मिश्र धातु
मिश्र धातु रासायनिक तत्वों का मिश्रण है जिनमें से कम से कम धातु है। धातु के आधार वाले रासायनिक यौगिकों के विपरीत, मिश्र धातु परिणामी पदार्थ में धातु के सभी गुणों को बनाए रखेगा, जैसे कि विद्युत चालकता, लचीलापन , अस्पष्टता (प्रकाशिकी) , और चमक (खनिज) , लेकिन इसमें ऐसे गुण होते हैं जो शुद्ध धातुओं से भिन्न होते हैं। जैसे कि वृद्धि हुई ताकत या कठोरता। कुछ मामलों में, मिश्र धातु महत्वपूर्ण गुणों को संरक्षित करते हुए सामग्री की समग्र लागत को कम कर सकती है। अन्य मामलों में, मिश्रण घटक धातु तत्वों जैसे संक्षारण प्रतिरोध या यांत्रिक शक्ति को सहक्रियात्मक गुण प्रदान करता है।
मिश्र धातुओं को धात्विक बंधन चरित्र द्वारा परिभाषित किया जाता है।[1] मिश्र धातु घटकों को प्रायः व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए बड़े पैमाने पर प्रतिशत और सामान्य विज्ञान अध्ययन के लिए परमाणु अनुपात में मापा जाता है। मिश्र धातु को प्रायः प्रतिस्थापन या अंतरालीय मिश्र धातुओं के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, जो मिश्र धातु बनाने वाली परमाणु व्यवस्था पर निर्भर करता है। उन्हें आगे सजातीय (एकल चरण से मिलकर), या विषम (दो या दो से अधिक चरणों से मिलकर) या इंटरमेटेलिक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। मिश्र धातु तत्वों का ठोस समाधान हो सकता है (एकल चरण, जहां सभी धातु अनाज (क्रिस्टल) एक ही संरचना के होते हैं) या धातु चरणों का मिश्रण (दो या दो से अधिक समाधान, धातु के भीतर विभिन्न क्रिस्टल का सूक्ष्म संरचना बनाते हैं)
उदाहरणों में मिश्र धातुओं के लाल सोना (सोना और तांबा) सफेद सोना (सोना और चांदी ), स्टर्लिंग चांदी (चांदी और तांबा), स्टील या सिलिकॉन स्टील (क्रमशः गैर-धातु कार्बन या सिलिकॉन वाला लोहा ), मिलाप , पीतल , पेवर, ड्यूरालुमिन , कांस्य, और मिश्रधातु (रसायन विज्ञान) शामिल हैं।
मिश्र धातुओं का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, स्टील , इमारतों से लेकर ऑटोमोबाइल से लेकर सर्जिकल उपकरणों तक, एयरोस्पेस उद्योग में मिश्र धातुओं का उपयोग किए जाने वाले विदेशी टाइटेनियम मिश्र धातुओं तक, गैर-स्पार्किंग उपकरणों के लिए बेरिलियम-ताँबा मिश्र धातुओं में उपयोग किया जाता है।
लक्षण
मिश्र धातु रासायनिक तत्वों का मिश्रण है, जो अशुद्ध पदार्थ (मिश्रण) बनाता है जो धातु की विशेषताओं को बरकरार रखता है। मिश्र धातु अशुद्ध धातु से अलग होती है, मिश्र धातु के साथ, जोड़े गए तत्वों को वांछनीय गुणों का उत्पादन करने के लिए अच्छी तरह से नियंत्रित किया जाता है, जबकि अशुद्ध धातु जैसे लोहे को कम नियंत्रित किया जाता है, लेकिन अक्सर उपयोगी माना जाता है। मिश्र धातु दो या दो से