धातूंची संरचना

धातूंची संरचना : धातूंच्या कणांची एकमेकांसापेक्ष स्थिती. धातूंची संरचना व त्यातील बदल हे धातुभौतिकीचे व पर्यायाने ⇨ घन अवस्था भौतिकीचे महत्त्वाचे अंग आहे. संरचनेच्या आधारावर धातू आणि मिश्रधातूंचे अनेक गुणधर्म, विद्युत् व चुंबकीय अवस्था, यंत्रणक्षमता [ → धातूंची यंत्रणक्षमता], उष्णता संस्करण इ. अनेक गोष्टींचे विवेचन आणि संशोधन केले जाते. १९१० सालानंतर क्ष-किरण व इतर प्रकारच्या साधनांच्या साहाय्याने धातूंची संरचना समजून घेण्यात शास्त्रज्ञांनी बरीच प्रगती केली आहे.

धातू व इतर घन पदार्थांतील अणू एकमेकांतील विरुद्ध जातीच्या विद्युत् भाराने आकर्षित होऊन एकत्र बांधले गेलेले असतात. उच्च तापमानाला पदार्थ द्रव झाला म्हणजे हे बंधन बरेच शिथिल होते व अति-उच्च तापमानाला पदार्थ वायुरूपात गेला म्हणजे ते नष्टच होते. या बंधनांचे चार स्वतंत्र प्रकार म्हणजे आयनिक बंध (दोन विरुद्ध भारांच्या आयनांमधील–अणू, रेणू वा अणुगट यांमधील रासायनिक बंध), सहसंयुजी बंध (समाईक इलेक्ट्रॉन, सामान्यतः  दोन, असलेला दोन अणूंमधील रासायनिक बंध), व्हॅन डर व्हाल्स बंध (जे. डी. व्हॅन डर व्हाल्स यांच्या नावाने ओळखण्यात येणाऱ्या आंतरआणवीय आकर्षण प्रेरणांमुळे निर्माण होणारे बंध) आणि धातवीय बंध हे होत. धातूमध्ये अणूंना एकत्र बांधणारा व स्फटिक बनविणारा धातवीय आकर्षण बंध या प्रकारातच मोडतो. धातवीय बंध हा सहसंयुजी बंधाचा प्रगत प्रकार आहे, असे मानतात. एखाद्या सहसंयुजी धातूच्या स्फटिकात प्रत्येक अणूचा आयनिक गाभा स्फटिक संरचनेनुसार कोणत्यातरी भूमितीय रचनेत असतोपण संयुजी इलेक्ट्रॉन अणूंच्या बाहेरील कक्षेत न राहता अणूंच्या जालकात(जाळ्यामध्ये)मुक्तपणे संचार करीत असतात, म्हणून त्यांच्या समूहाला इलेक्ट्रॉन वायू असेही म्हणतात. या वायूच्या गुणधर्मावरून धातूंचे काही भौतिक गुणधर्म समजून घेता येतात. धातूंची विद्युत् संवाहकता इतर मूलद्रव्यांपेक्षा जास्त असते याचे कारण धातवीय बंधात मुक्त इलेक्ट्रॉन स्फटिकामध्ये मोकळे फिरत असतात,हे होय. इलेक्ट्रॉन वायूला सामान्य वायूचे नियम लागू पडत नाहीत. त्याच्या गुणधर्मांच्या वर्णनासाठी फेर्मी-डिरॅक सांख्यिकीचा [→सांख्यिकीय भौतिकी ] अवलंब करावा लागतो. या पद्धतीने धातूंच्या अनेक महत्त्वाच्या भौतिक गुणधर्मांची सैद्धांतिक पार्श्वभूमी समजते.

