धातुरचनाविज्ञान

धातुरचनाविज्ञान : शुद्ध धातू आणि मिश्रधातू यांची अंतर्गत संरचना सूक्ष्मदर्शकाच्या मदतीने स्पष्ट करणारे शास्त्र. या शास्त्राने धातूची परीक्षा पुढील तीन प्रकारांनी करता येते: (१) धातूतील अंतर्गत संरचनेचा नुसत्या डोळ्यांनी स्थूलपणे अभ्यास करणे (२) इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या व प्रकाशीय सूक्ष्मदर्शकाच्या साहाय्याने धातूची अंतर्गत संरचना स्पष्ट करणे व (३) क्ष-किरणांच्या साहाय्याने धातूची अंतर्गत संरचना स्पष्ट करणे. यात प्रामुख्याने धातूच्या आणवीय रचनेचा अभ्यास केला जातो. धातूत झालेली भेसळ मिश्रधातूचे रासायनिक घटक, कणांचे आकारमान व वाटणी विशिष्ट भागाचा उत्पादन इतिहास मिश्रधातूवर झालेले उष्णता संस्करण व यांत्रिक संस्कार यांचा परिणाम अंतर्गत छिद्रे, भेगा वगैरे दोष इत्यादींसंबंधी चांगली माहिती या विज्ञानामुळे मिळते.

धातुवैज्ञानिक सूक्ष्मदर्शक : धातू पारदर्शक नसल्यामुळे साधे प्रकाशकिरण तिच्यामधून आरपार जात नाहीत. म्हणून परावर्तित किरणांच्या मदतीने तिच्या पृष्ठभागाचे परीक्षण करावे लागते. या कामाचा सूक्ष्मदर्शक आ. १ मध्ये दाखविला आहे. या उपकरणातील वस्तुभिंग व नेत्रभिंग यांची योग्य निवड केली, तर परीक्षण करावयाच्या जागेचा भाग १,००० पटींनी मोठा दिसतो. ही भिंगे तेलात बुडवून ठेवण्याची व्यवस्था केली, तर परीक्षणाचा भाग २,५०० ते ३,००० पटींनी मोठा दिसतो. बहुतेक सूक्ष्मदर्शकांवर कॅमेरा बसविण्याची सोय असते.

परीक्षण करावयाचा तुकडा सु. १५ मिमी. लांबीरुंदीचा किंवा त्या व्यासाचा असतो. हा तुकडा व्यवस्थित सपाट करतात. अगोदर तो सहाणेवर घासतात, नंतर एमरी कागदावर घासतात व शेवटी मखमल गुंडाळलेल्या चाकावर घासतात. त्यामुळे त्या तुकड्याचा पृष्ठभाग आरशासारखा चकचकीत होतो. नंतर तो धातूचा तुकडा अम्लात बुडवून त्याचे अम्लकोरण करतात. या अम्लकोरणामुळे धातूच्या तुकड्यावरील निरनिराळ्या कणांवर आणि कणसीमांवर कमीअधिक प्रमाणात रासायनिक विक्रिया होते. त्यामुळे तो भाग सूक्ष्मदर्शकातून पाहताना सर्व कण स्वतंत्र व स्पष्ट दिसतात. काही प्रकारांत विशिष्ट कण निराळ्या रंगाचे दिसतात. ठोकून घडविलेल्या पोलादाचा गुळगुळीत केलेला पृष्ठभाग अम्लकोरण करण्यापूर्वी कसा दिसतो ते आ. २ (अ) मध्ये दाखविले आहे. या आकृतीतील पांढरा भाग शुद्ध पोलादाचा आहे व काळ्या रेघा भेसळ झालेल्या द्रव्याच्या आहेत. हा पृष्ठभाग अम्लकोरण केल्यानंतर कसा दिसतो ते आ. २ (आ) मध्ये दाखविले आहे. या आकृतीतील भेसळीच्या रेषा कायम असून कणांच्या कित्येक सीमारेषाही दिसतात. पोलादाचे अम्लकोरण करण्यासाठी साधारणतः २% नायट्रिक अम्लाचा अल्कोहॉलातील विद्राव वापरतात.

