स्टेनलेस स्टील के यांत्रिक व्यवहार को नियंत्रित करने वाली दानेदार संरचना की एक परत के बारे में जानकारी प्राप्त करने से लाभ मिल सकता है। (गेटी इमेजेस)
स्टेनलेस स्टील और एल्युमीनियम मिश्र धातुओं का चयन आम तौर पर मजबूती, तन्यता, खिंचाव और कठोरता के आधार पर किया जाता है। ये गुण दर्शाते हैं कि धातु के घटक लगाए गए भार पर कैसी प्रतिक्रिया देते हैं। ये कच्चे माल की सीमाओं को प्रबंधित करने का एक प्रभावी संकेतक हैं; यानी, टूटने से पहले यह कितना मुड़ सकता है। कच्चे माल को बिना टूटे मोल्डिंग प्रक्रिया को सहन करने में सक्षम होना चाहिए।
यांत्रिक गुणों का निर्धारण करने के लिए विनाशकारी तन्यता और कठोरता परीक्षण एक विश्वसनीय और किफायती विधि है। हालांकि, कच्चे माल की मोटाई परीक्षण नमूने के आकार को सीमित करने लगती है, जिसके बाद ये परीक्षण हमेशा उतने विश्वसनीय नहीं रह जाते। सपाट धातु उत्पादों का तन्यता परीक्षण निश्चित रूप से अभी भी उपयोगी है, लेकिन यांत्रिक व्यवहार को नियंत्रित करने वाली दानेदार संरचना की एक परत का अधिक गहराई से अध्ययन करके लाभ प्राप्त किया जा सकता है।
धातुएँ सूक्ष्म क्रिस्टलों की एक श्रृंखला से बनी होती हैं जिन्हें कण कहते हैं। ये कण धातु में अनियमित रूप से वितरित होते हैं। ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील में पाए जाने वाले मिश्रधातु तत्वों के परमाणु, जैसे लोहा, क्रोमियम, निकेल, मैंगनीज, सिलिकॉन, कार्बन, नाइट्रोजन, फास्फोरस और सल्फर, एक ही कण का हिस्सा होते हैं। ये परमाणु धातु आयनों का एक ठोस विलयन बनाते हैं, जो अपने साझा इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से क्रिस्टल जालक में बंधे होते हैं।
मिश्रधातु की रासायनिक संरचना कणों में परमाणुओं की ऊष्मागतिक रूप से पसंदीदा व्यवस्था निर्धारित करती है, जिसे क्रिस्टल संरचना कहा जाता है। एक ही क्रिस्टल संरचना वाले धातु के समरूप भाग एक या अधिक कण बनाते हैं जिन्हें अवस्थाएँ कहा जाता है। मिश्रधातु के यांत्रिक गुण मिश्रधातु की क्रिस्टल संरचना पर निर्भर करते हैं। यही बात प्रत्येक अवस्था के कणों के आकार और व्यवस्था पर भी लागू होती है।
अधिकांश लोग पानी की अवस्थाओं से परिचित हैं। तरल पानी जमने पर ठोस बर्फ बन जाता है। हालांकि, धातुओं के मामले में, केवल एक ठोस अवस्था नहीं होती है। कुछ मिश्रधातु परिवारों का नाम उनकी अवस्थाओं के आधार पर रखा जाता है। स्टेनलेस स्टील में, ऑस्टेनिटिक 300 श्रृंखला मिश्रधातुओं में एनीलिंग के बाद मुख्य रूप से ऑस्टेनाइट होता है। वहीं, 400 श्रृंखला मिश्रधातुओं में 430 स्टेनलेस स्टील में फेराइट या 410 और 420 स्टेनलेस स्टील मिश्रधातुओं में मार्टेन्साइट होता है।
टाइटेनियम मिश्र धातुओं के लिए भी यही बात लागू होती है। प्रत्येक मिश्र धातु समूह का नाम कमरे के तापमान पर उनकी प्रमुख अवस्था को दर्शाता है – अल्फा, बीटा या दोनों का मिश्रण। अल्फा, नियर-अल्फा, अल्फा-बीटा, बीटा और नियर-बीटा मिश्र धातुएँ होती हैं।