अधिक तत्वों को मिलाकर बनाई जाती है, जिनमें से कम से कम धातु है। इसे प्रायः प्राथमिक धातु या आधार धातु कहा जाता है, और इस धातु को मिश्र धातु भी कह सकते है। अन्य घटक धातु हो सकते हैं या नहीं भी हो सकते हैं, लेकिन पिघले हुए आधार के साथ मिश्रित होने पर, वे घुलनशील होंगे और मिश्रण में घुल जाएंगे। मिश्र धातुओं के यांत्रिक गुण अक्सर इसके अलग-अलग घटकों से काफी भिन्न होते हैं। धातु जो प्रायः बहुत नरम (लचीलापन) होती है, जैसे कि एल्युमिनियम, इसे तांबे जैसी अन्य नरम धातु के साथ मिश्रधातु बनाकर बदला जा सकता है। हालांकि दोनों धातुएं बहुत नरम और लचीलापन हैं, परिणामस्वरूप एल्यूमीनियम मिश्र धातु में बहुत अधिक ताकत होगी। लोहे में थोड़ी मात्रा में गैर-धातु कार्बन मिलाने से स्टील नामक मिश्र धातु की अधिक ताकत के लिए इसकी महान लचीलापन का व्यापार होता है। इसकी बहुत उच्च शक्ति के कारण, लेकिन अभी भी पर्याप्त क्रूरता है, और ऊष्मा उपचार द्वारा इसकी क्षमता में काफी बदलाव किया जा सकता है, स्टील आधुनिक उपयोग में सबसे उपयोगी और सामान्य मिश्र धातुओं में से एक है। स्टील में क्रोमियम मिलाने से, इसके जंग के प्रतिरोध को बढ़ाया जा सकता है, स्टेनलेस स्टील का निर्माण किया जा सकता है, जबकि सिलिकॉन जोड़ने से इसकी विद्युत विशेषताओं में बदलाव आएगा, जिससे सिलिकॉन स्टील का उत्पादन होगा।
तेल और पानी की तरह, पिघला हुआ धातु हमेशा दूसरे तत्व के साथ नहीं मिल सकता है। उदाहरण के लिए, शुद्ध लोहा तांबे के साथ लगभग पूरी तरह से अघुलनशील है। यहां तक कि जब घटक घुलनशील होते हैं, तो प्रत्येक में प्रायः संतृप्त समाधान होता है, जिसके आगे और कोई घटक नहीं जोड़ा जा सकता है। उदाहरण के लिए, आयरन अधिकतम 6.67% कार्बन धारण कर सकता है। हालांकि मिश्र धातु के तत्व प्रायः तरल अवस्था में घुलनशील होने चाहिए वे हमेशा ठोस अवस्था में घुलनशील नहीं हो सकते हैं। यदि धातु ठोस होने पर घुलनशील रहती है, तो मिश्र धातु ठोस घोल बनाती है, जो समान क्रिस्टल से मिलकर एक सजातीय संरचना बन जाती है, जिसे एक चरण (पदार्थ) कहा जाता है। यदि मिश्रण ठंडा होने पर घटक अघुलनशील हो जाते हैं, तो वे दो या दो से अधिक विभिन्न प्रकार के क्रिस्टल बनाने के लिए अलग हो सकते हैं, जिससे विभिन्न चरणों का विषम सूक्ष्म बनता है, कुछ में एक से अधिक घटक होते हैं। हालांकि, अन्य मिश्र धातुओं में, अघुलनशील तत्व क्रिस्टलीकरण होने तक अलग नहीं हो सकते हैं। यदि बहुत जल्दी ठंडा किया जाता है, तो वे पहले एक सजातीय चरण के रूप में क्रिस्टलीकृत हो जाते हैं, लेकिन वे द्वितीयक घटकों के साथ अतिसंतृप्ति होते हैं। जैसे-जैसे समय बीतता है, इन अतिसंतृप्त मिश्र धातुओं के परमाणु क्रिस्टल जाली से अलग हो सकते हैं, और अधिक स्थिर हो सकते हैं, और एक दूसरे चरण का निर्माण कर सकते हैं जो आंतरिक रूप से क्रिस्टल को सुदृढ़ करने का कार्य करता है।
