धातूंचे परीक्षण

धातूंचे परीक्षण : धातूच्या यंत्रभागांचे, वस्तूंचे वा त्यांच्या धातूंचे परीक्षण. आजच्या यंत्रयुगातील सर्व प्रकारच्या यंत्रसामग्रीला निरनिराळ्या धातूंची व मिश्रधातूंची जरूरी असते. निरनिराळी यंत्रे, सुटे भाग, दाबयंत्रे, बांधकामात वापरण्यात येणारे लोखंड व पोलाद यांचे गुणधर्म व वस्तूंचे आकार, मापे इ. हवी तशी होण्यासाठी त्यांच्या उत्पादनात सुरुवातीपासून ते अखेरपर्यंत जे निरनिराळे टप्पे असतात, तेथे प्रत्येक ठिकाणी कडक नियंत्रण असावे लागते व हे नियंत्रण बरोबर झाले आहे की नाही, हे पाहण्यासाठी प्रत्येक वेळी परीक्षण करावे लागते.

परीक्षणाचे प्रकार : परीक्षणाचे बाह्य व आंतरिक परिक्षण असे दोन प्रकार करता येतील, तसेच भौतिक व रासायनिक असेही दोन प्रकार कल्पिणे शक्य आहे.

बाह्य परीक्षण : हे धातूसाठी नसून मुख्यतः तयार किंवा तयार होत असलेल्या वस्तूंसाठी असते. यात फक्त डोळ्यांना दिसणारे दोषच समजू शकतात.

आंतरिक परिक्षण : हे मूलगामी स्वरूपाचे असते. याचेही दोन प्रकार आहेत : विनाशी (परिक्षणात भाग वा वस्तू निकामी होते) व अनाशी किंवा अभंजक (वस्तू तशीच कायम राहते). आंतरिक परीक्षणात भौतिक, रासायनिक, विनाशी, अनाशी या सर्व प्रकारांचा समावेश होऊ शकतो.

साध्या खिळ्यापासून ते विमानाच्या एंजिनाच्या भागापर्यंत सर्व तऱ्हेच्या वस्तू कोठल्या कोठल्या टप्पांतून जातात व त्या त्या ठिकाणी कोणत्या तऱ्हेचे परीक्षण होते, ते कोष्टकात दिले आहे.

रासायनिक परीक्षण : शुद्ध किंवा मिश्र स्वरूपात धातू तयार झाल्यावर तिच्या संघटनाची खात्री करून घेण्यासाठी हे परीक्षण करतात. तयार वस्तूच्या गुणांबद्दल शंका उत्पन्न झाल्यास तिचा एक तुकडा घेऊन त्याचे रासायनिक परीक्षण करावे लागते. मात्र ती वस्तू मग फुकट जाते व हे विनाशी परीक्षण ठरते. धातूतील निरनिराळ्या घटकांच्या प्रमाणानुसार धातूचे गुणधर्म ठरतात. उदा., पोलादातील लोह व कार्बन. रासायनिक परीक्षणाच्या दोन मुख्य पद्धती आहेत.

नेहमीची विश्लेषण पद्धत : ह्या पद्धतीत निरनिराळ्या रासायनिक विक्रियांच्या मदतीने नमुन्यातील भिन्न घटकांचे प्रमाण काढता येते [ → वैश्लेषिक रसायनशास्त्र].

वर्णपटदर्शकाद्वारे रासायनिक विश्लेषण : या पद्धतीत धातूच्या लहानशा तुकड्यावर विद्युत् प्रज्योत निर्माण करून काचेचा लोलक किंवा ⇨ विवर्तन जालक यांच्या साहाय्यानेमिळणाऱ्या वर्णपटाचे निरीक्षण करून धातूतील घटक काढता येतात [ → वर्णपटविज्ञान].

भौतिक परीक्षण : याच्या विनाशी व अनाशी अशा दोन पद्धती आहेत. हे परीक्षण मुख्यतः धातूंच्या भौतिक गुणधर्मांसाठी वापरले जाते.

