड़ा करने के लिए ऊर्जा लगती है।
Nucleation मुख्यतः दो प्रकार की होती है:
- Homogeneous
Nucleation
- Heterogeneous
Nucleation
Homogeneous
Nucleation
वह प्रक्रिया है जिसमें किसी नए phase का निर्माण बिना किसी विशेष nucleation sites की सहायता के होता है। यह प्रक्रिया pure metal melt में संभव होती है।
Heterogeneous
Nucleation
वह प्रक्रिया है जिसमें solid phase
crystallization
किसी foreign nuclei की सहायता से होती है। व्यवहारिक रूप से यही nucleation का प्रमुख रूप है।
3.2.1.1
Homogeneous Nucleation
Homogeneous
Nucleation
में solid material की lattice structure वाले छोटे-छोटे atomic groups किसी भी liquid metal melt में संयोगवश लगातार बनते और पुनः घुलते (redissolve) रहते हैं। इन छोटे ठोस कणों (solid particles) के वास्तविक crystals में विकसित होने की संभावना growth process की energetics पर निर्भर करती है।
Homogeneous
Nucleation
का तापमान हमेशा equilibrium freezing
point
से कम होता है क्योंकि surface tension forces को पार करना आवश्यक होता है, जो nucleus growth का विरोध करती हैं।
दूसरे शब्दों में, supercooled grain का nucleation मुख्यतः दो कारकों द्वारा नियंत्रित होता है:
- Solidification
process
के लिए उपलब्ध free energy
- Liquid-solid
interface
(नए surface) के निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा, जिसे कभी-कभी surface energy भी कहा जाता है।
Solid
nucleus
के निर्माण को प्रेरित करने वाली ऊर्जा liquid phase और solid phase के बीच प्रति इकाई आयतन (unit volume) की free energy difference होती है। इस मात्रा को bulk-free energy change कहा जाता है तथा इसे ΔFv द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। इसे सामान्यतः joules/cm³ में व्यक्त किया जाता है।
Freezing
point
से नीचे सभी तापमानों पर ΔFv ऋणात्मक (negative) होता है, अर्थात उस स्थिति में solid phase अधिक स्थिर होती है और उसकी free energy liquid phase की अपेक्षा कम होती है।
यदि radius r वाला एक spherical particle बनता है, तो उससे संबंधित bulk-free energy change होगा:
नए surface के निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा surface tension (σ) पर निर्भर करती है, जिसे joules/cm² में व्यक्त किया जाता है।
इस प्रकार कुल net free energy change (ΔF) होगा:
...(3.1)यहाँ surface energy term धनात्मक (positive) है जबकि bulk-free energy term ऋणात्मक (negative) होती है। इसलिए ΔF और particle size के बीच संबंध का ग्राफ एक अधिकतम मान (maximum) दर्शाता है, जैसा कि Fig. 3.3 में दिखाया गया है।
इस अधिकतम बिंदु पर प्राप्त radius को critical radius (r*) कहा जाता है।
यदि किसी particle का radius इस critical radius से अधिक हो जाता है, तो आगे की growth से free energy कम होती है और crystal growth स्वतः (spontaneously) जारी रहती है।
इसके विपरीत, यदि particle radius r* से कम है, तो वह पुनः redissolve हो जाएगा क्योंकि उसके आकार में कमी आने से free energy कम हो जाती है।
Critical radius का मान Equation (3.1) को r
के सापेक्ष differentiate करके तथा परिणाम को शून्य के बराबर रखकर प्राप्त किया जाता है:
अतः,
...(3.2)जहाँ r*,
critical nucleus size को प्रदर्शित करता है।