कुछ मिश्र धातुएं, जैसे एलेक्ट्रम -चांदी और सोने का मिश्र धातु-स्वाभाविक रूप से होती हैं। उल्कापिंड कभी-कभी लोहे और निकल के प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले मिश्र धातुओं से बने होते हैं, लेकिन पृथ्वी के मूल निवासी नहीं होते हैं। मनुष्यों द्वारा बनाई गई पहली मिश्र धातुओं में से एक कांस्य थी, जो धातुओं के टिन और तांबे का मिश्रण है। पूर्वजों के लिए कांस्य एक अत्यंत उपयोगी मिश्र धातु था, क्योंकि यह इसके किसी भी घटक की तुलना में बहुत मजबूत और कठिन है। स्टील एक सामान्य: मिश्र धातु थी। हालांकि, प्राचीन काल में, यह लोहे के निर्माण के दौरान आग (गलने) में लौह अयस्क को गर्म करने से केवल एक आकस्मिक उपोत्पाद के रूप में बनाया जा सकता था। अन्य प्राचीन मिश्र धातुओं में पेवर, पीतल और कच्चा लोहा शामिल हैं। आधुनिक युग में स्टील को कई रूपों में बनाया जा सकता है। कार्बन स्टील को केवल कार्बन सामग्री को बदलकर बनाया जा सकता है, हल्के स्टील जैसे नरम मिश्र धातु या लचीला इस्पात जैसे कठोर मिश्र धातु का उत्पादन किया जा सकता है। क्रोमियम, मोलिब्डेनम , वैनेडियम या निकल जैसे अन्य तत्वों को जोड़कर मिश्र धातु स्टील्स बनाए जा सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उच्च गति वाले स्टील या औजारों का स्टील जैसे मिश्र धातु बनते हैं। फास्फोरस , गंधक और ऑक्सीजन जैसी अवांछित अशुद्धियों को दूर करने की क्षमता के कारण मैंगनीज की छोटी मात्रा को सामान्य: अधिकांश आधुनिक स्टील्स के साथ मिश्रित किया जाता है, जो मिश्र धातु पर हानिकारक प्रभाव डाल सकता है। हालांकि, अधिकांश मिश्र धातुओं को 1900 के दशक तक नहीं बनाया गया था, जैसे कि विभिन्न एल्यूमीनियम, टाइटेनियम मिश्र धातु , निकल मिश्र और मैग्नीशियम मिश्र धातु। कुछ आधुनिक सुपर मिश्र धातु , जैसे इंकोलॉय , इनकॉनेल और हैस्टेलॉय , में विभिन्न तत्वों की भीड़ शामिल हो सकती है।
मिश्र धातु तकनीकी रूप से एक अशुद्ध धातु है, लेकिन मिश्र धातु का जिक्र करते समय, अशुद्धता शब्द सामान्य: अवांछनीय तत्वों को दर्शाता है। ऐसी अशुद्धियों को आधार धातुओं और मिश्र धातु तत्वों से पेश किया जाता है, लेकिन प्रसंस्करण के दौरान हटा दिया जाता है। उदाहरण के लिए, सल्फर स्टील में सामान्य अशुद्धता है। सल्फर लोहे के साथ आसानी से मिलकर आयरन सल्फाइड बनाता है, जो बहुत भंगुर होता है, जिससे स्टील में कमजोर धब्बे बन जाते हैं।