ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण

1. परिभाषा

एक ऐसी घटना जिसमें मिश्रधातु के तत्व आधार धातु में घुल जाते हैं जिससे एक निश्चित मात्रा में जाली विरूपण होता है और इस प्रकार मिश्रधातु की मजबूती बढ़ जाती है।

2. सिद्धांत

ठोस विलयन में घुले विलेय परमाणु जाली विरूपण उत्पन्न करते हैं, जिससे विस्थापन गति का प्रतिरोध बढ़ जाता है, फिसलन कठिन हो जाती है और मिश्रधातु के ठोस विलयन की मजबूती और कठोरता बढ़ जाती है। किसी विशेष विलेय तत्व को घोलकर ठोस विलयन बनाने से धातु को मजबूत करने की इस प्रक्रिया को ठोस विलयन सुदृढ़ीकरण कहते हैं। जब विलेय परमाणुओं की सांद्रता उपयुक्त होती है, तो पदार्थ की मजबूती और कठोरता तो बढ़ जाती है, लेकिन उसकी कठोरता और तन्यता कम हो जाती है।

3. प्रभावित करने वाले कारक

विलेय परमाणुओं का परमाणु अंश जितना अधिक होगा, सुदृढ़ीकरण प्रभाव उतना ही अधिक होगा, विशेष रूप से जब परमाणु अंश बहुत कम होता है, तो सुदृढ़ीकरण प्रभाव अधिक महत्वपूर्ण होता है।

विलेय परमाणुओं और आधार धातु के परमाणु आकार के बीच जितना अधिक अंतर होगा, मजबूती का प्रभाव उतना ही अधिक होगा।

प्रतिस्थापन परमाणुओं की तुलना में अंतरालीय विलेय परमाणुओं का ठोस विलयन को मजबूत करने का प्रभाव अधिक होता है, और क्योंकि काय-केंद्रित घन क्रिस्टलों में अंतरालीय परमाणुओं का जालक विरूपण असममित होता है, इसलिए उनका सुदृढ़ीकरण प्रभाव फलक-केंद्रित घन क्रिस्टलों की तुलना में अधिक होता है; लेकिन अंतरालीय परमाणुओं की ठोस विलेयता बहुत सीमित होती है, इसलिए वास्तविक सुदृढ़ीकरण प्रभाव भी सीमित होता है।

विलेय परमाणुओं और आधार धातु के बीच संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या में जितना अधिक अंतर होगा, ठोस विलयन का सुदृढ़ीकरण प्रभाव उतना ही अधिक स्पष्ट होगा, अर्थात् संयोजी इलेक्ट्रॉन सांद्रता में वृद्धि के साथ ठोस विलयन की उपज सामर्थ्य में वृद्धि होगी।

4. ठोस विलयन सुदृढ़ीकरण की मात्रा मुख्यतः निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करती है।

मैट्रिक्स परमाणुओं और विलेय परमाणुओं के आकार में अंतर। आकार में जितना अधिक अंतर होगा, मूल क्रिस्टल संरचना में उतना ही अधिक व्यवधान उत्पन्न होगा, और विस्थापन फिसलन उतनी ही कठिन होगी।

मिश्रधातु तत्वों की मात्रा। जितने अधिक मिश्रधातु तत्व मिलाए जाएंगे, मजबूती का प्रभाव उतना ही अधिक होगा। यदि बहुत अधिक परमाणु बहुत बड़े या बहुत छोटे हों, तो घुलनशीलता सीमा से अधिक हो जाएगी। इसमें एक अन्य मजबूती तंत्र, यानी विक्षेपित चरण मजबूती शामिल है।

प्रतिस्थापन परमाणुओं की तुलना में अंतरालीय विलेय परमाणुओं का ठोस विलयन को मजबूत करने का प्रभाव अधिक होता है।

विलेय परमाणुओं और आधार धातु के बीच संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या में जितना अधिक अंतर होगा, ठोस विलयन को मजबूत करने का प्रभाव उतना ही अधिक महत्वपूर्ण होगा।

5. प्रभाव

शुद्ध धातुओं की तुलना में इसकी उपज क्षमता, तन्यता क्षमता और कठोरता अधिक होती है;

अधिकांश मामलों में, इसकी तन्यता शुद्ध धातु की तुलना में कम होती है;

इसकी चालकता शुद्ध धातु की तुलना में काफी कम होती है;