Critical Radius (r*) से संबंधित इस समीकरण का महत्व यह है कि यदि critical radius को बहुत छोटा बनाना हो, तो ΔFv का मान ऋणात्मक (negative) दिशा में बहुत बड़ा होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, homogeneous nucleation के लिए अत्यधिक supercooling (undercooling) आवश्यक होता है।
Surface tension (σ) का मान तापमान के साथ बहुत अधिक नहीं बदलता, जबकि ΔFv का मान supercooling बढ़ने पर बढ़ता जाता है (अर्थात अधिक ऋणात्मक हो जाता है)। परिणामस्वरूप बहुत छोटे आकार का nucleus भी स्थिर (stable) हो सकता है, जैसा कि Fig. 3.4 में दर्शाया गया है।
स्पष्ट रूप से, melt में random atomic motion के कारण स्वतः बनने वाला nucleus सामान्यतः केवल कुछ atoms के आकार का होता है। इसलिए उसके लिए critical nucleus size से बड़ा होना और स्वतः वृद्धि (spontaneous growth) करना तभी संभव है जब पर्याप्त supercooling उपलब्ध हो।
एक बार जब critical radius प्राप्त हो जाता है, तो crystal तीव्र (accelerated) गति से बढ़ना शुरू कर देता है। इस प्रक्रिया के दौरान latent heat of fusion मुक्त होती है, जिसके कारण तापमान में वृद्धि होती है। तापमान बढ़ने से नए nucleating sites की संख्या कम हो जाती है।
जब severe undercooling प्राप्त किया जाता है, तब बड़ी संख्या में स्थिर (stable) nuclei बन जाते हैं। इससे उपलब्ध liquid metal का अधिकांश भाग इन अनेक nuclei के बीच विभाजित हो जाता है और प्रत्येक crystal को बढ़ने के लिए अपेक्षाकृत कम धातु मिलती है। परिणामस्वरूप fine-grained structure प्राप्त होती है।
इसके विपरीत, यदि undercooling कम हो, तो nucleating sites की संख्या भी कम होगी। ऐसी स्थिति में प्रत्येक grain को बढ़ने के लिए अधिक liquid metal उपलब्ध होता है, जिससे वे बड़े आकार तक विकसित हो जाते हैं। साथ ही उनकी growth rate भी अधिक होती है। परिणामस्वरूप coarse-grained structure बनती है, जैसा कि Fig. 3.5 से स्पष्ट होता है।
3.2.1.2
Heterogeneous Nucleation
अधिकांश वास्तविक castings में crystallization, heterogeneous nucleation
के माध्यम से होती है। इसका मुख्य कारण यह है कि यदि बनने वाला नया phase किसी foreign particle पर वृद्धि (grow) करने के लिए उपलब्ध हो जाए, तो वह उस particle के अपेक्षाकृत बड़े radius को प्रभावी रूप से अपना radius मान सकता है। परिणामस्वरूप homogeneous
nucleation
की तुलना में बहुत कम undercooling की आवश्यकता होती है।
मात्रात्मक (quantitative) रूप से यह संबंध इस बात पर निर्भर करता है कि नया phase, उस foreign particle को किस सीमा तक wet करता है। यदि foreign particle के atoms और बनने वाले precipitating phase के atoms के बीच कोई आकर्षण (attraction) नहीं है, तो nucleation में कोई सहायता नहीं मिलती।
सामान्यतः mould wall अनेक heterogeneous
nucleation sites
प्रदान करती है। हालांकि सबसे उत्तम nucleus वह particle होता है जो स्वयं उसी precipitate का बना हो जिसकी crystallization हो रही है।
3.2.1.3
Freezing of Alloys
पिछले अनुभाग में मुख्यतः pure metals के solidification की चर्चा की गई थी। लेकिन औद्योगिक (industrial) उपयोग में pure metals अपेक्षाकृत कम प्रयुक्त होते हैं, जबकि alloys का व्यापक उपयोग किया जाता है।
Alloys का solidification, pure metals के solidification से तीन प्रमुख प्रकार से भिन्न होता है:
- सामान्यतः alloys का freezing एक temperature
range
में होता है, जबकि pure metals का एक निश्चित melting point होता है।
- सबसे पहले बनने वाले solid phase की composition, liquid phase की composition से भिन्न होती है।