[2] एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में लिथियम , सोडियम और कैल्शियम सामान्य अशुद्धियाँ हैं, जो कास्टिंग की संरचनात्मक अखंडता पर प्रतिकूल प्रभाव डाल सकती हैं। इसके विपरीत, अन्यथा शुद्ध-धातुएँ जिनमें केवल अवांछित अशुद्धियाँ होती हैं, "अक्सर अशुद्ध" धातुएँ कहलाती हैं और सामान्य: उन्हें मिश्र धातु नहीं कहा जाता है। हवा में मौजूद ऑक्सीजन, धातु के ऑक्साइड बनाने के लिए अधिकांश धातुओं के साथ आसानी से जुड़ जाती है विशेष रूप से मिश्र धातु के दौरान उच्च तापमान का सामना करना पड़ता है। फ्लक्स (धातु विज्ञान), रासायनिक योजक, या निकालने वाले धातु विज्ञान के अन्य तरीकों का उपयोग करके, अतिरिक्त अशुद्धियों को दूर करने के लिए मिश्र धातु प्रक्रिया के दौरान अक्सर बहुत सावधानी बरती जाती है।[3]
सिद्धांत
किसी धातु को या अधिक अन्य तत्वों के साथ मिलाकर मिश्रधातु बनाया जाता है। सबसे सामान्य: और सबसे पुरानी मिश्र धातु प्रक्रिया बेस मेटल को उसके गलनांक से परे गर्म करके और फिर विलेय को पिघले हुए तरल में घोलकर की जाती है, जो संभव हो सकता है, भले ही विलेय का गलनांक आधार के गलनांक से कहीं अधिक हो। उदाहरण के लिए, इसकी तरल अवस्था में, टाइटेनियम बहुत मजबूत विलायक है जो अधिकांश धातुओं और तत्वों को भंग करने में सक्षम है। इसके अलावा, यह ऑक्सीजन जैसी गैसों को आसानी से अवशोषित कर लेता है और नाइट्रोजन की उपस्थिति में जल जाता है। यह किसी भी संपर्क सतह से दूषण की संभावना को बढ़ाता है, और इसलिए इसे वैक्यूम प्रेरण-हीटिंग और विशेष, वाटर-कूल्ड, कॉपर क्रूसिबल में पिघलाया जाना चाहिए।[4] हालांकि, कुछ धातुओं और विलेय, जैसे कि लोहा और कार्बन में बहुत अधिक गलनांक होते हैं और प्राचीन लोगों के लिए पिघलना असंभव था। इस प्रकार, मिश्र धातु (विशेष रूप से, अंतरालीय मिश्र धातु) को गैसीय अवस्था में या अधिक घटकों के साथ भी किया जा सकता है, जैसे कि पिग आयरन (तरल-गैस), नाइट्राइडिंग, कार्बो नाइट्राइडिंग या मामले को मजबूत बनाना के अन्य रूपों को बनाने के लिए आग की भट्टी में पाया जाता है। (ठोस-गैस), या ब्लिस्टर स्टील (ठोस-गैस) बनाने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली सीमेंटेशन प्रक्रिया । यह ठोस अवस्था में , अधिक, या सभी घटकों के साथ भी किया जा सकता है, जैसे पैटर्न वेल्डिंग (ठोस-ठोस), कतरनी स्टील (ठोस-ठोस), या क्रूसिबल स्टील उत्पादन (ठोस) के प्राचीन तरीकों में पाया जाता है। द्रव, ठोस-अवस्था प्रसार के माध्यम से तत्वों का मिश्रण।
धातु में एक और तत्व जोड़ने से, परमाणुओं के आकार में अंतर धातु के क्रिस्टल की जाली में आंतरिक तनाव पैदा करता है तनाव जो अक्सर इसके गुणों को बढ़ाते हैं। उदाहरण के लिए, लोहे के साथ कार्बन का संयोजन स्टील का उत्पादन करता है, जो लोहे से मजबूत होता है, इसका प्राथमिक तत्व। मिश्र धातुओं की विद्युत चालकता और तापीय चालकता सामान्य: शुद्ध धातुओं की तुलना में कम होती