विनाशी पद्धत : या पद्धतीत परीक्षणासाठी स्वतंत्र नमुना लागतो. हा नमुना शक्य तर तयार वस्तूतून तरी घेतात किंवा ज्या मूळ मालापासून वस्तू बनविली असेल त्यातून घेतात. नमुना वस्तूतूनच काढला, तर वस्तू फुकट जाते पण कुठूनही घेतलेला असो नमुना मात्र तुटून फुकट जातो. या परीक्षणाला मोठाल्या किंमती यंत्रांची जरूरी लागते. या परीक्षणात ताणबल, संपीडनबल (आकुंचनबल), कर्तनबल, कठिनता वगैरे गोष्टी समजून येतात [ → धातूंचे यांत्रिक गुणधर्म पदार्थांचे बल]. प्रस्तुत लेखात फक्त अनाशी परीक्षणाचाच विचार केला आहे.

अनाशी पद्धत : विनाशी पद्धतीत वस्तू फुकट जात असल्याने त्या पद्धतीत वस्तूंच्या गटातील काही थोड्या वस्तूंचेच परीक्षण करणे शक्य असते. जर वस्तू नष्ट न होऊ देता परीक्षण करता आले, तर वस्तूतील सर्व दोषांची कल्पना येऊ शकते व सर्वच वस्तूही तपासता येतात. म्हणून अलीकडे या पद्धतीच्या परीक्षणाचे निरनिराळे प्रकार प्रचलित होऊ लागले आहेत. या पद्धतीचे काही प्रकार पुढीलप्रमाणे आहेत : (१) क्ष-करण किंवा गॅमा किरण पद्धत, (२) श्राव्यातीत तरंग (कानांनी सामान्यतः ऐकू येणाऱ्या ध्वनितरंगापेक्षा जास्त कंप्रता–एका सेकंदात होणाऱ्या कंपनांची संख्या– असलेल्या तरंगांवर आधारलेली) पद्धत, (३) चुंबकीय पद्धत व (४) विद्युत् चुंबकीय पद्धत.

क्ष-किरण व गॅमा किरण पद्धत :क्ष-किरण धातूच्या वस्तूमधून आरपार जातात, परंतु त्यांच्या ऊर्जेतील काही भाग धातूमध्ये शोषला जातो. त्यामुळे धातूमधून बाहेर पडणाऱ्या किरणांची तीव्रता कमी झालेली असते. धातूमध्ये होणारे शोषण पुढील समीकरणाने काढतात.

त = त_o e^–गज

त_० = क्ष-किरणांची मूळची तीव्रता (कोणत्याही स्वेच्छ परिमाणात), धातूमधून बाहेर आलेल्या क्ष-किरणांची तीव्रता, ग = धातूचा शोषण गुणांक, ज = धातूच्या वस्तूची जाडी व e = नैसर्गिक लॉगरिथमाचा पाया (२·७१८३). क्ष-किरणांची तरंगलांबी ३ X १०^-११ ते ३ X १०^-८ सेंमी. असते. त्यांची तीव्रता अर्धी करण्यासाठी लागणारी धातूची जाडी (ज) ज =  ०·६९/ग या सूत्राने समजते. विशेष वापरात असलेल्या धातूंचे शोषण गुणांक पुढीलप्रमाणे आहेत : ॲल्युमिनियम ०·६२४, चांदी ६०·४०, जस्त १२·५८, तांबे १३·६२, लोखंड–पोलाद ८·४६ आणि शिसे ५२·२०.

पदार्थावर टाकलेले क्ष-किरण जेव्हा त्या पदार्थांमधून आरपार जाऊन बाहेर पडतात, त्या वेळी त्यांची तीव्रता धातूची जाडी, तिचा शोषण गुणांक आणि मार्गातील भेगा, सच्छिद्रता, पोकळी वगैरे गोष्टींवर अवलंबून असते. भेगा, पोकळ्या वगैरे दोष असलेल्या भागातून जाऊन बाहेर पडणाऱ्या क्ष-किरणांची तीव्रता तितक्याच जाडीच्या दोषरहित भागातून बाहेर पडणाऱ्या किरणांच्या तीव्रतेपेक्षा जास्त असते.