- कभी-कभी liquid से एक ही समय में एक से अधिक solid phases की crystallization हो सकती है।
मुख्य रूप से alloys दो प्रकार के होते हैं:
- Solid-Solution
Alloys
- Eutectic Alloys
इसके अतिरिक्त एक अन्य प्रकार के alloys, जिन्हें Peritectic Alloys कहा जाता है, भी कभी-कभी औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण steels में पाए जाते हैं।
(a) Solid-Solution Alloys
दो ऐसी धातुएँ (metals) जो अपनी liquid state में एक-दूसरे में पूर्णतः घुलनशील (mutually soluble) होती हैं, उनका व्यवहार water और alcohol के मिश्रण के समान होता है। ऐसा liquid alloy एक ही पदार्थ (one-substance liquid) जैसा दिखाई देता है।
इसी प्रकार, किसी alloy में उपस्थित दोनों metals भी एक-दूसरे से अलग पहचान में नहीं आतीं। यह एकल पदार्थ जैसी विशेषता (single substance
behaviour)
solid alloys
में भी बनी रह सकती है।
ऐसे alloy को Solid-Solution Alloy कहा जाता है, क्योंकि इसमें दोनों metals एक-दूसरे में परस्पर घुलनशील (mutually soluble) होती हैं।
Copper-Nickel तथा Gold-Silver Alloys, Solid-Solution Alloys के प्रसिद्ध उदाहरण हैं।
इसी प्रकार, एक निश्चित carbon range के भीतर steel भी solid-solution alloy का व्यवहार प्रदर्शित करती है। उदाहरण के लिए, 0.6% Carbon Steel, Iron और Carbon का एक solid-solution alloy है।
Solidification
of Solid-Solution Alloys
यदि metal B को liquid (molten) metal
A
में घोलकर एक liquid alloy बनाया जाए, तो उसकी crystallization को phase diagram की सहायता से समझा जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.6(a) में दर्शाया गया है।
मान लें कि metal B को मिलाने से metal A का freezing point कम हो जाता है, जैसा कि liquidus line द्वारा प्रदर्शित किया गया है। इसके अतिरिक्त, composition Co वाला alloy किसी एक निश्चित तापमान पर नहीं जमता, बल्कि एक temperature range में freeze होता है।
एक अन्य महत्वपूर्ण तथ्य यह है कि जब alloy का solidification होता है, तब बनने वाले solid की composition, मूल liquid की composition के समान नहीं होती, बल्कि उसमें metal A की मात्रा अधिक होती है।
Metal
A
की crystal structure में उपस्थित metal B atoms, solid-solution के रूप में विद्यमान रहते हैं तथा metal A atoms के बीच atomic dispersion के रूप में वितरित होते हैं। इन प्रभावों के कारण solidification
pattern,
pure metals
के solidification से भिन्न हो जाता है।
जिस तापमान पर freezing process पूरी तरह समाप्त होती है, उसे solidus temperature कहा जाता है।
यदि composition Co वाला एक homogeneous melt लिया जाए, तो सबसे पहले बनने वाले crystals की composition Cs होगी।
यदि solidification अपेक्षाकृत तेज़ (rapid) हो और diffusion न हो सके, तो solid-liquid
interface
के निकट स्थित liquid में solute (metal B) की मात्रा बढ़ जाती है। परिणामस्वरूप यह क्षेत्र metal B से अधिक समृद्ध (richer) हो जाता है, जबकि interface से दूर स्थित liquid की composition लगभग अपरिवर्तित रहती है।
Metal
B
के प्रतिशत में दूरी (distance) के साथ होने वाले परिवर्तन को Fig. 3.6(b) में liquidus और solidus तापमानों के बीच दर्शाया गया है।
मान लें कि mould को बहुत तेजी से भरा गया है तथा प्रारम्भिक अवस्था में (time t = 0) कोई temperature gradient मौजूद नहीं है, जैसा कि Fig. 3.6(c) में दिखाया गया है।
अब composition Co के liquidus temperature को TE मानते हैं।