ठोस विलयन सुदृढ़ीकरण द्वारा रेंगने के प्रतिरोध, या उच्च तापमान पर शक्ति में होने वाली कमी को सुधारा जा सकता है।

कार्य कठोरता

1. परिभाषा

जैसे-जैसे शीत विरूपण की मात्रा बढ़ती है, धातु पदार्थों की मजबूती और कठोरता बढ़ती है, लेकिन प्लास्टिसिटी और टफनेस घटती है।

2. परिचय

एक ऐसी घटना जिसमें धातु पदार्थों की मजबूती और कठोरता, पुनर्क्रिस्टलीकरण तापमान से नीचे के प्लास्टिक विरूपण पर बढ़ जाती है, जबकि प्लास्टिसिटी और टफनेस कम हो जाती है। इसे कोल्ड वर्क हार्डनिंग भी कहा जाता है। इसका कारण यह है कि जब धातु प्लास्टिक रूप से विकृत होती है, तो क्रिस्टल कण फिसलते हैं और अव्यवस्थाएं आपस में उलझ जाती हैं, जिससे क्रिस्टल कण लंबे हो जाते हैं, टूट जाते हैं और रेशेदार हो जाते हैं, और धातु में अवशिष्ट तनाव उत्पन्न होते हैं। वर्क हार्डनिंग की मात्रा को आमतौर पर प्रसंस्करण के बाद और प्रसंस्करण से पहले की सतह परत की सूक्ष्म कठोरता के अनुपात और कठोर परत की गहराई से व्यक्त किया जाता है।

3. विस्थापन सिद्धांत के परिप्रेक्ष्य से व्याख्या

(1) विस्थापनों के बीच प्रतिच्छेदन होता है, और परिणामस्वरूप कट विस्थापनों की गति में बाधा डालते हैं;

(2) विस्थापनों के बीच एक प्रतिक्रिया होती है, और गठित स्थिर विस्थापन विस्थापन की गति में बाधा डालता है;

(3) विस्थापनों का प्रसार होता है, और विस्थापन घनत्व में वृद्धि विस्थापन गति के प्रतिरोध को और बढ़ा देती है।

4. हानि

धातु के पुर्जों की आगे की प्रक्रिया में वर्क हार्डनिंग से कठिनाइयाँ उत्पन्न होती हैं। उदाहरण के लिए, स्टील प्लेट की कोल्ड-रोलिंग प्रक्रिया में, इसे रोल करना उत्तरोत्तर कठिन होता जाता है, इसलिए वर्क हार्डनिंग को दूर करने के लिए प्रक्रिया के दौरान मध्यवर्ती एनीलिंग करना आवश्यक हो जाता है। एक अन्य उदाहरण कटिंग प्रक्रिया में वर्कपीस की सतह का भंगुर और कठोर हो जाना है, जिससे टूल का घिसाव बढ़ जाता है और कटिंग बल भी बढ़ जाता है।

5. लाभ

यह धातुओं की मजबूती, कठोरता और घिसाव प्रतिरोध क्षमता को बढ़ा सकता है, विशेष रूप से उन शुद्ध धातुओं और मिश्र धातुओं के लिए जिन्हें ऊष्मा उपचार द्वारा बेहतर नहीं बनाया जा सकता। उदाहरण के लिए, ठंडे बल से खींचे गए उच्च-शक्ति वाले स्टील के तार और ठंडे बल से कुंडलित स्प्रिंग आदि में, उनकी मजबूती और प्रत्यास्थता सीमा को बढ़ाने के लिए ठंडे बल से विरूपण का उपयोग किया जाता है। एक अन्य उदाहरण है टैंकों, ट्रैक्टर पटरियों, क्रशर जबड़ों और रेलवे टर्नआउट की कठोरता और घिसाव प्रतिरोध क्षमता को बढ़ाने के लिए वर्क हार्डनिंग का उपयोग।

6. यांत्रिक अभियांत्रिकी में भूमिका

कोल्ड ड्राइंग, रोलिंग और शॉट पीनिंग (सतह सुदृढ़ीकरण देखें) और अन्य प्रक्रियाओं के बाद, धातु सामग्री, पुर्जों और घटकों की सतह की मजबूती में काफी सुधार किया जा सकता है;