सामान्य किंवा कमी ऊर्जेच्या क्ष-किरणांकरिता ५०,००० ते ५,००,००० व्होल्ट विद्युत् दाब वापरतात. २,००,००० व्होल्ट विद्युत् दाबाने निर्माण केलेले क्ष-किरण सु. ३·८ सेंमी. जाडीच्या पोलादातून, तर ४,००,००० व्होल्टचे क्ष-किरण सु. १० सेंमी. जाडीच्या पोलादातून आरपार जाऊ शकतात. उच्च ऊर्जा क्ष-किरणांसाठी बीटाट्रॉन किंवा रेखीय वेगवर्धक [→ कणवेगवर्धक] यांसारखी खास उपकरणे वापरावी लागतात व ती सर्वसाधारण कारखान्यात परवडणे शक्य नसते. क्ष-किरणांच्या व गॅमा किरणांच्या साहाय्याने किरणांच्या दिशेला लंब असलेल्या पातळीतील दोष सामान्यतः समजू शकत नाहीत, तसेच या पद्धतीच्या संवेदनक्षमतेच्या खालील अतिसूक्ष्म दोषही तिने कळत नाहीत. गॅमा किरण मिळविण्यासाठी कोबाल्ट (६०), इरिडियम (१९२) किंवा किरणोत्सर्गी पदार्थ वापरतात. कोबाल्ट (६०) पासून मिळणारे गॅमा किरण हे १० लाख व्होल्ट विद्युत् दाबाने निर्माण केलेल्या सर्वात ऊर्जायुक्त क्ष-किरणांपेक्षा अधिक कमी तरंगलांबीचे असतात. इरिडियम (१९२) हा गॅमा किरणांचा अधिक सोयीस्कर उद्‌गम असून तितके ऊर्जावान किरण मिळविण्यासाठी क्ष-किरण नलिकेला ४,००,००० ते ५,००,००० व्होल्ट विद्युत् दाब पुरवावा लागेल. पोलादाच्या पातळ छेदांकरिता किंवा हलक्या मिश्रधातूंकरिता सामान्यतः कमी ऊर्जेचे क्ष-किरण वापरतात पण त्याकरिता थुलियम (१७०) हा गॅमा किरण उद्‌गम अधिक उपयुक्त असल्याचे आढळून आले आहे. गॅमा किरण यंत्रे सुवाह्य असतात व त्यांची किंमतही कमी असते. त्यांना क्ष-किरण यंत्राप्रमाणे बाहेरचा विद्युत् पुरवठा लागत नाही परंतु त्यांचा किरण दर्शन अवधी क्ष-किरण यंत्रापेक्षा जास्त असतो. गॅमा यंत्रे वापरात नसतील तेव्हा ती सुरक्षित जागी ठेवावी लागतात.

परीक्षणाच्या धातूमधून बाहेर येणारे क्ष-किरण छायाचित्रण फिल्मवर किंवा अनुस्फुरक (विद्युत् चुंबकीय ऊर्जेचा वा विद्युत् कणांचा भडिमार होत असताना प्रकाशणाऱ्या) पडद्यावर पाडतात. अनुस्फुरक पडद्यावर झिंक सल्फाइड किंवा बेरियम सल्फेटाचा थर दिलेला असतो. त्यावर पडणाऱ्या क्ष-किरणांचे छायाचित्र दिसते व त्यामुळे परीक्षण जलद करता येते. आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे जेव्हा क्ष-किरण वस्तूतील पोकळीच्या भागावर पडतात तेव्हा त्यांचे शोषण जास्त होते. शोषण कमी झालेल्या किरणांची तीव्रता जास्त असल्यामुळे फिल्मवर पोकळीप्रमाणे काळा डाग (छाया) पडतो त्यावरून धातूतील पोकळी कोणत्या भागात आहे, ते समजते. शिवाय तिचा आकार कसा आहे, तेही समजते. फिल्मवरील रसायनात क्ष-किरणांमुळे रसायनिक विक्रिया होऊन फिल्म काळी होते. फिल्मच्या काळेपणाची घनता (क) आणि लॉग [किरणतीव्रता (त)] यांचा संबंध दाखविणारा आलेख काढला, तर त्यात सरळ रेषेचा काही भाग असतो. या भागासाठी 

