धातूंचा शिणवटा : दीर्घकाल वाचनाने आणि विचाराने मेंदूला शीण येऊन त्याची कार्यशक्ती कमीकमी होऊ लागते. त्यास मानसिक शिणवटा म्हणतात. तसेच सतत शारीरिक श्रम करीत राहिल्याने शरीर थकत जाते त्याला शारीरिक थकवा किंवा शिणवटा म्हणतात [ ⟶ थकवा]. त्याचप्रमाणे एखाद्या संरचनेत धातूच्या भागांवर जर वारंवार आलटूनपालटून किंवा उलटसुलट कमीअधिक वजनाचा भार, जोर, ताण, दाब, वा परिपीडन (पीळ देणारे) प्रतिबल (विकृती निर्माण करणारी प्रेरणा) सतत येत राहिल्यास त्यांच्या अंतर्गत कणरचनेत बदल होऊन त्यांची कार्यशक्ती कमीकमी होत जाऊन अखेर ते भंगतात.
अशा भंगाचा उल्लेख प्रथम जर्मनीमध्ये १८३७ साली प्रसिद्ध झालेल्या एका अहवालात करण्यात आलेला होता. खाणकामात वापरण्यात येणाऱ्या उच्चालक यंत्राचे पोलादी तारदोर जेव्हा तुटले तेव्हा त्यांच्या भंगछेदाचे निरीक्षण केल्याने हा प्रकार आढळून आला होता. पुढे इंग्लंडमध्ये १८४२ साली लोहमार्गावरील एंजिनाचे आस तुटले, त्या वेळेस तेथील यांत्रिक अभियांत्रिकी संस्थेत यावर चर्चा सुरू होऊन १८४९ मध्ये एक ‘लोह आयोग’ नेमण्यात आला. एच्. जेम्स व डी. गॉल्टन यांनी लोहमार्गाच्या संरचनेतील ज्या लोखंडी व पोलादी भागांवर स्पंदक नमन (वाकविणाऱ्या) परिबलांचा परिणाम होतो अशा भागांचा अभ्यास केला व त्याचा आयोगाने आपल्या अहवालात समावेश केला. यामुळे प्रथमच धातूंच्या सहनक्षमतेची किंवा शिणवट्याची मर्यादा ठरविण्यात आली व या मर्यादेच्या आत धातूंत शिणवटा येत नाही, असे सिद्ध झाले.
पुढे १८५८—७० या काळात ए. व्हलर या जर्मन अभियंत्यांनी लोखंड व पोलाद यांवर अक्षीय, नमन व परिपीडन अशी निरनिराळी प्रतिबले वारंवार लावून अनेक सखोल प्रयोग केले आणि त्यांचे निष्कर्ष प्रसिद्ध केले. १८७० नंतर धातूंतील शिणवट्याच्या संशोधनाला बऱ्याच देशांतून चालना मिळाली. धातुवैज्ञानिक सूक्ष्मदर्शक व इलेक्ट्रॉनीय सूक्ष्मदर्शक यांच्या उपयोगामुळे धातूंच्या शिणवट्याच्या सूक्ष्मयंत्रणेच्या अभ्यासात मोलाची भर पडलेली आहे. तथापि प्रतिबलांचा परिणाम झालेल्या भागांचे आकारमान, प्रतिबलाच्या बदलत्या परिणामामुळे होणारा संचित ऱ्हास, निरनिराळ्या प्रतिबलांच्या संयोगाने होणारा परिणाम इ. प्रश्न अतिशय गुंतागुंतीचे असल्यामुळे अद्यापही मोठ्या प्रमाणावर अनुत्तरित राहिलेले आहेत आणि त्यामुळे शिणवट्याच्या दृष्टीने तयार करण्यात येणारे अभियांत्रिकीय अभिकल्प (आराखडे) अनुभवजन्य ⇨ सुरक्षा गुणांक व मोठ्या प्रमाणावरील प्रतिकृतींचे परीक्षण यांवरच बहुतांशाने आधारलेले असतात.
काही सिद्धांत : विविध प्रयोगांच्या आधारे धातूंचा शिणवट्याच्या बाबतीत खालील सिद्धांत मांडले गेले आहेत.
(१) धातुवर निरनिराळी कमीअधिक ताणाची, दाबाची अथवा परिपीडन प्रतिबले वारंवार आल्यास अशा धातूंच्या कणांतील परस्पर ओढ किंवा बंधन शिथिल होऊन कणांची घसरण झाल्यामुळे त्यांच्या अंतर्गत रचनेत भौतिक बदल घडून येतात व ते वाढत जाऊन धातूच्या यांत्रिक गुणधर्मांतही फरक पडतात. अखेर काही ठराविक मर्यादेच्या पलीकडे त्या धातूत भंग निर्माण होतो व त्यास शिणवटाभंग म्हणतात. व्युत्क्रमी (उलटसुलट) प्रतिबलाने सुद्धा धातूत शिणवटाभंग निर्माण होतो, अशा प्रकारांना यांत्रिक शिणवटा म्हणतात.