जब तरल धातु जमती है, तो ऊष्मागतिक रूप से पसंदीदा अवस्था के ठोस कण वहाँ अवक्षेपित होते हैं जहाँ दाब, तापमान और रासायनिक संरचना अनुकूल होती है। यह आमतौर पर सतहों पर होता है, जैसे ठंडे दिन में गर्म तालाब की सतह पर बर्फ के क्रिस्टल। जब कण निर्माण करते हैं, तो क्रिस्टल संरचना एक दिशा में तब तक बढ़ती है जब तक कि दूसरा कण न मिल जाए। क्रिस्टल संरचनाओं के विभिन्न अभिविन्यासों के कारण बेमेल जालक के प्रतिच्छेदन पर कण सीमाएँ बनती हैं। कल्पना कीजिए कि आप अलग-अलग आकार के कई रूबिक क्यूब्स को एक डिब्बे में रखते हैं। प्रत्येक क्यूब में एक वर्गाकार ग्रिड व्यवस्था होती है, लेकिन वे सभी अलग-अलग यादृच्छिक दिशाओं में व्यवस्थित होंगे। पूरी तरह से ठोस धातु का एक वर्कपीस दिखने में यादृच्छिक रूप से उन्मुख कणों की एक श्रृंखला से बना होता है।
जब भी कोई कण बनता है, तो उसमें रेखा दोष उत्पन्न होने की संभावना रहती है। ये दोष क्रिस्टल संरचना के अनुपस्थित भाग होते हैं जिन्हें विस्थापन कहते हैं। ये विस्थापन और कण के भीतर तथा कण सीमाओं के पार उनकी गति धातु की तन्यता के लिए मूलभूत हैं।
कण संरचना को देखने के लिए वर्कपीस के अनुप्रस्थ काट को माउंट किया जाता है, पीसा जाता है, पॉलिश किया जाता है और उस पर नक्काशी की जाती है। जब कण एकसमान और समअक्षीय होते हैं, तो ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप पर देखी गई सूक्ष्म संरचनाएं कुछ हद तक जिगसॉ पज़ल जैसी दिखती हैं। वास्तव में, कण त्रि-आयामी होते हैं, और प्रत्येक कण का अनुप्रस्थ काट वर्कपीस के अनुप्रस्थ काट के अभिविन्यास के आधार पर भिन्न होता है।
जब किसी क्रिस्टल संरचना में उसके सभी परमाणु मौजूद होते हैं, तो परमाणु बंधों के खिंचाव के अलावा गति के लिए कोई जगह नहीं बचती है।
जब आप परमाणुओं की एक पंक्ति के आधे हिस्से को हटाते हैं, तो परमाणुओं की एक और पंक्ति को उस स्थान पर आने का अवसर मिलता है, जिससे विस्थापन प्रभावी रूप से गतिमान हो जाता है। जब किसी वस्तु पर बल लगाया जाता है, तो सूक्ष्म संरचना में विस्थापनों की सामूहिक गति उसे बिना टूटे या क्षतिग्रस्त हुए मुड़ने, खिंचने या संकुचित होने में सक्षम बनाती है।
जब किसी धातु मिश्रधातु पर बल लगता है, तो उसकी ऊर्जा बढ़ जाती है। यदि पर्याप्त ऊर्जा डाली जाए जिससे प्लास्टिक विरूपण हो, तो जाली विकृत हो जाती है और नए विस्थापन उत्पन्न होते हैं। यह तर्कसंगत प्रतीत होता है कि इससे तन्यता बढ़नी चाहिए, क्योंकि इससे अधिक स्थान उपलब्ध होता है और इस प्रकार अधिक विस्थापन गति की संभावना उत्पन्न होती है। हालांकि, जब विस्थापन आपस में टकराते हैं, तो वे एक दूसरे को स्थिर कर सकते हैं।