क_१ – क_२ = e (लॉग त_१ – लॉग त_२) = e ग (ज_१ – ज_२)

असे काळेपणाच्या दोन घनतांचे ( क_१ आणि क_२) वस्तूच्या दोन जाड्यांशी (ज_१ आणि ज_२) समीकरण होते. येथे त_१ आणि त_२ या वस्तूमधून बाहेर आलेल्या किरणांच्या दोन तीव्रता आहेत. e आणि ग हे पूर्वी दिल्याप्रमाणे स्थिरांक व गुणांक आहेत. जलद गतीने सरकणाऱ्या वस्तूचे परीक्षण करण्यासाठी क्ष-किरण चमक पद्धती वापरतात. ओतीव धातूतील भेगा, वायुछिद्रे, वाळूचे खडे, अधातवीय अंतर्वेशन (आत घुसलेले अधातवीय पदार्थ) वगैरे दोष आणि वितळजोडातील पोकळ्या वगैरे समजण्यास क्ष-किरण पद्धती विशेष उपयोगी पडते. वितळजोडाचे सांधे तपासण्यासाठी आता क्ष-किरणांची स्वयंचलित यंत्रे वापरात आली आहेत. त्यांच्या मदतीने सांध्याच्या सर्व जागेचे म्हणजे १००% परीक्षण जलद रीत्या करता येते. क्ष-किरण वा गॅमा किरण वापरताना कर्मचाऱ्यांचे संरक्षण करण्यासाठी योग्य ती खबरदारी घेणे अत्यावश्यक असते.

श्राव्यातीत तरंग परीक्षण पद्धत : ज्याप्रमाणे रडार यंत्रणेमध्ये आकाशात पाठविलेले विद्युत् चुंबकीय तरंग दूरवर असलेल्या विमानापर्यंत जातात व तेथे परावर्तित होऊन मूळ यंत्रावर परत येतात आणि ते विमान किती अंतरावर होते ते दर्शवितात त्याचप्रमाणे श्राव्यातीत तरंग दोषरहित वस्तूच्या एका बाजूवर सोडले, तर ते वस्तूमधून दुसऱ्या बाजूपर्यंत जातात व तेथे परावर्तित होऊन मूळ जागेवर येतात परंतु वस्तूमध्ये काही दोष असेल, तर हे तरंग दोषाच्या जागेपर्यंत जाऊन तेथूनच परत येतात. त्यावरून दोषाची जागा किती अंतरावर आहे, ते समजते. वस्तूमध्ये असलेल्या बारीक भेगांची जागा समजण्यासाठी या तरंगांची लांबी भेगांपेक्षा कमी असावी लागते म्हणून सूक्ष्म तरंग लांबीचे म्हणजेच अति-उच्च कंप्रतेचे (१० ते १५ लाख हर्ट्‌झ) तरंग वापरतात. अशा अति-उच्च कंप्रतेच्या परीक्षणात दोषस्थळ दाखविण्यासाठी ऋण किरण दोलनदर्शकाचा [ → इलेक्ट्रॉनीय मापन] उपयोग करतात. ही पद्धत आ. २ मध्ये दाखविली आहे. श्राव्यातीत तरंग परीक्षण पद्धतीत लागणारे यंत्रभाग म्हणजे श्राव्यातीत तरंग उत्पन्न करणारे उपकरण, परावर्तित तरंगांचे विद्युत् तरंगांत रूपांतर करणारा घटक आणि वस्तूमध्ये जाणाऱ्या व परत येणाऱ्या तरंगांच्या विद्युत् रूपांतराची आकृती दाखविणारा ऋण किरण दोलनदर्शक हे होत.

सर्वसाधारण पद्धतीत पहिला व दुसरा भाग हे एकत्र असतात. या भागाला शोधक (प्रोब) असे म्हणतात. आ. २ (अ) मध्ये दाखवलेली वस्तू दोषरहित आहे व आ. २ (आ) मधील वस्तू दोषयुक्त आहे.