यह भी मान लेते हैं कि समय के साथ एक thermal gradient स्थापित हो जाता है तथा crystallization शुरू होने से पहले liquid alloy कुछ मात्रा में supercooled हो जाता है। यह अवस्था time t₁ पर मानी जाती है।
इसके बाद time t₂ की स्थिति पर विचार करें, जब पर्याप्त मात्रा में solid phase बन चुकी हो।
यदि pure metal की तरह ही एक temperature gradient मान लिया जाए, तो इस अवस्था और pure metal
solidification
के बीच मुख्य अंतर यह होगा कि अब शेष बची हुई liquid phase का liquidus temperature, solid-liquid interface
से दूरी के साथ बदलता रहता है। इसे Fig. 3.6 में dashed line द्वारा दर्शाया गया है।
Interface के निकट, liquid में component B के एकत्रित होने (buildup) के कारण freezing temperature काफी कम हो जाती है और यह TE से नीचे चली जाती है।
इसके विपरीत, interface से दूर स्थित liquid में यदि diffusion को नगण्य माना जाए, तो उसकी composition अभी भी मूल composition Co के लगभग बराबर रहती है। इसलिए उस क्षेत्र का equilibrium freezing
temperature
अभी भी TE बना रहता है।
यह ध्यान देने योग्य है कि point x पर स्थित liquid region का freezing point (जिसे dashed line द्वारा दर्शाया गया है) interface पर स्थित liquid के freezing point से अधिक होता है। साथ ही, point x पर वास्तविक धातु का तापमान (actual metal
temperature)
भी interface के तापमान से अधिक होता है।
फिर भी, point x पर liquidus temperature और actual temperature के बीच का अंतर, interface पर मौजूद इसी अंतर से अधिक होता है। ऐसी स्थिति में point x पर उपस्थित liquid को constitutionally
supercooled
कहा जाता है।
इस कारण point x पर स्थित liquid की bulk free energy, जो crystallization के लिए उपलब्ध होती है, अधिक हो जाती है।
Constitutional
Supercooling का Crystallization पर प्रभाव
Constitutional
supercooling
का crystallization पर प्रभाव मुख्यतः supercooling की मात्रा पर निर्भर करता है और इसे तीन प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है।
(i) Minor Supercooling
यदि supercooling की मात्रा कम हो, तो interface के कुछ विशेष (preferred) क्षेत्र supercooled region की ओर नुकीले उभार (spikes) के रूप में आगे बढ़ने लगते हैं। एक बार इनके बनने के बाद इनकी growth rate, आसपास के क्षेत्रों की तुलना में अधिक हो जाती है, जैसा कि Fig. 3.7(a) में दिखाया गया है।
ऐसा दो कारणों से होता है:
- Supercooled
region
में freezing के लिए उपलब्ध driving
force
अधिक होती है।
- बढ़ते हुए spikes अपने किनारों (sides) पर solute को बाहर निकालते हैं (reject करते हैं), जिससे आसपास के क्षेत्रों का freezing विलंबित हो जाता है।
इन spikes के विकास से अंततः honeycomb structure का निर्माण हो सकता है।
(ii) Greater Supercooling
यदि supercooling और अधिक बढ़ जाए, तो ये spikes अपने किनारों पर शाखाएँ (side arms) विकसित करने लगते हैं।
इससे dendritic structure का निर्माण होता है, जैसा कि Fig. 3.7(b) में दर्शाया गया है।
इस प्रकार की वृद्धि को dendritic growth कहा जाता है, जिसमें मुख्य शाखा और उसकी उपशाखाएँ वृक्ष जैसी आकृति बनाती हैं।
(iii) Extreme Supercooling
जब supercooling अत्यधिक हो जाती है, तब Tliquidus – Tsolidus का अंतर, जो Fig. 3.6(c) में point y के आसपास अधिकतम होता है, इतना बड़ा हो सकता है कि independent
crystallization
प्रारम्भ हो जाए।