जैसे-जैसे विस्थापनों की संख्या और सांद्रता बढ़ती है, वैसे-वैसे अधिक से अधिक विस्थापन आपस में जुड़ते जाते हैं, जिससे तन्यता कम हो जाती है। अंततः इतने अधिक विस्थापन उत्पन्न हो जाते हैं कि कोल्ड फॉर्मिंग संभव नहीं रह जाती। चूंकि मौजूदा जुड़े हुए विस्थापन अब गति नहीं कर सकते, इसलिए जाली में परमाणु बंध तब तक खिंचते हैं जब तक वे टूट न जाएं। यही कारण है कि धातु मिश्रधातु कार्य-कठोरता का अनुभव करते हैं, और यही कारण है कि किसी धातु के टूटने से पहले उसके द्वारा सहन की जा सकने वाली प्लास्टिक विरूपण की मात्रा की एक सीमा होती है।
एनीलिंग में ग्रेन की भी महत्वपूर्ण भूमिका होती है। वर्क-हार्डनिंग किए गए पदार्थ की एनीलिंग से माइक्रोस्ट्रक्चर मूल रूप से रीसेट हो जाता है और इस प्रकार लचीलापन बहाल हो जाता है। एनीलिंग प्रक्रिया के दौरान, ग्रेन तीन चरणों में रूपांतरित होते हैं:
कल्पना कीजिए कि एक व्यक्ति भीड़भाड़ वाली ट्रेन के डिब्बे से गुजर रहा है। भीड़ को केवल पंक्तियों के बीच खाली जगह छोड़कर ही निकाला जा सकता है, जैसे किसी जाली में विस्थापन। जैसे-जैसे वे आगे बढ़ते हैं, उनके पीछे वाले लोग उनके द्वारा छोड़ी गई खाली जगह को भरते जाते हैं, जबकि वे आगे नई जगह बनाते जाते हैं। डिब्बे के दूसरे छोर पर पहुँचने पर यात्रियों की व्यवस्था बदल जाती है। यदि बहुत सारे लोग एक ही समय में निकलने की कोशिश करते हैं, तो उनके लिए जगह बनाने की कोशिश में यात्री आपस में टकराते हैं और ट्रेन के डिब्बे की दीवारों से जा टकराते हैं, जिससे सभी अपनी जगह पर फंस जाते हैं। जितने अधिक विस्थापन दिखाई देते हैं, उतना ही उनके लिए एक साथ चलना मुश्किल हो जाता है।
पुनर्क्रिस्टलीकरण को शुरू करने के लिए आवश्यक विरूपण के न्यूनतम स्तर को समझना महत्वपूर्ण है। हालांकि, यदि धातु को गर्म करने से पहले उसमें पर्याप्त विरूपण ऊर्जा नहीं है, तो पुनर्क्रिस्टलीकरण नहीं होगा और कण अपने मूल आकार से आगे बढ़ते रहेंगे।
अनाज की वृद्धि को नियंत्रित करके यांत्रिक गुणों को समायोजित किया जा सकता है। अनाज की सीमा मूल रूप से विस्थापन की एक दीवार होती है। ये गति को बाधित करती हैं।
यदि अनाज की वृद्धि प्रतिबंधित है, तो अधिक संख्या में छोटे अनाज उत्पन्न होंगे। ये छोटे अनाज संरचना की दृष्टि से अधिक महीन माने जाते हैं। अधिक अनाज सीमाएँ होने का अर्थ है कम विस्थापन गति और उच्च शक्ति।
यदि अनाज की वृद्धि को प्रतिबंधित नहीं किया जाता है, तो अनाज की संरचना अधिक खुरदरी हो जाती है, अनाज बड़े हो जाते हैं, सीमाएं कम हो जाती हैं और ताकत कम हो जाती है।
कण के आकार को अक्सर 5 और 15 के बीच की इकाई रहित संख्या के रूप में संदर्भित किया जाता है। यह एक सापेक्ष अनुपात है और औसत कण व्यास से संबंधित है। संख्या जितनी अधिक होगी, कण उतने ही महीन होंगे।