स्फटिकविज्ञान : वरील चार प्रकारच्या बंधनांनी अणू एकत्र बांधले जाऊन त्यांचे घन स्फटिक बनतात. स्फटिकात अणूंची रचना काही विशिष्ट प्रकारच्या जालकावर आधारलेली असते. सममितीच्या तत्त्वावर जालकाचा प्रकार ठरविता येतो. स्फटिकरचनेचे हजारो प्रकार आहेत, पण ते सात मुख्य वर्गांतविभागता येतात. हे सातही वर्ग सममितीचे मूळ प्रकार असून त्यांना स्फटिक व्यूह म्हणतात. या व्यूहांचे सात वर्ग म्हणजे घनीय, एकनताक्ष, चतुष्कोणीय, समचतुर्भुजी, समांतर षट्फलकीय, षट्‌कोणी आणि त्रिनताक्ष हे होत. नैसर्गिक किंवा कृत्रिम स्फटिक या वर्गांपैकी एका वर्गाचा असतो, असे प्रयोगशाळेत क्ष-किरणांच्या मदतीने आढळून आले आहे. स्फटिकरचनेचे विविध प्रकार या मूळ जालकांच्या बिंदूवर अणू ठेवून वा प्रत्येक जालकबिंदूजवळ विशिष्ट प्रकारे अणू ठेवून बनविले जातात. याप्रमाणे सामान्यतः तीन प्रकारची स्फटिक रचना बहुतेक धातूंमध्ये आढळून येते. हे तीन प्रकार म्हणजे पृष्ठकेंद्रित घनीय, शरीरकेंद्रित घनीय आणि षट्‌कोणी हे होत. हे तीन प्रकार आ.१ मध्ये दाखविले आहेत आणि कोष्टकात त्यांसंबंधी विशेष माहिती दिली आहे. ॲल्युमिनियम, चांदी, तांबे, निकेल, सोने या धातूंचे स्फटिक पृष्ठकेंद्रित घनीय रचनेचे असतातटंगस्टन, मॉलिब्डेनम, लोखंड (आल्फा प्रकार), सोडियम या धातूंचे स्फटिक शरीरकेंद्रित घनीय रचनेचे आणि जस्त, कॅडमियम, मॅग्नेशियम इत्यादींचे स्फटिक षट्‌कोणी रचनेचे असतात. स्फटिकांमधील निरनिराळ्या भूमितीय पातळ्या सामान्यतः मिलर अंकाने [→ स्फटिकविज्ञान]  दाखविण्याची सांकेतिक पद्धती आहे. कोणत्याही पातळीचे क्ष, य, झ, या तीन अक्षांवर जे अंतर्च्छेद होतात त्यांच्या व्युत्क्रमांच्या साहाय्याने हा अंक बनविला जातो. उदा., घनाच्या मुख्य पृष्ठांचे मिलर अंक (100), (010) आणि (001) असे असतात. घनाच्या मधून जाणारी कर्ण पातळी (111) या अंकाने दर्शविली जाते. अशा पद्धतीने क्ष-किरण वापरून संरचना ठरविताना काम पुष्कळ सोईचे होते.