आ. २ (अ) मध्ये वरून खाली तळापर्यंत येणारे व खालून वर पृष्ठभागापर्यंत जाणारे तरंग यांच्यामुळे ऋण किरण दोलनदर्शकाच्या अनुस्फुरक पडद्यावर आ. २. (इ) प्रमाणे दोन दीप्त शिखरे (उंचवटे प आणि म) दिसतात. शिखर प हे वस्तूच्या पृष्ठभागाशी तदनुरूप असते आणि शिखर म हे वस्तूच्या तळाशी तदनुरूप असते. या दोन शिखरांमधील आडवे अंतर वस्तूच्या पृष्ठभाग आणि तळांतील उभ्या अंतराच्या प्रमाणात असते. जर वस्तूमध्ये दोष (उदा., पोकळी, भेग, वायुछिद्र इ.) असले, तर श्राव्यातीत तरंग हे त्या दोषापासूनच वर परत फिरतात. हे तरंग दोषरहित भागातील तरंगापेक्षा अगोदर पृष्ठभागापर्यंत पोहोचतात व ऋण किरण दोलनदर्शकावर छोटे शिखर प’ निर्माण करतात. आ. २. (ई) म्हणजे प’ हे शिखर दोषाचे अस्तित्व दाखविते. शिवाय शिखर प व शिखर प’ यांतील आडवे अंतर (क’) हे त्या दोषाच्या पृष्ठभागापासून असलेल्या उभ्या अंतराच्या (क) प्रमाणात असते. यावरून पोकळी किंवा भेग पृष्ठभागापासून किती अंतरावर आहे, हे समजते.

वस्तूचे संपूर्ण परीक्षण करण्यासाठी शोधक वस्तूच्या पृष्ठभागावरील सर्व क्षेत्रात फिरवतात. शिवाय भेगा उभ्या असल्या, तर त्यांची व्यवस्थित नोंद होत नाही म्हणून वस्तूच्या उभ्या पृष्ठभागाचेही असेच परीक्षण करावे लागते. श्राव्यातीत तरंग हवेमधून जात नाहीत म्हणून शोधक यंत्र परीक्षण करावयाच्या वस्तूला चिकटवून ठेवावे लागते व वस्तूवर तेल किंवा पाण्यासारखा द्रव पदार्थ लावावा लागतो. परीक्षण करावयाची वस्तू आणि शोधक यंत्र वस्तूपासून बऱ्याच अंतरावर ठेवता येते. पाण्याचे मोठे नळ आणि पोलादी दंड तपासताना ही पद्धत सोयीची होते.

द्रव अन्योन्यवेशी पद्धत : वस्तूच्या पृष्ठभागावर असलेली सूक्ष्म भेग हुडकण्यासाठी एक साधी पद्धत वापरता येते. ज्या जागी ही सूक्ष्म भेग असेल असा संशय येतो, त्या जागेवर केरोसीन किंवा इतर खोलवर शिरणारा द्रव टाकतात. हा द्रव हळूहळू भेगेमध्ये झिरपतो. काही वेळ थांबून पृष्ठभागावरचा द्रव कापडाने पुसतात व पृष्ठभाग कोरडा करतात. नंतर त्या जागेवर खडूची पूड चोळतात. भेगेमध्ये असलेला द्रव खडूच्या पुडीने शोषल्यामुळे वर ओढला जातो व तेथील पूड ओली होऊन भेगेची आकृती स्पष्ट दिसते. ही पद्धत सर्व प्रकारच्या वस्तूंसाठी उपयोगी पडते. द्रव रंगीत (लालसर) वापरला, तर पृष्ठभागावरील दोष स्पष्ट दिसतो.

चुंबकीय पद्धत :हिच्यात पोलादाच्या वस्तूवर असलेली भेग हुडकता येते. या क्रियेत विद्युत् चुंबकीय पद्धतीने पोलादाच्या भागामधून चुंबकीय रेषा पाठवितात. त्यामुळे पोलादाची वस्तू चुंबकीय होते. या वस्तूवर लोखंडाचे चूर्ण किंवा मॅग्नेटाइट म्हणजे लोहाचे ऑक्साइड चोळले, तर भेगेवर लोखंडाचे कण चांगले चिकटून बसतात आणि भेगेचा आकार दाखवितात. भेग अतिशय सूक्ष्म असेल, तर जंबुपार (वर्णपटातील जांभळ्या रंगापलीकडील अदृश्य) प्रकाशात ती चांगली स्पष्ट दिसते.