ASTM E112 कण आकार को मापने और उसका मूल्यांकन करने की विधियों का वर्णन करता है। इसमें किसी दिए गए क्षेत्र में कणों की संख्या गिनना शामिल है। यह आमतौर पर कच्चे माल का अनुप्रस्थ काट काटकर, उसे पीसकर और पॉलिश करके, और फिर कणों को उजागर करने के लिए अम्ल से उपचारित करके किया जाता है। गिनती सूक्ष्मदर्शी के नीचे की जाती है, और आवर्धन कणों के पर्याप्त नमूने लेने में सहायक होता है। ASTM कण आकार संख्याएँ कणों के आकार और व्यास में एक उचित स्तर की एकरूपता को दर्शाती हैं। वर्कपीस में एकसमान प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए कण आकार में भिन्नता को दो या तीन बिंदुओं तक सीमित करना भी लाभकारी हो सकता है।
वर्क हार्डनिंग के मामले में, मजबूती और तन्यता के बीच विपरीत संबंध होता है। एएसटीएम कण आकार और मजबूती के बीच संबंध आमतौर पर सकारात्मक और मजबूत होता है, और सामान्यतः बढ़ाव एएसटीएम कण आकार के विपरीत रूप से संबंधित होता है। हालांकि, अत्यधिक कण वृद्धि के कारण पदार्थ इतने नरम हो सकते हैं कि वे प्रभावी ढंग से वर्क हार्डनिंग करने में असमर्थ हो जाते हैं।
अनाज के आकार को अक्सर इकाई रहित संख्या के रूप में संदर्भित किया जाता है, जो 5 और 15 के बीच होती है। यह एक सापेक्ष अनुपात है और औसत अनाज व्यास से संबंधित है। एएसटीएम अनाज के आकार का मान जितना अधिक होगा, प्रति इकाई क्षेत्र में अनाज की संख्या उतनी ही अधिक होगी।
एनीलिंग प्रक्रिया समय, तापमान और शीतलन दर के साथ बदलती रहती है। एनीलिंग प्रक्रिया आमतौर पर मिश्र धातु के पुनर्क्रिस्टलीकरण तापमान और गलनांक के बीच की जाती है। ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील मिश्र धातु 301 के लिए अनुशंसित एनीलिंग तापमान सीमा 1,900 से 2,050 डिग्री फ़ारेनहाइट के बीच है। यह लगभग 2,550 डिग्री फ़ारेनहाइट पर पिघलना शुरू हो जाता है। इसके विपरीत, व्यावसायिक रूप से शुद्ध ग्रेड 1 टाइटेनियम को 1,292 डिग्री फ़ारेनहाइट पर एनील किया जाना चाहिए और यह लगभग 3,000 डिग्री फ़ारेनहाइट पर पिघल जाता है।
एनीलिंग के दौरान, पुनर्प्राप्ति और पुनर्क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाएं एक-दूसरे से प्रतिस्पर्धा करती हैं जब तक कि पुनर्क्रिस्टलीकृत कण सभी विकृत कणों को ग्रहण नहीं कर लेते। पुनर्क्रिस्टलीकरण की दर तापमान के साथ बदलती रहती है। एक बार पुनर्क्रिस्टलीकरण पूरा हो जाने पर, कणों का विकास शुरू हो जाता है। 301 स्टेनलेस स्टील के एक वर्कपीस को 1,900°F पर एक घंटे के लिए एनील करने पर, उसी वर्कपीस को 2,000°F पर उतने ही समय के लिए एनील करने की तुलना में महीन कण संरचना प्राप्त होगी।
यदि पदार्थ को उचित एनीलिंग तापमान पर पर्याप्त समय तक नहीं रखा जाता है, तो परिणामी संरचना पुराने और नए कणों का मिश्रण हो सकती है। यदि धातु में एकसमान गुणधर्म वांछित हैं, तो एनीलिंग प्रक्रिया का उद्देश्य एकसमान समअक्षीय कण संरचना प्राप्त करना होना चाहिए। एकसमान का अर्थ है कि सभी कण लगभग एक ही आकार के हों, और समअक्षीय का अर्थ है कि वे लगभग एक ही आकृति के हों।