(२) जी यंत्रे उच्च तापमानात कार्य करतात त्यांच्या भागात बदलत्या तापमानामुळे औष्णिक प्रेरणा निर्माण होतात. त्यामुळे अशा भागांच्या धातूंत जो शिणवटा येतो, त्याला औष्णिक शिणवटा म्हणतात.
(३) त्याचप्रमाणे झोत (जेट) आणि इतर उद्‌गमांमुळे निर्माण होणाऱ्या पुनरावर्ती कर्कश आवाजामुळे धातूंच्या यंत्रभागांत शिणवटा येतो, त्यास ध्वनिकी शिणवटा म्हणतात.
(४) धातूतील शिणवट्यामुळे निर्माण होणारे बरेचसे दोष प्रथम पृष्ठभागांवर सुरू होतात आणि नंतर ते ताणाच्या किंवा दाबाच्या वा चोळवटण्याच्या प्रतिबलाने वाढत जातात. अखेर त्या धातूच्या ताणाच्या किंवा दाबाच्या कमाल क्षमता मर्यादेच्या आतच अशा धातूच्या यंत्रभागाचा अकस्मात भंग होतो. याबाबत कसलीही पूर्वसूचना मिळत नाही. विशेषतः ज्या यंत्रभागात त्याच्या छेदाची जाडी जेथे बदलते, मळसूत्राचे आटे अथवा पृष्ठभागांवर हत्यारांनी पडलेले खाचखळगे असतात किंवा दंतचक्राचा दंतुर भाग असतो तेथे प्रथम प्रतिबलाचे केंद्रीकरण होते आणि सूक्ष्म चिरा पडून नंतर कालांतराने त्या ठिकाणी धातू भंग पावते.
(५) ज्या ठिकाणी धातूचा पृष्ठभाग पाणी, वायू, अम्ल किंवा लवण यांच्यामुळे खाल्ला (भक्षण केला) जातो त्या ठिकाणी धातू शिणवट्याचा प्रादुर्भाव होतो. अशा प्रकारास भक्षण शिणवटा म्हणतात.
(६) ज्या वेळेस धातूच्या पृष्ठभागात सरकत्या व लाटण क्रियेच्या घर्षणाने झीज व उष्णता निर्माण होते आणि नंतर त्या भागाचे ⇨ ऑक्सिडिभवन होते त्या वेळेस घर्षण शिणवटा निर्माण होतो. विशेषतः धातूच्या धारव्यामध्ये (फिरता दंड योग्य स्थितीत रहावा म्हणून देण्यात येणाऱ्या आधारामध्ये बेअरिंगामध्ये) अशा प्रकारचा शिणवटा निर्माण होतो.
(७) जसजसे कमाल आवर्ती ताण प्रतिबल वाढते तसतसा धातूतील शिणवटा वाढत जाऊन त्याची कार्यशक्ती (आयुर्मान) कमी होते पण दाब प्रतिबलाने ती वाढते.