क्ष-किरण विवर्तन : विवर्तन म्हणजे वस्तूच्या काठावरून पुढे जाणाऱ्या किरणांच्या वा कणांच्या दिशेत होणारा बदल. क्ष-किरण विवर्तन, इलेक्ट्रॉन विवर्तन व न्यूट्रॉन विवर्तन या तीनही गोष्टींची धातु-संरचना ठरविण्यात फार मोठी मदत झाली आहे. धातुविज्ञानात क्ष-किरण विवर्तनाच्या अनेक पद्धती आहेत. एम्. फोन लौए यांच्या पद्धतीने स्फटिकाची दिक्‌स्थिती समजते, म्हणजेच स्फटिकाचा अमुक एक पृष्ठभाग (100), (110) व (111) यांसारख्या मुख्य पातळ्यांशी कोणत्या कोनात आहे, ते समजते. लौए पद्धतीमध्ये एकाच स्फटिकावर बहुवर्णी (विविध तरंगलांबींचा समावेश असलेले) क्ष-किरण सोडतात. त्यामुळे विवर्तन होऊन छायाचित्रण फिल्मवर ठिपक्यांची विविष्ट रचना मिळते. या रचनेवरून स्फटिकाची दिक्‌स्थिती ठरविता येते. पी. डेबाय आणि पी. शेरर यांची म्हणजेच चूर्ण  पद्धती ही स्फटिकाचा वर्ग, स्फटिकाची संरचना व  जालक-स्थिरांक (जालकाच्या बाजूची लांबी दाखविणारा अंक) ठरविताना फार उपयोगी पडते. या पद्धतीत  बहुस्फटिकी धातूच्या तारेवर अथवा पत्र्यावर एकवर्णी क्ष-किरण सोडतात. हे क्ष-किरण काही विशिष्ट दिशांमध्ये विवर्तित होतात व त्याप्रमाणे फिल्मवर रेषा उमटतात. प्रत्येक रेषा काही विशिष्ट मिलर अंक असलेल्या स्फटिक पातळीपासून आलेली असते. रेषांच्या अंतरांवरून गणिताने धातूंच्या जालकाचा प्रकार, जालक, जालक-स्थिरांक इ. गोष्टी ठरविता येतात. धातूच्या अभ्यासात ही चूर्ण पद्धती मोठ्या प्रमाणात वापरली जाते. या पद्धतीने शरीरकेंद्रित घनीय व पृष्ठकेंद्रित घनीय रचनेच्या स्फटिकांपासून ज्या विवर्तन रेषा निघतात त्यांची चित्रे आ. २. मध्ये दिली आहेत.

क्ष-किरणांच्या साहाय्याने मिश्रधातूंच्या रचनेचेही चांगले ज्ञान होते. मिश्रधातूतील घन विद्रावाचा [दोन अगर अधिक घन द्रव्यांच्या समांगी म्हणजे सर्वत्र सारख्या असलेल्या मिश्रणाचा  → घन विद्राव] प्रकार किंवा घन विद्रावात काही नियमित क्रम आहे किंवा नाही, हे क्ष-किरणांनी समजू शकते. मिश्रधातूमधील सर्व प्रावस्थांसंबंधी मिळालेले एकूण ज्ञान बहुतांशी क्ष-किरण विवर्तनाने मिळाले आहे.

इलेक्ट्रॉन विवर्तन : यात मूलभूत दृष्ट्या क्ष-किरणांसारखीच क्रिया घडून येते इलेक्ट्रॉनांच्या शलाका धातूंच्या मधून आरपार जात नाहीत धातूंमध्ये त्या शोषिल्या जातात. फक्त पृष्ठभागावरील अणूंच्या थरातून जे इलेक्ट्रॉन विवर्तित होतात, त्यांच्या अभ्यासाने धातूच्या पृष्ठभागावरची संरचना अधिक स्पष्ट समजते. इलेक्ट्रॉन शलाकांच्या तरंगांची लांबी क्ष-किरणांच्यापेक्षा बरीच कमी असते. त्यामुळे त्यांचे विवर्तन अधिक निमुळत्या कोनात घडून येते. धातूचे अतिशय पातळ पापुद्रे तयार केले, तर मात्र इलेक्ट्रॉन शलाका त्यांच्या आरपार जाऊ शकतात व त्यांचे विवर्तन अणूंच्या सर्व थरांकडून होते आणि संरचनेचा पूर्ण अभ्यास करता येतो.

न्यूट्रॉन विवर्तन : यासाठी न्यूट्रॉन शलाका एखाद्या अणुभट्टीपासून मिळवाव्या लागतात. क्ष-किरणांच्या साहाय्याने जेथे संरचना समजू शकत नाहीत, अशा काही प्रश्नांसाठी न्यूट्रॉन विवर्तन पद्धतीची फार मदत होऊ शकते. उदा., लोखंड व कोबाल्ट यांच्या मिश्रधातूत जर श्रेणीयुक्त (क्रमवारीने होणारी) संरचना असली, तर ती क्ष-किरणांनी ओळखता येत नाही पण न्यूट्रॉन विवर्तनाने ओळखता येते.