एकसमान और समरूप सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक वर्कपीस को समान मात्रा में ऊष्मा के संपर्क में समान समय तक रखना चाहिए और उसे समान दर से ठंडा करना चाहिए। बैच एनीलिंग में यह हमेशा आसान या संभव नहीं होता है, इसलिए सोखने का समय निर्धारित करने से पहले कम से कम तब तक प्रतीक्षा करना महत्वपूर्ण है जब तक कि पूरा वर्कपीस उचित तापमान पर संतृप्त न हो जाए। अधिक सोखने का समय और उच्च तापमान के परिणामस्वरूप दानेदार संरचना अधिक खुरदरी/सामग्री नरम हो जाएगी और इसके विपरीत भी।
यदि कण का आकार और सामर्थ्य आपस में संबंधित हैं, और सामर्थ्य ज्ञात है, तो कणों की गणना क्यों करें, है ना? सभी विनाशकारी परीक्षणों में परिवर्तनशीलता होती है। तन्यता परीक्षण, विशेष रूप से कम मोटाई पर, काफी हद तक नमूना तैयार करने पर निर्भर करता है। तन्यता सामर्थ्य के परिणाम जो वास्तविक सामग्री गुणों का प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं, समय से पहले विफलता का कारण बन सकते हैं।
यदि किसी धातु के गुणधर्म पूरे वर्कपीस में एकसमान नहीं हैं, तो एक किनारे से तन्यता परीक्षण नमूना लेने से पूरी जानकारी नहीं मिल पाती। नमूना तैयार करने और परीक्षण करने में भी काफी समय लग सकता है। किसी दी गई धातु के लिए कितने परीक्षण संभव हैं, और कितनी दिशाओं में यह संभव है? कण संरचना का मूल्यांकन अप्रत्याशित परिणामों से बचने का एक अतिरिक्त उपाय है।
विषमदैशिक, समदैशिक। विषमदैशिकता यांत्रिक गुणों की दिशात्मकता को संदर्भित करती है। शक्ति के अलावा, कण संरचना की जांच करके विषमदैशिकता को बेहतर ढंग से समझा जा सकता है।
एकसमान और समअक्षीय दानेदार संरचना समदैशिक होनी चाहिए, जिसका अर्थ है कि इसके गुण सभी दिशाओं में समान हों। समदैशिकता विशेष रूप से डीप ड्राइंग प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण है जहाँ संकेंद्रण अत्यंत आवश्यक है। जब सांचे में ब्लैंक को खींचा जाता है, तो विषमदैशिक पदार्थ समान रूप से प्रवाहित नहीं होता, जिससे इयरिंग नामक दोष उत्पन्न हो सकता है। इयरिंग तब होता है जब कप का ऊपरी भाग लहरदार आकृति बनाता है। दानेदार संरचना की जांच करने से वर्कपीस में विषमताओं का पता चल सकता है और मूल कारण का निदान करने में मदद मिल सकती है।
समरूपता प्राप्त करने के लिए उचित एनीलिंग अत्यंत महत्वपूर्ण है, लेकिन एनीलिंग से पहले विरूपण की सीमा को समझना भी उतना ही आवश्यक है। जैसे-जैसे पदार्थ प्लास्टिक रूप से विकृत होता है, कण भी विकृत होने लगते हैं। कोल्ड रोलिंग के मामले में, मोटाई को लंबाई में परिवर्तित करने पर, कण रोलिंग की दिशा में फैल जाते हैं। जैसे-जैसे कण अनुपात बदलता है, वैसे ही समरूपता और समग्र यांत्रिक गुण भी बदलते हैं। अत्यधिक विकृत वर्कपीस के मामले में, एनीलिंग के बाद भी कुछ अभिविन्यास बरकरार रह सकता है। इसके परिणामस्वरूप विषमरूपता उत्पन्न होती है। डीप-ड्रॉन पदार्थों के लिए, घिसाव से बचने के लिए अंतिम एनीलिंग से पहले विरूपण की मात्रा को सीमित करना कभी-कभी आवश्यक होता है।