विद्युत् चुंबकीय परीक्षण : चुंबकीय धातूंचे विद्युत् चुंबकीय गुणधर्म, पदार्थांचा आकार, रासायनिक संघटन, उष्णता संस्करण, पृष्ठभागाची स्थिती वगैरेंवर अवलंबून असतात. दोन जातींच्या चुंबकीय वस्तू एकमेकींत मिसळलेल्या असल्या, तर त्यांना वेगळे करण्यासाठी ही पद्धत वापरतात किंवा तयार केलेली वस्तू आणि प्रमाण मानलेली वस्तू यांची तुलना करण्यासाठीही वापरतात. ऋण किरण दोलनदर्शकाच्या मदतीने असे अलगीकरण करणे सोपे होते. यासाठी विद्युत् चुंबकावर बसविण्याची एकाच मापाची दोन वेटोळी ऋण किरण दोलनदर्शकाला विरुद्ध दिशेने जोडतात आणि त्यांमधून एकदिश विद्युत् प्रवाह पाठवितात. या परिस्थितीत आ. ३ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे दोलनदर्शकाच्या अनुस्फुरक पडद्यावर दिसणाऱ्या आडव्या रेषेवर काहीही परिणाम झालेला दिसत नाही या वेटोळ्यांच्या मधल्या रिकाम्या जागेत जर दोन अगदी सारख्या वस्तू ठेवल्या, तरीही पडद्यावरील आडव्या रेषेवर कोणताही परिणाम दिसत नाही परंतु त्या दोन वस्तूंमध्ये थोडाही फरक असेल, तर पडद्यावर दिसणारी आडवी रेघ नाहीशी होते व तेथे आ. ३ (आ) प्रमाणे विकृत तरंगांची आकृती दिसते.

आवर्ती प्रवाह परीक्षण पद्धत : धातूच्या अंतर्गत भागात आवर्ती विद्युत् प्रवाह (चुंबकीय क्षेत्रात बदल केल्यामुळे विद्युत् संवाहक द्रव्यात प्रवर्तीत होणारा स्थानिक प्रवाह)  उत्पन्न करून त्याची तुलना करण्यासाठी उच्च कंप्रतेचा प्रत्यावर्ती (उलटसुलट दिशेने वाहणारा) विद्युत् प्रवाह उत्पन्न करणारा आंदोलक वापरतात. परीक्षण करावयाची वस्तू एका वेटोळ्याच्या मध्यभागात ठेवतात व त्या वेटोळ्यातून उच्च कंप्रतेचा विद्युत् प्रवाह पाठवितात. या प्रवाहाने उत्पन्न होणारी चुंबकीय ऊर्जा परीक्षणाच्या वस्तूमधून जाते आणि त्या वस्तूमध्ये आवर्ती विद्युत् प्रवाह उत्पन्न करते. त्यामुळे काही ऊर्जा उष्णतेत रूपांतरित होते व त्या ऊर्जेप्रमाणे आंदोलकावर जादा भार पडतो. वस्तू नसताना आंदोलकाला लागणारी शक्ती आणि वस्तू असताना लागणारी शक्ती यांमधील फरक मोजून वस्तूंची तुलना करता येते.

संदर्भ : 1. Davis, H. E. and others. The Testing and Inspection of Engineering Materials. New York.1964.

           2. Fordham, P. Non-Destructive Testing Techniques, London,1968.

           3. Hogarth, C. A., Blitz, C. J. Techniques of Non- Destructive Testing, Washington, 1960.

           4. Lambles, J. H., Ed. Principles and Practice of Non-Destructive Testing, London, 1962.

           5. Society of Non-Destructive Testing, Handbook of Non-Destructive Testing, 2 Vols., Evanston.

माढेकर, मु. के.

“