உலோகங்களின் இயந்திரவியல் பண்புகளின் மீது கலப்புலோகக் கூறுகளின் தாக்கம்

உலோகங்களின் இயந்திரவியல் பண்புகளின் மீது கலப்புலோகக் கூறுகளின் விளைவு

அதிக வலிமை, தேய்மான எதிர்ப்பு அல்லது கடுமையான சூழ்நிலைகளில் கடினத்தன்மை தேவைப்படும் பொறியியல் பயன்பாடுகளில் தூய உலோகங்கள் அரிதாகவே நேரடியாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. உதாரணமாக, தூய அலுமினியம் எடை குறைவானது மற்றும் அரிப்பை எதிர்க்கும் தன்மை கொண்டது, ஆனால் ஒப்பீட்டளவில் மென்மையானது. தூய இரும்பு தகடாக்கக்கூடியது, ஆனால் அதன் வலிமை வரையறுக்கப்பட்டது. எனவே, தொழில்துறை பெரும்பாலும் உலோகக் கலவைகளையே பயன்படுத்துகிறது. இவை, சிறந்த பண்புகளின் கலவையை அடைவதற்காக, அடிப்படை உலோகங்களுடன் குறிப்பிட்ட விகிதங்களில் மற்ற தனிமங்களைக் கலப்பதாகும். இவ்வாறு சேர்க்கப்படும் தனிமங்கள் கலப்புலோகத் தனிமங்கள் என்று அழைக்கப்படுகின்றன, மேலும் இழுவிசை வலிமை, கடினத்தன்மை, நீளும் தன்மை, கடினத்தன்மை, சோர்வு எதிர்ப்பு மற்றும் தேய்மான எதிர்ப்பு போன்ற இயந்திரவியல் பண்புகளின் மீது அவற்றின் தாக்கம் குறிப்பிடத்தக்கதாகும்.

அடிப்படைக் கருத்து: கலப்புலோகக் கூறுகள் ஏன் இயந்திரப் பண்புகளை மாற்றுகின்றன?

உலோகங்களின் இயந்திரவியல் பண்புகள் அவற்றின் நுண்கட்டமைப்பால் தீர்மானிக்கப்படுகின்றன: தானிய அளவு, கட்டங்களின் வகை மற்றும் எண்ணிக்கை, வீழ்படிவுகளின் பரவல், மற்றும் இடப்பெயர்வுகள் போன்ற படிகக் குறைபாடுகளின் இருப்பு. கலப்புலோகக் கூறுகள் பல முக்கிய வழிமுறைகள் மூலம் இந்தப் பண்புகளைப் பாதிக்கின்றன:

1. திடக் கரைசல் வலுவூட்டல்
கலப்புலோகத் தனிம அணுக்கள், அடிப்படை உலோக அணுக்களுக்குப் பதிலாக இடம்பெறலாம் (பதிலீடு) அல்லது அணுக்களுக்கு இடையேயான இடைவெளிகளை நிரப்பலாம் (இடைநிலை அணுக்கள்). அணு அளவிலும் வேதியியல் பிணைப்பிலும் உள்ள வேறுபாடுகள், இடப்பெயர்ச்சி இயக்கத்தைத் தடுக்கும் படிகக்கூடு சிதைவுகளை உருவாக்குகின்றன. இதன் விளைவாக, வலிமையும் கடினத்தன்மையும் அதிகரிக்கின்றன, ஆனால் நீளும் தன்மை குறைகிறது.

2. வீழ்படிவு கடினமாதல் (வயது கடினமாதல்)
சில உலோகக் கலவைகளில், வெப்பச் செயலாக்கம் நுண்ணிய வீழ்படிவுத் துகள்களை உருவாக்குகிறது (எ.கா., Al-Cu அல்லது Al-Mg-Si). இந்த வீழ்படிவுகள் இடப்பெயர்ச்சிகளுக்கு ஒரு "தடையாக" செயல்பட்டு, வலிமையை வியத்தகு முறையில் அதிகரிக்கின்றன.