जब पुर्जों पर तनाव पड़ता है, तो कुछ पुर्जों का स्थानीय तनाव अक्सर सामग्री की उपज सीमा से अधिक हो जाता है, जिससे प्लास्टिक विरूपण होता है। कार्य कठोरता के कारण, प्लास्टिक विरूपण के निरंतर विकास को प्रतिबंधित किया जाता है, जिससे पुर्जों और घटकों की सुरक्षा में सुधार हो सकता है।

जब किसी धातु के पुर्जे या घटक को ढाला जाता है, तो उसका प्लास्टिक विरूपण सुदृढ़ीकरण के साथ होता है, जिससे विरूपण उसके आसपास के बिना संसाधित कठोर भाग में स्थानांतरित हो जाता है। इस प्रकार की बार-बार होने वाली वैकल्पिक क्रियाओं के बाद, एकसमान अनुप्रस्थ-काट विरूपण वाले कोल्ड स्टैम्पिंग पुर्जे प्राप्त किए जा सकते हैं;

यह कम कार्बन स्टील की कटाई क्षमता को बेहतर बना सकता है और चिप्स को आसानी से अलग करने में मदद कर सकता है। लेकिन वर्क हार्डनिंग से धातु के पुर्जों की आगे की प्रक्रिया में भी दिक्कतें आती हैं। उदाहरण के लिए, वर्क हार्डनिंग के कारण कोल्ड-ड्रॉन स्टील वायर को आगे खींचने में बहुत अधिक ऊर्जा खर्च होती है और वह टूट भी सकता है। इसलिए, खींचने से पहले वर्क हार्डनिंग को खत्म करने के लिए इसे एनील करना आवश्यक है। एक और उदाहरण यह है कि कटाई के दौरान वर्कपीस की सतह को भंगुर और कठोर बनाने के लिए, दोबारा कटाई के दौरान काटने का बल बढ़ जाता है, जिससे टूल का घिसाव बढ़ जाता है।

बारीक दानेदार मजबूती

1. परिभाषा

क्रिस्टल कणों को परिष्कृत करके धातु पदार्थों के यांत्रिक गुणों में सुधार करने की विधि को क्रिस्टल परिष्करण सुदृढ़ीकरण कहा जाता है। उद्योग में, क्रिस्टल कणों को परिष्कृत करके सामग्री की मजबूती में सुधार किया जाता है।

2. सिद्धांत

धातुएँ आमतौर पर कई क्रिस्टलीय कणों से बनी बहुक्रिस्टलीय संरचनाएँ होती हैं। क्रिस्टलीय कणों का आकार प्रति इकाई आयतन में क्रिस्टलीय कणों की संख्या से व्यक्त किया जा सकता है। कणों की संख्या जितनी अधिक होगी, क्रिस्टलीय कण उतने ही महीन होंगे। प्रयोगों से पता चलता है कि कमरे के तापमान पर महीन कणों वाली धातुओं की सामर्थ्य, कठोरता, प्लास्टिसिटी और मजबूती मोटे कणों वाली धातुओं की तुलना में अधिक होती है। इसका कारण यह है कि महीन कण बाह्य बल के प्रभाव में प्लास्टिक विरूपण से गुजरते हैं और अधिक कणों में विलीन हो सकते हैं, जिससे प्लास्टिक विरूपण अधिक एकसमान होता है और तनाव सांद्रण कम होता है। इसके अतिरिक्त, कण जितने महीन होते हैं, कणीय सीमा का क्षेत्रफल उतना ही अधिक होता है और सीमाएँ उतनी ही अधिक घुमावदार होती हैं, जिससे दरारों का प्रसार उतना ही प्रतिकूल होता है। इसलिए, क्रिस्टलीय कणों को परिष्कृत करके पदार्थ की सामर्थ्य में सुधार करने की विधि को उद्योग में कणीय परिष्करण सुदृढ़ीकरण कहा जाता है।

3. प्रभाव

कण का आकार जितना छोटा होगा, विस्थापन समूह में विस्थापनों (n) की संख्या उतनी ही कम होगी। τ=nτ0 के अनुसार, तनाव सांद्रण जितना कम होगा, सामग्री की शक्ति उतनी ही अधिक होगी;

सूक्ष्म कणों के सुदृढ़ीकरण का नियम यह है कि कणों की सीमाएँ जितनी अधिक होंगी, कण उतने ही सूक्ष्म होंगे। हॉल-पेइकी संबंध के अनुसार, कणों का औसत मान (d) जितना कम होगा, पदार्थ की उपज सामर्थ्य उतनी ही अधिक होगी।