है। भौतिक गुण, जैसे घनत्व , प्रतिक्रियाशीलता (रसायन विज्ञान) , मिश्र धातु का यंग मापांक इसके मूल तत्व से बहुत भिन्न नहीं हो सकता है, लेकिन इंजीनियरिंग गुण जैसे तन्य शक्ति,[5] लचीलापन, और कतरनी ताकत घटक सामग्री से काफी भिन्न हो सकती है। यह कभी-कभी मिश्र धातु में परमाणुओं के आकार का परिणाम होता है, क्योंकि बड़े परमाणु पड़ोसी परमाणुओं पर संपीड़ित बल लगाते हैं, और छोटे परमाणु अपने पड़ोसियों पर तन्यता बल लगाते हैं, जिससे मिश्र धातु विरूपण का विरोध करती है। कभी-कभी मिश्र तत्व की थोड़ी मात्रा मौजूद होने पर भी व्यवहार में उल्लेखनीय अंतर प्रदर्शित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, अर्धचालक लौह-चुंबकीय मिश्र धातुओं में अशुद्धियाँ विभिन्न गुणों की ओर ले जाती हैं, जैसा कि पहले व्हाइट, होगन, सुहल, तियान एब्री और नाकामुरा ने भविष्यवाणी की थी।[6][7] शुद्ध धातुओं के विपरीत, अधिकांश मिश्र धातुओं में भी गलनांक नहीं होता है, लेकिन गलनांक जिसके दौरान सामग्री ठोस और तरल चरणों ( नरम मिट्टी) का मिश्रण होती है। जिस तापमान पर पिघलना शुरू होता है उसे सॉलिडस (रसायन विज्ञान) कहा जाता है, और जिस तापमान पर पिघलना पूरा होता है उसे लिक्विडस कहा जाता है। कई मिश्र धातुओं के लिए विशेष मिश्र धातु अनुपात होता है (कुछ मामलों में एक से अधिक), जिसे या तो गलनक्रांतिक मिश्रण या पेरिटेक्टिक संरचना कहा जाता है, जो मिश्र धातु को अद्वितीय और कम पिघलने बिंदु देता है, और कोई तरल/ठोस नरम मिट्टी संक्रमण नहीं होता है।
हीट ट्रीटमेंट
मज़बूती , कठोरता, लचीलापन, या अन्य वांछित गुणों को प्रेरित करने के लिए मिश्र धातु तत्वों को आधार धातु में जोड़ा जाता है। अधिकांश धातुओं और मिश्र धातुओं की क्रिस्टल संरचना में दोष पैदा करके सख्त काम किया जा सकता है। ये दोष प्लास्टिक विरूपण के दौरान हथौड़े से, झुकने, बाहर निकालने, आदि द्वारा बनाए जाते हैं, और तब तक स्थायी होते हैं जब तक कि धातु का पुन: स्थापित (धातु विज्ञान) न हो। अन्यथा, कुछ मिश्र धातुओं में भी गर्मी उपचार द्वारा उनके गुण बदल सकते हैं। लगभग सभी धातुओं को एनीलिंग (धातु विज्ञान) द्वारा नरम किया जा सकता है, जो मिश्र धातु को पुन: स्थापित करता है और दोषों की मरम्मत करता है, लेकिन नियंत्रित हीटिंग और कूलिंग द्वारा कई को कठोर नहीं किया जा सकता है। एल्यूमीनियम, तांबा, मैग्नीशियम, टाइटेनियम और निकल के कई मिश्र धातुओं को कुछ हद तक ऊष्मा उपचार की विधि से मजबूत किया जा सकता है, लेकिन कुछ स्टील के समान ही इसकी प्रतिक्रिया होती हैं।[8]