स्फटिक दोष : वर दिलेल्या पद्धतींनी धातूंच्या संरचनेचा अभ्यास करताना असे आढळून येते की, धातूंचे स्फटिक संरचनेच्या दृष्टीने आदर्श नसून त्यांत अनेक दोष असतात. अशा दोषांचे दोन प्रकार आ. ३ मध्ये दाखविले आहेत.

बहुतेक स्फटिकांतून जेथे अणू असावयास पाहिजे तेथे तो नसतो व ती जागा मोकळीच राहते, अशा जागेला पोकळी म्हणतात (आ. ३ अ). प्रत्येक तापमानाला काही विशिष्ट प्रमाणात स्फटिकामध्ये पोकळ्या असतातच असे ऊष्मागतिकीवरून (उष्णता आणि यांत्रिक व इतर प्रकारच्या ऊर्जा यांतील संबंधांचे गणितीय विवरण करणाऱ्या शास्त्रावरून) दाखविता येते. पोकळी हा दोष आहे असे वाटले, तरी तिचा अनेक प्रक्रियांमध्ये चांगला उपयोग होतो. उदा., घन अवस्थेतील विसरण (एका द्रव्याचे दुसऱ्या द्रव्यामध्ये हळूहळू पसरून पूर्ण मिसळणे) अशा पोकळ्यांच्या साहाय्यानेच घडून येते. स्फटिकामध्ये असलेला दुसरा दोष म्हणजे विस्थापन हा होय (आ. ३ आ). विस्थापनांचे दोन मुख्य प्रकार म्हणजे काठावरचे विस्थापन आणि मळसूत्री विस्थापन हे होत. धातूच्या विरूपणाबाबतच्या (रूपबदलासंबंधीच्या) सर्व प्रक्रियांचे आजच्या धातुविज्ञानात विस्थापनाच्या हालचालीवरून विवरण करण्यात येते. या तत्त्वास विस्थापन सिद्धांत असे नाव आहे. या तत्त्वाप्रमाणे धातुस्फटिकातील विस्थापनांच्या हालचालीमुळे विरूपण होते, असे दाखविता येते. विरूपण चालू असताना काही विस्थापने स्फटिकांच्या बाहेर जातात, तर त्याच वेळी नवी विस्थापने विरूपणामुळेच स्फटिकात तयार होतात. ही विस्थापने एकमेकांत अडकल्यामुळे विरूपण चालू असताना धातू अधिक कठीण होत जाते, यालाच विरूपण-दृढीकरण असे म्हणतात. विसर्पण (स्थिर भार असताना होणारे धातूचे अखंड सूक्ष्म विरूपण), शिणवटा (वारंवार बदलणाऱ्या भारामुळे होणारे विरूपण) आणि विभंग (तुटणे) या आविष्कारांमध्येही विस्थापनाच्या हालचालींना महत्त्व आहे.

बहुरूपता : घन प्रावस्थांचा एकत्रित विचार केला, तर त्यांचे सामान्य वर्गीकरण करता येते. शुद्ध धातूच्या एकापेक्षा अधिक घन प्रावस्था असू शकतात व त्यांस मूलद्रव्याची बदललेली रूपे असे म्हणतात. उदा., लोखंडाच्या स्फटिकांची संरचना ९१०^° से.पर्यंत शरीरकेंद्रित घनीय प्रकारची असते आणि त्यापेक्षा जास्त तापमानात ती पृष्ठकेंद्रित घनीय प्रकारची होते म्हणून ९१०^° से.च्या खाली आल्फा (α) लोखंड आणि ९१०^° से. च्या वर गॅमा (γ) लोखंड अशी लोखंडाची दोन रूपे मानली जातात. कथिल, टिटॅनियम, झिर्कोनियम इ. धातूंमध्ये अशी बहुरूपे आढळतात.