3. கடினமான கட்டங்களை (எ.கா. கார்பைடுகள், நைட்ரைடுகள், இடை உலோகங்கள்) உருவாக்குவதன் மூலம் வலுவூட்டுதல்
Cr, V, W மற்றும் Mo போன்ற தனிமங்கள் எஃகில் கடினமான கார்பைடுகளை உருவாக்குகின்றன. இந்தக் கடினமான நிலைகள், கடினத்தன்மையையும் தேய்மான எதிர்ப்பையும் அதிகரிக்கின்றன, ஆனால் அவை அதிகமாகவோ அல்லது சீரற்ற முறையிலோ இருந்தால், உறுதித்தன்மையைக் குறைக்கக்கூடும்.

4. தானிய சுத்திகரிப்பு
சில தனிமங்கள் அல்லது கலப்புலோகத் தனிமங்களால் பாதிக்கப்படும் உலோகவியல் செயல்முறைகள் நுண்ணிய தானியங்களை உருவாக்கக்கூடும். நுண்ணிய தானியங்கள் பொதுவாக வளைவு வலிமையையும் கடினத்தன்மையையும் அதிகரிக்கின்றன.

5. கட்ட வரைபடம் மற்றும் வெப்பச் செயலாக்கத் திறனில் ஏற்படும் மாற்றங்கள்
கலப்புலோகத் தனிமங்கள் சில கட்டங்களை நிலைப்படுத்தவும், உருமாற்ற வெப்பநிலையை மாற்றவும், மற்றும் கடினமாக்கும் திறனை அதிகரிக்கவும் முடியும். உதாரணமாக, எஃகில், சில தனிமங்களைச் சேர்ப்பது, குளிர்வித்தல் மிகவும் வேகமாக இல்லாவிட்டாலும் கூட மார்டன்சைட் உருவாக அனுமதிக்கிறது.

எஃகின் மீது கலப்புலோகக் கூறுகளின் தாக்கம்: மிக விரிவான எடுத்துக்காட்டுகள்

எஃகு மிகவும் பொதுவான உலோகக் கலவை அமைப்பாகும், ஏனெனில் தனிமங்களின் உள்ளடக்கத்தில் ஏற்படும் சிறிய மாற்றங்கள் கூட இயந்திரவியல் பண்புகளில் பெரிய மாறுபாடுகளை ஏற்படுத்தக்கூடும்.

1. கார்பன் (C)
எஃகில் கார்பன் மிக முக்கியமான கலப்புலோகத் தனிமம் ஆகும். இது சிமென்டைட் (Fe₃C) உருவாவதன் மூலமும், கடினப்படுத்திய பிறகு மார்டன்சைட்டை உருவாக்கும் திறனின் மூலமும் வலிமையையும் கடினத்தன்மையையும் அதிகரிக்கிறது.

– வலிமை மற்றும் கடினத்தன்மை: கார்பனின் அளவு அதிகரிக்கும்போது அதிகரிக்கிறது.
– விடாமுயற்சி மற்றும் மன உறுதி: C அளவு மிக அதிகமாக இருக்கும்போது குறைய முனைகிறது.
– தேய்மான எதிர்ப்புத்திறன்: அதிக கடினமான பகுதி காரணமாக அதிகரித்துள்ளது.

குறைந்த கார்பன் எஃகு அதிக நீளும் தன்மையும், பற்றவைக்க எளிமையும் கொண்டது, அதேசமயம் அதிக கார்பன் எஃகு கடினமானது ஆனால் எளிதில் உடையக்கூடியது.

2. மாங்கனீசு (Mn)
மாங்கனீசு, திண்மக் கரைசல் மூலம் வலிமையை அதிகரித்து, கந்தகத்தைப் பிணைத்து MnS-ஐ உருவாக்க உதவுகிறது (இதனால் வெப்பச் சுருக்கம் குறைகிறது).

– வலிமை மற்றும் கடினமாக்கும் தன்மை: அதிகரித்துள்ளது.
– உறுதித்தன்மை: மிதமான அளவுகளில் அதிகரிக்கலாம், ஆனால் உயர் அளவுகளில் நுண் கட்டமைப்பு கட்டுப்பாடு தேவைப்படுகிறது.