शुद्ध धातू आणि मिश्रधातूंची संरचना : एका धातूच्या रसात दुसऱ्या धातूचा विद्राव होऊन तो घन अवस्थेतही टिकला, तर त्याला घन विद्राव म्हणतात. या प्रकारच्या मिश्रधातूचा पृष्ठभाग सूक्ष्मदर्शकातून पाहिला, तर त्यावरचे सर्व कण शुद्ध धातूच्या कणांप्रमाणेच एकसारखे दिसतात.

तांब्यामध्ये ३७·५% पर्यंत जस्ताचा घन विद्राव होऊ शकतो. त्याला आल्फा घन विद्राव असे म्हणतात. तांब्यामध्ये जेव्हा जस्त ३७·५% ते ४६% असते तेव्हा त्यात आल्फा व बीटा घन विद्राव यांचे मिश्रण असते व ४६% पेक्षा जास्त (५८% पर्यंत) जस्त तांब्यात घातल्यावर गॅमा घन विद्राव यावयास लागतो आणि तेव्हा बीटा व गॅमा यांच्या घन विद्रावांचे मिश्रण असते. हे घन विद्राव भिन्न असल्यामुळे किंवा त्यांची घटना भिन्न असल्यामुळे त्यांवर अम्लाची ठराविक अम्लकोरण काळात वेगवेगळी (कमीजास्त) विक्रिया होते. म्हणून सूक्ष्मदर्शकात ते वेगवेगळे दिसतात.

आ. ३ मध्ये ६०/४० (६०% तांबे, ४०% जस्त) पितळेचा पृष्ठभाग दाखविला आहे. त्यातील पांढरा भाग आल्फा घन विद्रावाचा व काळा भाग बीटा घन विद्रावाचा आहे [→ घन विद्राव]. आ. ४ मध्ये ०·६% ते ०·८% कार्बनयुक्त पोलादाची सूक्ष्मरचना दाखविली आहे. या चित्रात फेराइटाचे पांढरे भाग व सिमेंटाइटाचे काळे लांबट भाग एकाजवळ एक असे चिकटून बसलेले दिसतात.

या संरचनेला द्रवणक्रांतिकाभ (युटेक्टॉइड) संरचना म्हणतात. चित्रात या संरचनेतील पिअरलाइट नावाच्या सूक्ष्म घटकाचा कणही दाखविला आहे. या संरचनेत एका घन (वितळलेल्या स्थितीतील नव्हे) घटकातून दोन वा तीन घन घटक तयार होतात आणि या मिश्रणाचा वितळबिंदू घटकांच्या एका विशिष्ट प्रमाणाला किमान असतो.

धातु-अवस्थांतर तापमानापेक्षा खूप जास्त तापमानात (वितळबिंदूच्या खाली) पोलाद बराच वेळ तापविले व जलद गतीने हवेत थंड केले, तर फेराइटाची पटले (रेषा) ही पिअरलाइटात विशिष्ट कोन करून घुसलेली दिसतात. अशा संरचनेला विडमानस्टाटेन संरचना म्हणतात. अशी संरचना काउंट ॲलॉइस फोन विडमानस्टाटेन यांनी एकोणिसाव्या शतकात एका लोह-निकेल अशनीमध्ये शोधून काढली [ → उल्का व अशनि ]. आ. ५ मध्ये काळ्या पिअरलाइटात  पांढऱ्या फेराइटाच्या रेषा घुसलेल्या दिसतात.

अन्य मिश्रधातूंमध्येही अशा तऱ्हेची संरचना मिळू शकते. आ. ६ मध्ये ड्युराल्युमिनाच्या (ॲल्युमिनियम व तांबे हे मुख्य घटक असलेल्या मिश्रधातूच्या) पृष्ठभागांचे दोन प्रकार दाखविले आहेत. आ. ७ मध्ये विद्युत् संवाहकामध्ये वापरीत असलेल्या तांब्याचा पृष्ठभाग दाखविला आहे.