वरील कोणत्याही प्रकारने धातूत शिणवटा निर्माण झाल्यास त्याच्या भंगाच्या ठिकाणी भरड स्फटिक व ठिसूळपणा आढळतो. जरी अशी धातू उत्तम तंतुक्षम असली तरी यंत्रातील किंवा इतर संरचनात्मक कामातील धातूंच्या भागांचा भंग जवळजवळ ८०% धातूंच्या शिणवट्यामुळे होतो, असे आढळून आलेले आहे. संरचनाकार अभिकल्प करताना प्रत्येक संरचनेत धातूंच्या बाबतीत बराच मोठा सुरक्षा गुणांक ठेवून संरचना करीत असल्याने धातूच्या शिणवट्याने घडून येणारे भंग दीर्घकालानंतर होतात एवढेच. लोहमार्गाचे रूळ, रुळांचे तळपाट, सांधापट्टी, एंजिनांचे आस, संयोगदांडे व भुजादंड, याऱ्यांचे आकडे व साखळ्या, आगगाडीचे डबे जोडणारे युग्मक, सागरी एंजिनांचे भाग व इतर नौकाभाग, घूर्णी (परिभ्रमी) मिश्रक, टरबाइन, दंतचक्रे, कंपक, चूर्णन यंत्रे, घणयंत्रे, पोलादी पूल, विविध वाहनांचे भाग, स्प्रिंगा, अणुभट्ट्यांचे भाग, उष्णता विनिमयक (दोन द्रायू-द्रव वा वायू-एकमेकांपासून अलग ठेवून अधिक तापमानाच्या द्रायूतील उष्णतेने कमी तापमानाच्या द्रायूला तापविणारे साधन), स्वनातीत (ध्वनीच्या वेगापेक्षा जास्त वेगाने जाणाऱ्या) व जेट विमानांचे भाग, भोंगे, बाष्पित्रे (बॉयलर), रिव्हेट व बोल्टांचे जोड, वितळजोड अशा प्रकारच्या यंत्रणेत हादरे, धक्के, भक्षण, घर्षण, कंपन, ऑक्सिडिभवन, कर्कश आवाज, बदलते उच्च तापमान, आघात, वेग व स्पंदन अशा विविध कारणांनी धातुशिणवटा येतो. १९५४ मध्ये जे कॉमेट जेट विमानांचे दोन अपघात झाले ते मुख्यत: त्यांच्या दाबकोठीच्या धातुशिणवट्यामुळे झाल्याचे संशोधनात आढळून आले. अनेक विमान अपघात तर त्यांच्या पंखातील धातुभागात शिणवटा निर्माण झाल्याने घडले, असे आढळून आलेले आहे. आगगाडीच्या डब्याचे युग्मक आणि बंदरावरील याऱ्यांच्या साखळ्या व आकडे यांचे भंग धातुशिणवट्याने होऊन मोठाले अपघात झालेले आहेत. विमानांच्या धातुभागांत तर अनेक कारणांनी, विशेषतः शीघ्रगती घर्षणामुळे व कालकठिनीकरणाने शिणवटा निर्माण होतो.
उपाय व कसोट्या : योग्य धातूची निवड, संरचनेत कडा, कंगोरे न येऊ देणे व जास्त जाडीचा भाग क्रमाक्रमाने कमी जाडीचा केला जाईल अशी दक्षता घेणे अशा ठिकाणी गोलाई ठेवणे हे उचित ठरते. पृष्ठभागावर चरे, खाचखळगे, हत्यारांच्या माऱ्याच्या खुणा राहू न देण्यासाठी असे भाग शाणित्राने (सहाणयंत्राने) गुळगुळीत करावेत. त्यामुळे अशा ठिकाणी प्रतिबल केंद्रित होत नाही. पृष्ठभागावर घर्षणाने उष्णता निर्माण होऊन ऑक्सिडीकरण होण्याचे टाळणे हाही एक उपाय आहे. पृष्ठाभागावर गोलिकाताडन (बारीक पोलादी गोळ्यांचा भडिमार) केल्याने धातुशिणवटा कमी होतो. मिश्रपोलादाच्या पृष्ठभागात नायट्रोजन वायूने कठीणपणा आणून धातूचा शिणवटा कमी करण्यात येतो. पृष्ठभाग कठीण केल्याने दाब प्रतिबल वाढते. ताण प्रतिबलाने धातूत शिणवटा जास्त येतो, तर दाब प्रतिबलाने तो कमी होतो. या सर्व उपायांनी धातूंच्या सह्यताक्षमतेची मर्यादा वाढते. तपासणी पद्धतीत धातूच्या भागात पडलेल्या सूक्ष्म चिरा शोधून काढणे हाही एक उपाय आहे. लोही धातूच्या बाबतीत ‘मॅग्नाफ्लक्स’ पद्धतीने अशा भागांत चुंबकीकरण करून (चुंबकत्व निर्माण करून) त्यावर चुंबकीय भुकटी पसरतात. ज्या ठिकाणी चीर असेल त्या ठिकाणी चुंबकीय क्षेत्र विघटित झाल्यामुळे भुकटी जमा होते.
सर्वांत खात्रीची उपाययोजना म्हणजे जी धातू वापरावयाची तिची प्रयोगशाळेत एका विशिष्ट आकाराच्या व मापाच्या कसोटी नमुन्यावर निरनिराळी प्रतिबले, विशेषतः नमनप्रतिबल, देऊन त्याची कसोटी घेणे व त्याप्रमाणे त्याचे शिणवटा बल किंवा तिच्या सहनक्षमतेची मर्यादा ठराविणे ही होय. कारण अशा सहनक्षमतेच्या प्रतिबल मर्यादेखाली धातूत शिणवटा कितीही आवर्तनांनी येत नाही. मात्र असे प्रयोग अनेक नमुना नगांवर घेऊनच ही मर्यादा ठरविण्यात येते. वातावरणीय तापमानात असे प्रयोग करण्यात येतात.