मिश्रधातूंचे प्रकार : मिश्रधातूंमध्ये संरचनात्मक प्रावस्थांचे मुख्य प्रकार म्हणजे घन विद्राव व आंतरधातवीय संयुगे हे होत [ → मिश्रधातु]. आंतरधातवीय संयुगे बहुधा एखाद्या धातवीय संयुगात मूळ धातूचे विद्रावण होऊन बनलेली असतात. या दोनही प्रकारच्या प्रावस्थांमध्ये श्रेणीयुक्त आणि श्रेणीहीन असे प्रकार असू शकतात. या प्रावस्थांमध्ये आयनिक संयुग, आकारमान संयुग किंवा इलेक्ट्रॉन संयुग यांपैकी एखादे संयुग आधारभूत असते.

बहुस्फटिकी अवस्था : सामान्यतः धातूमधील प्रावस्था बहुस्फटिकी अवस्थेत असतात. एकच एक स्फटिक असलेला नमुना प्रयोगशाळेत फार काळजी घेऊन बनवावा लागतो. बहुस्फटिकी तुकड्यांमध्ये स्फटिक किंवा कण हे स्फटिकसीमांनी बद्ध असतात. धातुभौतिकीत स्फटिकसीमांनाही महत्त्व आहे. स्फटिकाचा आकार आणि स्फटिकसीमा यांच्यामुळे धातूच्या गुणधर्मांवर बरेच महत्त्वाचे परिणाम होतात.

प्रावस्थांतील बदल : प्रावस्थांमध्ये जेव्हा बदल घडून येतो, तेव्हा एक संरचना जाऊन दुसरी तयार होते. प्रावस्थारूपांतराचा अभ्यास संरचनेच्या ज्ञानाच्या दृष्टीने महत्त्वाचा आहे. धातुविज्ञानात प्रावस्थारूपांतरे दोन मुख्य प्रकारची मानली जातात. एका प्रकारात प्रावस्थेचा गर्भ तयार होऊन त्याची वाढ होते, याला गर्भवृद्धी प्रकारचे रूपांतर म्हणतात. ही रूपांतरे प्रत्येक तापमानाला काही विशिष्ट वेगाने घडू शकतात व त्यांत विसरणाला प्राधान्य असते.

                             विविध धातूंच्या स्फटिकांसंबंधी विशेष माहिती

दुसऱ्या प्रकारची प्रावस्थारूपांतरे कर्तन रूपांतर या वर्गात मोडतात. यामध्ये गर्भ तयार होऊन त्याची हळूहळू वाढ होण्याची प्रक्रिया न होता अत्यंत वेगवान लाटेप्रमाणे प्रावस्थारूपांतर घडून येते. द्रव धातूतून घन स्फटिक तयार होतात, ते प्रथम गर्भरूप व नंतर वाढ या पद्धतीने तयार होतात परंतु पोलादात ऑस्टेनाइट प्रकारचे मार्टेन्साइट प्रकारात जेव्हा रूपांतर होते तेव्हा ते कर्तन रूपांतर या प्रकारचे असते. यांशिवाय घन संक्रमणात श्रेणी परिवर्तन, प्रक्षेपण (विद्रावणामुळे आलेली द्रव प्रावस्था सोडून घन कणांच्या रूपाने बाहेर पडणे) दृढीकरण अशीही महत्त्वाची उदाहरणे आहेत. त्यांमध्येही महत्त्वाचे संरचनात्मक बदल घडून येतात.

पहा : स्फटिकविज्ञान.

संदर्भ : 1. Barrett, C. S. Massalski, T. B. Structure of Metals, New York, 1952.

           2. Smith, M. C. Principles of Physical Metallurgy, Bombay, 1962.

           3. Wulff, J., Ed. The Structure and Properties of Meterials. Vol. 1, New York, 1964.

खानगांवकर, प. रा.

“