4. अनाज शोधन की विधि

उपशीतलन की डिग्री बढ़ाएँ;

बिगड़ती स्थिति का उपचार;

कंपन और हलचल;

ठंडे तापमान पर विकृत की गई धातुओं के लिए, विरूपण की डिग्री और एनीलिंग तापमान को नियंत्रित करके क्रिस्टल कणों को परिष्कृत किया जा सकता है।

दूसरे चरण का सुदृढ़ीकरण

1. परिभाषा

एकल-चरण मिश्र धातुओं की तुलना में, बहु-चरण मिश्र धातुओं में मैट्रिक्स चरण के अतिरिक्त एक दूसरा चरण होता है। जब दूसरा चरण मैट्रिक्स चरण में समान रूप से वितरित होता है और इसके कण बारीक रूप से बिखरे होते हैं, तो इसका सुदृढ़ीकरण पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इस सुदृढ़ीकरण प्रभाव को द्वितीय-चरण सुदृढ़ीकरण कहा जाता है।

2. वर्गीकरण

मिश्रधातु में निहित दूसरे चरण में विस्थापन की गति के लिए निम्नलिखित दो स्थितियाँ होती हैं:

(1) अविरूपणीय कणों का सुदृढ़ीकरण (बाईपास तंत्र)।

(2) विरूपणीय कणों का सुदृढ़ीकरण (कट-थ्रू तंत्र)।

फैलाव सुदृढ़ीकरण और अवक्षेपण सुदृढ़ीकरण दोनों ही द्वितीय चरण सुदृढ़ीकरण के विशेष मामले हैं।

3. प्रभाव

दूसरे चरण के मजबूत होने का मुख्य कारण उनके और विस्थापन के बीच की परस्पर क्रिया है, जो विस्थापन की गति को बाधित करती है और मिश्र धातु के विरूपण प्रतिरोध को बढ़ाती है।

सारांश में

किसी पदार्थ की मजबूती को प्रभावित करने वाले सबसे महत्वपूर्ण कारक उसकी संरचना, बनावट और सतह की स्थिति हैं; दूसरा कारक बल की स्थिति है, जैसे बल की गति, भार डालने का तरीका, साधारण खिंचाव या बार-बार बल लगाना, जिससे मजबूती में अंतर दिखाई देता है; इसके अलावा, नमूने की ज्यामिति और आकार तथा परीक्षण माध्यम का भी बहुत प्रभाव होता है, कभी-कभी तो निर्णायक भी। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन वातावरण में अति-शक्तिशाली इस्पात की तन्यता शक्ति तेजी से घट सकती है।

धातु पदार्थों को मजबूत बनाने के केवल दो ही तरीके हैं। पहला तरीका है मिश्रधातु के अंतरपरमाण्विक बंधन बल को बढ़ाना, जिससे उसकी सैद्धांतिक मजबूती बढ़ती है, और व्हिस्कर्स जैसे दोषों से मुक्त पूर्ण क्रिस्टल तैयार करना। यह ज्ञात है कि लोहे के व्हिस्कर्स की मजबूती सैद्धांतिक मान के लगभग बराबर होती है। इसका कारण यह माना जा सकता है कि व्हिस्कर्स में विस्थापन नहीं होते, या बहुत कम मात्रा में होते हैं जो विरूपण प्रक्रिया के दौरान बढ़ नहीं पाते। दुर्भाग्यवश, व्हिस्कर का व्यास बढ़ने पर मजबूती तेजी से घट जाती है। मजबूती बढ़ाने का दूसरा तरीका है क्रिस्टल में बड़ी संख्या में क्रिस्टलीय दोष उत्पन्न करना, जैसे विस्थापन, बिंदु दोष, विषम परमाणु, कण सीमाएं, अत्यधिक बिखरे हुए कण या विषमताएं (जैसे पृथक्करण), आदि। ये दोष विस्थापनों की गति को बाधित करते हैं और धातु की मजबूती में उल्लेखनीय सुधार करते हैं। तथ्यों से सिद्ध हो चुका है कि धातुओं की मजबूती बढ़ाने का यह सबसे प्रभावी तरीका है। इंजीनियरिंग सामग्रियों के लिए, आमतौर पर व्यापक मजबूती प्रभावों के माध्यम से बेहतर समग्र प्रदर्शन प्राप्त किया जाता है।