धातूच्या तारेचे एक टोक डाव्या हाताच्या बोटांच्या चिमटीत घट्ट पकडून उजव्या हाताने तारेच्या मोकळ्या भागावर कमीअधिक जोर लावून तो भाग मागेपुढे सतत वाकवित राहिल्यास काही वेळाने तार तुटते व अंदाजाने त्यातील धातुशिणवटा कळतो. परंतु अचूक प्रयोगासाठी निरनिराळी कसोटी यंत्रे ताण, दाब, परिपीडन किंवा एकत्र प्रतिबलांसाठी वापरतात. प्रतिबलांसाठी यांत्रिक, संपीडित (दाबयुक्त) वायू, द्रवीय व विद्युत् शक्ती वापरतात. काही यंत्रांत धातूचा नमुनादंड निरनिराळ्या नमनप्रतिबलांच्या भाराखाली धारव्यामध्ये स्थिर गतीने फिरवितात. पोलादासाठी प्रतिबलाची एक कोटी कमाल आवर्तने देतात, तर ॲल्युमिनियम व काही लोहेतर धातूंसाठी तीच ५० कोटी देतात. यानंतर नमुन्यावर लादलेले आवर्ती प्रतिबल व धातूचा भंग घडवून आणण्यासाठी लादणारी आवर्तनांची संख्या यांच्यातील संबंध एका आलेखाने ठरविला जातो. या आलेखाची कल्पना जर्मन अभियंते व्हलर यांची आहे.
धातूच्या नमुन्यावर दिलेल्या ठराविक आवर्ती प्रतिबलाला किती आवर्तनाने त्यात भंग घडून येतो त्या आवर्तनांच्या संख्येवरून त्या धातूचे शिणवटा आयुर्मान ठरविले जाते.
S हे अक्षर निरनिराळ्या प्रतिबल पातळीचे निदर्शक असून N हे अक्षर निरनिराळ्या भंजन आवर्तनसंख्येचे निदर्शक असते. कसोटी प्रयोगात S व N याच्या निरनिराळ्या आलेल्या मूल्यांचा एक आलेख तयार करतात व त्यास S—N आलेख असे म्हणतात. आलेखाच्या आडव्या अक्षावर लॉगरिथम श्रेणीत आवर्तनांची संख्या आणि उभ्या अक्षावर प्रतिबल किग्रॅ./चौ. सेंमी. मध्ये नोंदतात.
एका विशिष्ट प्रकारच्या पोलादाचा S—N आलेख आकृतीत दाखविला आहे. या आलेखावरून असे समजून येते की, जसजसे कमाल आवर्ती ताण प्रतिबल वाढत जाते तसतशी त्या धातूची आयुर्मर्यादा कमीकमी होते. याउलट जसजसे कमाल आवर्ती ताण प्रतिबल कमीकमी होत जाते तसतशी धातूची आयुर्मर्यादा वाढत जाते. तसेच पोलादाच्या बाबतीत एका ठराविक प्रतिबलाच्या खाली कितीही आवर्तनाला शिणवट्यामुळे भंग होत नाही. या अवस्थेला ‘सहनक्षमतेची मर्यादा’ असे म्हणतात व ती आलेखातील आडव्या रेषेने निदर्शित झालेली आढळते. काही थोड्या धातू सोडल्यास इतर धातूंच्या बाबतीत खऱ्या अर्थाने अशी अवस्था आढळून येत नाही परंतु आवर्ती ताण प्रतिबल कमी करताच आयुर्मानात जी एकदम वाढ होते, त्यावरून प्रतिबलाची मर्यादा शिणवटा कमी करण्यासाठी किती ठेवावी हे सहज समजू शकते. म्हणून एखाद्या धातूच्या फक्त प्रतिबल क्षमतेवर विसंबून न राहता अभियंत्याने प्रथम तयार केलेल्या आद्यनमुन्याची (मूलकृतीची) निरनिराळ्या कसोट्या लावून चाचणी घेणे, हाच धातुशिणवट्यामुळे होणारे दुष्परिणाम व धोके टाळण्याचा उत्तम उपाय होय.
पहा : धातूंचे यांत्रिक गुणधर्म पदार्थांचे बल.
संदर्भ : 1. Forsyth, P. S. E. The Physical Basis of Metal Fatigue, London, 1969.
2. Kennedy, A. J. Processes of Creep and Fatigue in Metals, New York, 1963.
3. Mann, J. Y. Fatigue of Materials, Melbourne, 1967.
4. Timoshenko, S. Strength of Materials, part II, New York, 1960.
वैद्य, ज. शि. दीक्षित, चं. ग.
“