इस स्थिति में solid-liquid
interface
से दूर भी नए crystals स्वतः बनने लगते हैं।
परिणामस्वरूप alloy casting के केंद्रीय भाग (central region) में यादृच्छिक दिशा (random orientation) वाले equiaxed grains प्राप्त होते हैं।
इस प्रकार की अत्यधिक undercooling की स्थिति Fig. 3.8 में दर्शाई गई है, जहाँ dendrites तथा equiaxed grains दोनों एक साथ उपस्थित रहते हैं। ऐसी संरचना को composite structure कहा जाता है।
Solute
Distribution Factor (K)
Solute की सापेक्ष घुलनशीलता (relative solubility) को K factor द्वारा व्यक्त किया जाता है:
जहाँ,
- Cs = solid phase में solute
concentration
- Cl = liquid phase में solute
concentration
सामान्यतः K का मान 0.01 से 0.05 के बीच होता है।
Thermal
Gradient और Weld Metal Structure
जब K factor तथा thermal gradient दोनों कम होते हैं, तब weld metal के केंद्र तक भी constitutional
supercooling
विकसित हो सकती है।
दूसरी ओर, यह ध्यान रखना चाहिए कि thermal gradient जितना अधिक तीव्र (steeper) होगा, planar growth अथवा columnar growth की संभावना उतनी ही अधिक होगी।
उच्च thermal gradient के निम्नलिखित लाभ होते हैं:
- Dendritic growth को कम करता है।
- Freezing
interface
के आगे होने वाली random
crystallization को रोकता है।
- Solidification को अधिक नियंत्रित बनाता है।
- Metal flow को बेहतर बनाए रखता है जिससे shrinkage
feeding
सरल हो जाती है।
अर्थात, chilled castings जैसी परिस्थितियों में जहाँ thermal gradient बहुत तीव्र होती है, वहाँ feeding problems अपेक्षाकृत कम होती हैं और solidification अधिक सुव्यवस्थित रूप से होती है।
ate of Solidification और Thermal Gradient के बीच का संबंध microstructure के प्रकार का पूर्वानुमान लगाने में अत्यंत उपयोगी होता है। इन दोनों कारकों के संयुक्त प्रभाव के आधार पर बनने वाली weld metal structure का स्वरूप निर्धारित किया जा सकता है, जैसा कि Fig. 3.9 में दर्शाया गया है।
सामान्यतः:
- जब thermal
gradient अधिक
तथा rate of
solidification नियंत्रित
होती है, तब planar
या columnar
grains का
निर्माण होता है।
- Thermal gradient
के कम होने
और constitutional
supercooling के
बढ़ने पर cellular structure
विकसित होती है।
- और अधिक supercooling
होने पर dendritic structure
बनती है।
- अत्यधिक supercooling तथा उच्च
solidification rate की स्थिति
में equiaxed
grains का
निर्माण होता है।
अर्थात् thermal gradient (G) और solidification rate (R) का अनुपात (G/R ratio) यह निर्धारित करता है कि solid-liquid interface किस प्रकार स्थिर रहेगा और कौन-सी microstructure विकसित होगी।
सामान्य प्रवृत्ति निम्न प्रकार होती है:
|
G/R
Ratio |
बनने वाली Microstructure |
|
बहुत अधिक |
Planar Structure |
|
अधिक |
Columnar
Structure |
|
मध्यम |
Cellular
Structure |
|
कम |
Dendritic
Structure |
|
बहुत कम |
Equiaxed Grain
Structure |
इस प्रकार solidification rate और thermal gradient का समन्वित अध्ययन fusion welds तथा castings में बनने वाली अंतिम microstructure को समझने और नियंत्रित करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
(b)
Solidification of Eutectic and Peritectic Alloys
Eutectic alloys तथा Peritectic alloys में प्राप्त होने वाली microstructure, सामान्यतः solid-solution alloys में बनने वाली microstructure के समान होती है। हालांकि, इन alloys में होने वाली विशेष metallurgical phenomena अंतिम microstructure को प्रभावित करती हैं और परिणाम को कुछ हद तक बदल सकती हैं।