सूक्ष्मदर्शकीय परीक्षणाच्या विशेष पद्धती : आ. ८ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे अम्लकोरण केलेल्या धातूच्या वस्तूचा पृष्ठभाग आपण जेव्हा सूक्ष्मदर्शकातून बघतो तेव्हा जो भाग सपाट असतो त्यावर पडणारे प्रकाशकिरण परावर्तित होऊन वस्तुभिंगातून नेत्रभिंगात जातात व तो भाग तेजस्वी दिसतो. उलट जो भाग कललेला असतो, त्यावर पडणारे प्रकाशकिरण वस्तुभिंगाच्या बाहेरून जातात. म्हणून तेवढा भाग काळा दिसतो. यावरून आपणास धातूतील अधातवी भेसळ, धातूतील वेगवेगळ्या अवस्था, धातूवरचे भौतिकी व यांत्रिक संस्करण इ. गोष्टी स्पष्टपणे ओळखता येतात. याकरिता ध्रुवित (एकाच पातळीत कंप पावणाऱ्या) प्रकाशकिरणांचा उपयोग करण्यात येतो.

उच्च तापमान असताना धातूमध्ये होणारे बदल म्हणजे पुनर्स्फटिकीभवन, विद्रावातून कणांचे बाहेर पडणे वगैरे क्रिया घडत असतानाच पाहण्यासाठी उच्च तापमान सूक्ष्मदर्शकाचा उपयोग करतात. यामध्ये परीक्षण करावयाचा धातूचा तुकडा अक्रिय (रासायनिक विक्रिया न होऊ देणाऱ्या) वातावरणात किंवा निर्वातात पाहिजे तितका तापविण्याची व्यवस्था केलेली असते. त्यामुळे साधे वस्तुभिंग न वापरता परावर्तक जातीचे वस्तुभिंग वापरावे लागते. या पद्धतीने धातूची संरचना चांगली समजते. जंबुपार (वर्णपटातील जांभळ्या रंगाच्या पलीकडील अदृश्य) किरणांचे तरंग सामान्य प्रकाशतरंगांपेक्षा बरेच सूक्ष्म असल्यामुळे जंबुपार किरणांची सोय असलेल्या सूक्ष्मदर्शकाने जास्त विवर्धन मिळू शकते. मिश्रधातूंच्या निरनिराळ्या अवस्था व त्यांच्या पृष्ठभागाच्या गुणधर्मानुसार जंबुपार किरणांचे परावर्तन प्रमाण बदलते. याचा उपयोग या सूक्ष्मदर्शकामध्ये करता येतो. जंबुपार किरण मिळविण्यासाठी बहुतेक सूक्ष्मदर्शकांवर पाऱ्याचा बाष्पदीप वापरतात.

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाचा उपयोग : या उपकरणात इलेक्ट्रॉनांच्या शलाकेच्या रूपात अगदी आखूड जातीचे म्हणजे ०·०४ ते ०·१२ X १०^-८ सेंमी. लांबीचे तरंग उत्पन्न करता येतात. हे तरंग प्रकाशतरंगांसारखे वापरून धातूच्या पृष्ठाचे अतिसूक्ष्म परीक्षण करता येते. अशा उपकरणाच्या साहाय्याने एक लाख पटींपर्यंत विवर्धन मिळविता येते. या उपकरणाच्या मदतीने धातूच्या अंतर्गत संरचनेचा अभ्यास करण्याच्या पुष्कळ स्वतंत्र पद्धती आहेत. त्यांमध्ये (१) प्रतिकृती पद्धत, (२) पातळ पारदर्शक वर्खाची पटलाची पद्धत आणि (३) विवर्तन पद्धत या महत्त्वाच्या आहेत. (१) प्रतिकृती पद्धतीत मऊ केलेले प्लॅस्टिक किंवा कार्बन मिसळलेली चिकणमाती धातुपृष्ठावर दाबून त्या भागाचा ठसा तयार करतात व मूळ धातू न वापरता हा ठसा वापरून इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाने त्याचा अभ्यास करतात. (२) काही धातूंचे अतिशय पातळ पटल तयार करता येते व ते जवळजवळ पारदर्शक होते. या पटलामधून प्रकाश किरण आरपार पाठवून त्याच्या अंतर्गत संरचनेचा अभ्यास करतात. (३) विवर्तन पद्धतीत इलेक्ट्रॉनांची शलाका धातूच्या काठावर सोडतात. काठावरच्या कणांच्या विशिष्ट रचनेप्रमाणे शलाकेतील इलेक्ट्रॉन मूळ दिशा सोडून काठावरून वळून जातात, त्यामुळे काठाजवळच्या छायेत असमानता दिसते. याचा उपयोग करून धातूच्या अंतर्गत संरचनेचा अभ्यास करतात [→ इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक]. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकात शुद्ध निकेलाचा पृष्ठभाग कसा दिसतो, ते आ. ९ मध्ये दाखविले आहे.