3. குரோமியம் (Cr)
குரோம் துருப்பிடிக்காத எஃகில் மிகவும் பிரசித்தி பெற்றது, ஆனால் அதன் வலிமை மற்றும் தேய்மான எதிர்ப்புத் திறனுக்காகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

– தேய்மான எதிர்ப்புத்திறன் மற்றும் கடினத்தன்மை: கடினமான குரோமியம் கார்பைடுகள் உருவாவதன் மூலம் அதிகரிக்கப்படுகிறது.
– கடினமாக்கும் திறன்: அதிகரிக்கப்பட்டுள்ளது, இது தடிமனான குறுக்குவெட்டுப் பகுதிகளைக் கடினப்படுத்த அனுமதிக்கிறது.
– அரிப்பு எதிர்ப்புத்திறன்: Cr₂O₃-இன் ஒரு செயலற்ற அடுக்கு உருவாவதால், இது போதுமான அளவு அதிகமாக இருக்கும்போது (பொதுவாக துருப்பிடிக்காத எஃகில் ≥ ~10,5%) அதிகரிக்கிறது.
– அபாயம்: அதிகப்படியான கார்பைடுகள் கடினத்தன்மையைக் குறைக்கக்கூடும்.

4. நிக்கல் (Ni)
நிக்கல், குறிப்பாகக் குறைந்த வெப்பநிலைகளில், உறுதித்தன்மையை மேம்படுத்தும் ஒரு சிறந்த பொருளாகும்.

– கடினத்தன்மை மற்றும் நெகிழ்வுத்தன்மை: அதிகரித்துள்ளது, இது எளிதில் உடையக்கூடிய முறிவைத் தடுக்க உதவுகிறது.
– வலிமை: நல்ல உறுதித்தன்மையை தக்கவைத்துக் கொண்டு அதிகரிக்கப்பட்டுள்ளது.
– பயன்பாடு: கப்பல்கள், குளிரூட்டப்பட்ட தொட்டிகள் மற்றும் அதிக உறுதித்தன்மை தேவைப்படும் பாகங்களுக்கான நிக்கல் கலப்பு எஃகு.

5. மாலிப்டினம் (Mo)
மாலிப்டினம் உயர் வெப்பநிலை பயன்பாடுகளுக்கும், மென்மையாவதைத் தடுப்பதற்கும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

– உயர் வெப்பநிலைகளில் வலிமை: அதிகரித்துள்ளது (சிறந்த நெகிழ்வுத் தடுப்புத்திறன்).
– கடினமாக்கும் திறன்: அதிகரிக்கப்பட்டது.
– பதப்படுத்துவதால் ஏற்படும் உடையக்கூடிய தன்மைக்கு எதிர்ப்பு: குறிப்பிட்ட வெப்பநிலை வரம்புகளில் பதப்படுத்திய பிறகு, உடையக்கூடிய தன்மை ஏற்படும் போக்கைக் குறைக்க மோலிப்டினம் (Mo) உதவக்கூடும்.

6. வனேடியம் (V), நியோபியம் (Nb), டைட்டேனியம் (Ti)
இந்த நுண் கலப்புலோகத் தனிமங்கள் குறைந்த செறிவுகளிலும் திறம்படச் செயல்படுகின்றன. அவை நுண்ணிய கார்பைடுகள்/நைட்ரைடுகளை உருவாக்கி, துகள்களின் அமைப்பைச் செம்மைப்படுத்துகின்றன.

– மகசூல் வலிமை: நுண்ணிய வீழ்படிவுகள் மற்றும் துகள் சுத்திகரிப்பின் மூலம் கணிசமாக அதிகரிக்கப்பட்டுள்ளது.
– மீள்திறன்: செயல்முறைக் கட்டுப்பாடு முறையாக இருந்தால், அது சிறப்பாகத் தொடரலாம்.
– பயன்பாடு: கட்டமைப்புகளுக்கான HSLA (உயர் வலிமை குறைந்த கலப்புலோக) எஃகு.

7. சிலிக்கான் (Si)
சிலிக்கான் ஒரு பொதுவான ஆக்சிஜன் நீக்கியாகச் செயல்படுவதுடன், திடக் கரைசல்களையும் வலுப்படுத்துகிறது.