उदाहरण के लिए, Peritectic Reaction, जिसे Fig. 3.10 में दर्शाया गया है, एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें एक solid phase और एक liquid phase आपस में अभिक्रिया करके एक बिल्कुल नया solid phase बनाते हैं।
इसे निम्न प्रकार से व्यक्त किया जाता है:
L+δ→γ .(3.3)
जहाँ,
- L = Liquid
Phase
- δ (Delta)
= Delta Phase
- γ (Gamma)
= Austenite Phase
यह प्रक्रिया low carbon steels में विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है, जहाँ liquid metal और delta (δ) ferrite phase परस्पर अभिक्रिया करके austenite (γ) का निर्माण करते हैं।
अर्थात् solidification के दौरान बनने वाला प्रारंभिक δ-phase, शेष liquid के साथ प्रतिक्रिया करके एक नई γ-phase (austenite) में परिवर्तित हो जाता है।
अब यदि तापमान (temperature) बहुत तेजी से बदल रहा हो, जैसा कि weld cooling के दौरान होता है, तो यह Peritectic Reaction पूर्ण रूप से संपन्न नहीं हो पाती। परिणामस्वरूप equilibrium conditions प्राप्त नहीं हो पातीं और अंतिम microstructure में विभिन्न phases की मात्रा तथा उनका वितरण, equilibrium phase diagram द्वारा अपेक्षित संरचना से भिन्न हो सकता है।
यही कारण है कि fusion welds में बनने वाली microstructure अक्सर equilibrium microstructure से अलग होती है, क्योंकि वहाँ heating और cooling rates अत्यधिक उच्च होते हैं। इससे phase transformation, grain structure, तथा अंततः mechanical properties पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।
तेज़ cooling rate की स्थिति में, जैसा कि welding के दौरान होता है, δ-phase का γ-phase में पूर्ण रूपांतरण (transformation) नहीं हो पाता। परिणामस्वरूप कुछ मात्रा में retained δ-phase अंतिम microstructure में पाई जा सकती है।
इसके अतिरिक्त, Peritectic Reaction स्वाभाविक रूप से भी liquid से γ-iron के सीधे precipitation की तुलना में काफी धीमी (sluggish) होती है।
इसका कारण यह है कि इस अभिक्रिया में एक solid phase (δ) को liquid phase के साथ प्रतिक्रिया करके एक नया solid phase (γ) बनाना पड़ता है।
जब γ-phase बननी शुरू होती है, तो यह शेष बची हुई δ-phase के चारों ओर एक परत (coating layer) बना लेती है, जैसा कि Fig. 3.11 में दर्शाया गया है।
इसके बाद अभिक्रिया (reaction) को आगे बढ़ने के लिए atoms का diffusion इस नवगठित solid γ-phase के माध्यम से होना आवश्यक होता है।
चूँकि solid state diffusion अपेक्षाकृत धीमी प्रक्रिया है, इसलिए Peritectic Reaction की गति भी धीमी हो जाती है। परिणामस्वरूप तेज़ cooling conditions में यह अभिक्रिया पूर्ण नहीं हो पाती और कुछ δ-phase अंतिम microstructure में बनी रह सकती है।
संक्षेप में:
- Peritectic Reaction:
L+δ→γ
- phase
बनने पर यह
δ-phase को चारों
ओर से घेर
लेती है।
- आगे की अभिक्रिया
के लिए diffusion through solid γ आवश्यक होता
है।
- Solid-state diffusion
धीमा होने के
कारण Peritectic
Reaction भी
धीमी होती है।
- तेज़ weld
cooling में
retained δ-phase माइक्रोस्ट्रक्चर में
दिखाई दे सकती
है।
यही कारण है कि low carbon steel welds की वास्तविक microstructure अक्सर equilibrium phase diagram द्वारा अनुमानित संरचना से कुछ भिन्न होती है।
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