किरणोत्सर्गी दोषशोधन : (रेडिओग्राफी). धातूच्या अंतर्गत भागातील दोष शोधण्यासाठी क्ष-किरण आणि गॅमा किरण यांचा उपयोग करता येतो. क्ष-किरण उपकरणाने उत्पन्न केलेले किरण १०० सेंमी. जाड पोलादाच्या वस्तूमधून आरपार जाऊ शकतात. गॅमा किरण त्यापेक्षाही जाड वस्तूमधून आरपार जातात. ज्या जाड वस्तूच्या अंतर्गत परिस्थितीची परीक्षा करावयाची असते, त्या वस्तूमधून क्ष-किरण आरपार पाठवितात. हे किरण त्या वस्तूच्या मागे ठेवलेल्या छायाचित्रण फिल्मवर पडून तेथे रासायनिक विक्रिया घडते व तेथील भाग काळसर होतो. परीक्षणाच्या वस्तूमध्ये काही दोष असल्यास दोषामधून जाणारे किरण फिल्मवर जास्त काळसर भाग उत्पन्न करतात. त्यामुळे दोषाची जागा शोधून काढता येते. धातूच्या पातळ पापुद्र्यातून क्ष-किरण आरपार पाठविले तर धातूच्या कणातील अणूंची जागा, मिश्रधातूंच्या अंतर्गत भागाची रचना, पुनर्स्फटिकीभवन, यांत्रिक संस्कारामुळे उत्पन्न झालेली विकृती वगैरेंसंबंधी चांगली माहिती मिळते.

स्थूल परीक्षण पद्धती :  सपाट आणि गुळगुळीत केलेला धातूचा तुकडा योग्य विद्रावात बुडवून काढला, तर धातूची स्फटिकमय संरचना, त्यातील निरनिराळे घटक, स्थानिक दाबाने संकोचित झालेले किंवा ताणले गेलेले भाग हे रासायनिक विक्रियेमुळे कमीअधिक प्रमाणात विरघळून पृष्ठाभागावर विशेष प्रकारच्या आकृती उत्पन्न होतात. या पृष्ठभागावर शाई लावून त्यावर पांढरा कागद हळूच दाबून धरला, तर त्या कागदावर त्या आकृत्यांचा ठसा उमटविता येतो.

घडवून तयार केलेल्या विशिष्ट आकाराच्या लोखंडी भागांवर मर्क्युरी क्लोराइडाचा विद्राव लावला, तर तेथे कशा तऱ्हेच्या आकृती दिसतात, हे आ. १० मध्ये दाखविले आहे आणि तांबे-ॲल्युमिनियम मिश्रधातूच्या पिंडकावरचा (मागाहून लाटण किंवा घडाई करण्याच्या दृष्टीने विशिष्ट आकाराच्या तयार केलेल्या धातूच्या ओतिवावरचा) पृष्ठभाग कसा दिसतो, हे आ. ११ मध्ये दाखविले आहे.