வலிமை அதிகரித்தது.
ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்ப்புத்திறன்: சில சூழ்நிலைகளில் அதிகரிக்கிறது.
– குறிப்பு: அதிக சிலிக்கான் உள்ளடக்கம், நீளும் தன்மையையும் வடிவமைக்கும் திறனையும் பாதிக்கக்கூடும்.

அலுமினியக் கலவைகள் மீதான கலப்புலோகக் கூறுகளின் விளைவு

அலுமினியம் வீழ்படிவு வலுவூட்டலுக்கு அதிக அளவில் உட்படுகிறது. எனவே, அதன் முதன்மைக் கலப்புலோகக் கூறான Al, கரைசல் பதப்படுத்துதல் மற்றும் பதப்படுத்துதல் மூலம் நுண்ணிய வீழ்படிவுகளை உருவாக்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது.

– தாமிரம் (Cu): வீழ்படிவாக்குதல் மூலம் அதிக வலிமையை (2xxx தொடர்) அதிகரிக்கிறது, ஆனால் அரிப்பு எதிர்ப்புத்திறன் குறையக்கூடும்.
– மக்னீசியம் (Mg): வலிமையையும் அரிப்புத் தடுப்புத் திறனையும் அதிகரிக்கிறது; சிலிக்கானுடன் (Si) இணைந்து Mg₂Si (6xxx தொடர்) ஐ உருவாக்குகிறது, இது வலிமையையும் செயலாக்கத் திறனையும் சமநிலைப்படுத்துகிறது.
– துத்தநாகம் (Zn) + மெக்னீசியம் (மற்றும் பெரும்பாலும் தாமிரம்): விண்வெளித் துறையில் பிரபலமான மிகவும் வலிமையான கலப்புலோகங்களை (7xxx தொடர்) உருவாக்குகிறது, ஆனால் சில கலவைகள் அழுத்த அரிப்பு விரிசலுக்கு (SCC) ஆளாகக்கூடியவை, எனவே அவற்றுக்கு வெப்பக் கட்டுப்பாடு மற்றும் பாதுகாப்பு தேவைப்படுகிறது.
– சிலிக்கான் (Si): வார்ப்புத் திறனுக்கு உதவுகிறது மற்றும் மெக்னீசியத்துடன் (Mg) சேர்ந்து வீழ்படிவாக்கத்தை ஆதரிக்கிறது.

அலுமினியத்தில், அதிகரித்த வலிமையானது பெரும்பாலும் குறைந்த நெகிழ்வுத்தன்மை மற்றும் சில தனிமக் கலவைகளில் அரிப்புக்கு ஆளாகும் தன்மை ஆகியவற்றால் ஈடுசெய்யப்படுகிறது.

தாமிரம் மற்றும் டைட்டேனியம் கலப்புலோகங்களில் கலப்புலோகக் கூறுகளின் தாக்கம் (ஒரு பார்வையில்)

தாமிரக் கலப்புலோகங்களில், துத்தநாகத்தை (பித்தளை) சேர்ப்பது வலிமையையும் செயலாக்கத்தன்மையையும் அதிகரிக்கிறது, அதே சமயம் தகரம் (வெண்கலம்) தேய்மான எதிர்ப்பையும் ஓரளவு அரிமான எதிர்ப்பையும் அதிகரிக்கிறது. இருப்பினும், உயர் கலப்புலோகத் தனிமங்கள் பொதுவாக மின்/வெப்பக் கடத்துத்திறனைக் குறைக்கின்றன—இது மின் கூறுகளில் ஒரு குறிப்பிடத்தக்க சமரசமாகும்.

டைட்டேனியம் கலப்புலோகங்களில், Al போன்ற தனிமங்கள் ஆல்ஃபா கட்டத்தையும், V மற்றும் Mo ஆகியவை பீட்டா கட்டத்தையும் நிலைப்படுத்துகின்றன. ஆல்ஃபா-பீட்டா கலப்புலோகங்கள் (எ.கா., Ti-6Al-4V) குறைந்த தன் அடர்த்தியுடன், உயர் வலிமை, கடினத்தன்மை மற்றும் அரிப்பு எதிர்ப்பு ஆகியவற்றின் கலவையை வழங்குகின்றன. டைட்டேனியத்தின் இயந்திரவியல் பண்புகள், அதில் உருவாகும் கட்டங்களையும் வெப்பச் செயலாக்கத்தையும் பெருமளவில் சார்ந்துள்ளன.