संतरे के छिलके जैसी बनावट। डाई से संबंधित डीप-ड्राइंग दोष केवल पिकिंग अप ही नहीं है। संतरे के छिलके जैसी बनावट तब उत्पन्न होती है जब बहुत मोटे कणों वाले कच्चे माल को खींचा जाता है। प्रत्येक कण स्वतंत्र रूप से और अपने क्रिस्टल अभिविन्यास के आधार पर विकृत होता है। आसन्न कणों के बीच विरूपण में अंतर के परिणामस्वरूप संतरे के छिलके जैसी बनावट दिखाई देती है। बनावट कप की दीवार की सतह पर दिखाई देने वाली दानेदार संरचना है।
टीवी स्क्रीन के पिक्सल की तरह, बारीक संरचना होने पर, प्रत्येक कण के बीच का अंतर कम स्पष्ट होता है, जिससे रिज़ॉल्यूशन प्रभावी रूप से बढ़ जाता है। केवल यांत्रिक गुणों को निर्दिष्ट करना पर्याप्त नहीं हो सकता है ताकि संतरे के छिलके जैसे प्रभाव को रोकने के लिए पर्याप्त बारीक कण आकार सुनिश्चित किया जा सके। जब वर्कपीस का आयामी अंतर कण व्यास के 10 गुना से कम होता है, तो अलग-अलग कणों के गुण निर्माण व्यवहार को निर्धारित करते हैं। यह कई कणों पर समान रूप से विकृत नहीं होता है, बल्कि प्रत्येक कण के विशिष्ट आकार और अभिविन्यास को दर्शाता है। इसे खींचे गए कपों की दीवारों पर संतरे के छिलके जैसे प्रभाव से देखा जा सकता है।
एएसटीएम ग्रेन साइज 8 के लिए, औसत ग्रेन व्यास 885 माइक्रोन इंच है। इसका मतलब है कि 0.00885 इंच या उससे कम की मोटाई में कोई भी कमी इस माइक्रोफॉर्मिंग प्रभाव से प्रभावित हो सकती है।
हालांकि मोटे दाने डीप ड्राइंग की समस्या पैदा कर सकते हैं, फिर भी कभी-कभी इंप्रिंटिंग के लिए इनकी सलाह दी जाती है। स्टैम्पिंग एक विरूपण प्रक्रिया है जिसमें एक ब्लैंक को संपीड़ित करके वांछित सतह स्थलाकृति दी जाती है, जैसे कि जॉर्ज वाशिंगटन के चेहरे की आकृति का एक चौथाई भाग। वायर ड्राइंग के विपरीत, स्टैम्पिंग में आमतौर पर अधिक मात्रा में सामग्री का प्रवाह शामिल नहीं होता है, लेकिन इसमें बहुत अधिक बल की आवश्यकता होती है, जिससे ब्लैंक की सतह विकृत हो सकती है।
इसी कारणवश, मोटे दानेदार संरचना का उपयोग करके सतही प्रवाह तनाव को कम करने से सांचे को ठीक से भरने के लिए आवश्यक बलों को कम करने में मदद मिल सकती है। यह विशेष रूप से फ्री-डाई इंप्रिंटिंग के लिए सही है, जहां सतही दानों पर विस्थापन दाने की सीमाओं पर जमा होने के बजाय स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सकते हैं।
यहां जिन रुझानों पर चर्चा की गई है, वे सामान्यीकरण हैं जो विशिष्ट वर्गों पर लागू नहीं हो सकते हैं। हालांकि, उन्होंने नए पुर्जों को डिजाइन करते समय सामान्य दोषों से बचने और मोल्डिंग मापदंडों को अनुकूलित करने के लिए कच्चे माल के कण आकार को मापने और मानकीकृत करने के लाभों को उजागर किया।
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