गंधक ठसा : लोखंड आणि पोलादाच्या पृष्ठांचे ठसे घेण्यासाठी गंधकाच्या विशेष गुणाचा उपयोग करतात. ठसा घेण्याचा भाग प्रथम चांगला घासून सपाट आणि गुळगुळीत करतात. तेथील तेलकटपणा घालविण्यासाठी तो भाग क्षारीय (अल्कलाइन) विद्रावात उकळतात व पुन्हा धुवून स्वच्छ करतात. छायाचित्राच्या मुद्रणाचा कागद ३% सल्फ्यूरिक अम्लात दोन मिनिटे भिजवून टीपकागदाने टिपून घेतात. हा कागद धातूच्या पृष्ठाभागावर १-२ मिनिटे दाबून ठेवतात व वरून रुळाने लाटतात. ज्या ठिकाणी लोह सल्फाइडाचे कण असतील तेथे सल्फ्यूरिक अम्लाची रासायनिक विक्रिया होऊन हायड्रोजन सल्फाइड तयार होते. छायाचित्रमुद्रण कागदावरील चांदीशी त्याचा संयोग होऊन तेथे काळसर डाग उत्पन्न होतो. अशा तऱ्हेने पृष्ठभागावर विखुरलेल्या लोह सल्फाइडाचा ठसा मिळतो.

स्थूल परीक्षणाच्या मदतीने (१) धारव्याच्या (फिरता दंड योग्य जागी राहण्यासाठी त्याला देण्यात येणाऱ्या आधाराच्या बेअरिंगाच्या) मिश्रधातूमधील अँटिमनीचे कण कसे वाटले गेले आहेत, ते समजते (२) शुद्ध धातूमध्ये सल्फाइडे, धातुमळी किंवा इतर अधातवी द्रव्ये अडकलेली असली, तर त्यांची जागा लक्षात येते (३) धातुपिंडकातील स्फटिकांचे आकारमान व संरचना समजते (४) घडवण आणि लाटण अशा यांत्रिक संस्कारणांमुळे धातूच्या पृष्ठावर झालेले परिणाम दिसून येतात (५) उत्पादन क्रियेत उत्पन्न झालेली वायुछिद्रे, घड्या, नळ्या वगैरे दोष लक्षात येतात (६) उष्णता संस्करणामुळे उत्पन्न झालेली विषमता लक्षात येते आणि (७) यांत्रिक ताणाने किंवा संकोचनामुळे उत्पन्न झालेली विषमता समजते.

भंगलेल्या भागाचे निरीक्षण : हे निरीक्षण करून धातूमधील अंतर्दोषांची व तीवर झालेल्या उष्णता संस्करणाची चांगली माहिती मिळते. निरीक्षण डोळ्यांनी किंवा सूक्ष्मदर्शकाने करता येते. असे निरीक्षण करताना धातूचा एखादा भाग कोणत्या कारणाने तुटला याचाही विचार करावा लागतो. धातुभाग तुटण्याची कारणे म्हणजे (१) आवश्यक नसलेले निराळे रासायनिक घटक असणे, (२) गैरवापर, (३) यांत्रिक व उष्णता संस्करणांतील दोष, (४) सतत पडणाऱ्या भारामुळे उत्पन्न होणारा शिणवटा, (५) मोठ्या आकारमानाचे स्फटिक, (६) अधातवी द्रव्याच्या भेसळीमुळे किंवा इतर कारणाने उत्पन्न झालेली आंतरस्फटिकीय भेग, (७) खडबडीत पृष्ठभाग आणि (८) गंजणे ही होत. या प्रकारच्या निरीक्षणांतून योग्य निष्कर्ष काढण्यासाठी पुष्कळ अनुभव लागतो. उलटसुलट दिशेने जोराने फिरणारा पोलादी दांडा शिणवट्यामुळे तुटला, तर तुटलेला भाग कसा दिसतो ते आ. १२ मध्ये दाखविले आहे.

पहा : धातूंची संरचना.

संदर्भ :  1. Barret, C. S Massalski, T. B. Structure of Metals, New York, 1966.

            2. Burton, M. S. Applied Metallurgy for Engineers, New York, 1956.

            3. Guy, A. G. Physical Metallurgy for Engineers, London, 1963.

            4. Kehl, G. L. Principles of Metallographic Laborartory practice, New York, 1949.

            5. Samans, C. H. Engineering Metals and their Alloys, New York, 1957.

ताम्हणकर, रा. वा.

“