கலப்புலோகக் கூறுகளுக்கும் முக்கிய இயந்திரவியல் பண்புகளுக்கும் இடையிலான தொடர்பு

அடிக்கடி காணப்படும் உறவுகளின் சுருக்கம் இதோ:

– இழுவிசை வலிமை / வளைவு வலிமை: பொதுவாக திடக் கரைசல், வீழ்படிவு, நுண்ணிய துகள்கள் மற்றும் கடினமான கட்டங்கள் ஆகியவற்றால் அதிகரிக்கிறது.
– கடினத்தன்மை: மார்டன்சைட் (எஃகில்), வீழ்படிவுகள், மற்றும் கார்பைடுகள்/நைட்ரைடுகள் சேரும்போது அதிகரிக்கிறது.
– உறுதித்தன்மை: வலிமை/கடினத்தன்மை அதிகரிக்கும்போது இது பெரும்பாலும் குறைகிறது, ஆனால் நிக்கல் (Ni) போன்ற தனிமங்கள் உறுதித்தன்மையை நிலைநிறுத்த முடியும்.
– தாக்க உறுதித்தன்மை: இது துகள் அளவு, கடின நிலை பரவல் மற்றும் உள்ளடக்கங்களின் இருப்பு ஆகியவற்றால் பாதிக்கப்படுகிறது; நிக்கல் (Ni) மற்றும் துகள் செம்மையாக்கம் ஆகியவை இதற்கு உதவ முனைகின்றன.
– சோர்வு எதிர்ப்புத்திறன்: சீரான நுண் கட்டமைப்பு, சிறிய உள்ளடக்கங்கள் மற்றும் அதிகரித்த வலிமை ஆகியவற்றால் இது அதிகரிக்கிறது; இருப்பினும், பெரிய வீழ்படிவுகள்/நுண் விரிசல்கள் நிலைமையை மோசமாக்கக்கூடும்.
– தேய்மான எதிர்ப்புத்திறன்: கடினமான கார்பைடுகள், மார்டன்சைட் மற்றும் நல்ல மேற்பரப்புக் கடினத்தன்மையால் அதிகரிக்கிறது.

மூடுகிறது

உலோகவியலில், பயன்பாட்டுத் தேவைகளுக்கு ஏற்ப உலோகங்களின் இயந்திரவியல் பண்புகளை வடிவமைப்பதற்கான முக்கிய "பொறியியல் கருவிகளாக" கலப்புலோகக் கூறுகள் விளங்குகின்றன. தனிமங்களின் வகை மற்றும் செறிவைத் தேர்ந்தெடுத்து, பின்னர் வெப்பச் செயலாக்கம், தணித்தல் மற்றும் நுண் கட்டமைப்பு கட்டுப்பாடு போன்ற செயல்முறைகளைக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம், பொறியாளர்கள் எடை குறைந்த அதே சமயம் வலிமையான, கடினமான அதே சமயம் உறுதியான, அல்லது தேய்மானத்தைத் தாங்கி உயர் வெப்பநிலையிலும் சிறப்பாகச் செயல்படும் பொருட்களை உருவாக்க முடியும். இருப்பினும், பண்புகளில் ஏற்படும் எந்தவொரு முன்னேற்றமும் பொதுவாக சில சமரசங்களுடன் வருகிறது: அதிகரித்த வலிமை, நீளும் தன்மையைக் குறைக்கக்கூடும்; வீழ்படிவு-வலிமையாக்கல் சில அரிப்புகளின் அபாயத்தை அதிகரிக்கக்கூடும்; மேலும், கடினப்படுத்தும் நிலைகள் கட்டுப்படுத்தப்படாவிட்டால் உறுதித்தன்மையைக் குறைக்கக்கூடும். எனவே, கலப்புலோக வடிவமைப்பு என்பது எப்போதும் அதன் கலவை, செயல்முறை மற்றும் களச் செயல்திறன் தேவைகளுக்கு இடையேயான ஒரு சமநிலையாகவே உள்ளது.