लौह-कार्बन मिश्र धातु का आधार धातु लोहा, जिसे स्टील के रूप में जाना जाता है, एक निश्चित तापमान (प्रायः 1,500 °F (820 °C) तथा 1,600 °F के बीच में) पर अपने क्रिस्टल मैट्रिक्स के परमाणुओं की व्यवस्था (अपररूपता ) में परिवर्तन से गुजरता है। 870°C कार्बन सामग्री के आधार पर)। यह छोटे कार्बन परमाणुओं को लोहे के क्रिस्टल के अंतराल में प्रवेश करने की अनुमति देता है। जब यह प्रसार होता है, तो कार्बन परमाणुओं को लोहे में ठोस घोल में कहा जाता है, जिससे एक विशेष एकल, सजातीय, क्रिस्टलीय चरण बनता है जिसे ऑस्टेनाईट कहा जाता है। यदि स्टील को धीरे-धीरे ठंडा किया जाता है, तो कार्बन लोहे से बाहर निकल सकता है और यह धीरे-धीरे अपने कम तापमान के आवंटन में वापस आ जाएगा। धीमी गति से शीतलन के दौरान, कार्बन परमाणु अब लोहे के साथ घुलनशीलता के रूप में नहीं होंगे, और शुद्ध लोहे के क्रिस्टल के बीच रिक्त स्थान में लौह कार्बाइड (Fe3C) के अधिक केंद्रित रूप में न्यूक्लियेटिंग करेंगे। समाधान से बाहर निकलने वर्षा (रसायन विज्ञान) के लिए मजबूर होंगे, स्टील तब विषम हो जाता है, क्योंकि यह दो चरणों से बनता है, लौह-कार्बन चरण जिसे सीमेंटाइट (या कार्बाइड ) कहा जाता है, और शुद्ध आयरन फेराइट। इस तरह के हीट ट्रीटमेंट से स्टील का उत्पादन होता है जो काफी नरम होता है। यदि स्टील को जल्दी से ठंडा किया जाता है, तो कार्बन परमाणुओं के पास कार्बाइड के रूप में फैलने और बाहर निकलने का समय नहीं होगा, लेकिन वे लोहे के क्रिस्टल के भीतर फंस जाएंगे। जब तेजी से ठंडा किया जाता है, तो प्रसार रहित (मार्टेंसाइट) परिवर्तन होता है, जिसमें कार्बन परमाणु घोल में फंस जाते हैं। यह लोहे के क्रिस्टल को विकृत करने का कारण बनता है क्योंकि क्रिस्टल संरचना अपने निम्न तापमान की स्थिति में बदलने की कोशिश करती है, जिससे वे क्रिस्टल बहुत कठोर हो जाते हैं लेकिन बहुत कम नमनीय (अधिक भंगुर) हो जाते हैं।
जबकि स्टील की उच्च शक्ति का परिणाम होता है जब प्रसार और वर्षा को रोका जाता है (मार्टेंसाइट बनाने), अधिकांश गर्मी-उपचार योग्य मिश्र धातु कठोर मिश्र धातु होते हैं, जो कि उनकी ताकत हासिल करने के लिए मिश्र धातु तत्वों के प्रसार पर निर्भर करते हैं। जब घोल बनाने के लिए गर्म किया जाता है और फिर जल्दी से ठंडा किया जाता है, तो ये मिश्र धातु सामान्य से अधिक नरम हो जाते हैं, प्रसार रहित परिवर्तन के दौरान, लेकिन फिर वे उम्र के अनुसार कठोर हो जाते हैं। इन मिश्र धातुओं में विलेय समय के साथ अवक्षेपित हो जाते हैं, जिससे अंतराधात्विक चरण बनते हैं, जिन्हें आधार धातु से पहचानना मुश्किल होता है। स्टील के विपरीत, जिसमें ठोस घोल विभिन्न क्रिस्टल चरणों (कार्बाइड और फेराइट) में अलग हो जाता है, वर्षा सख्त मिश्र एक ही क्रिस्टल के भीतर विभिन्न चरणों का निर्माण करते हैं। ये अंतराधात्विक मिश्र धातु क्रिस्टल संरचना में सजातीय दिखाई देते हैं, लेकिन विषम व्यवहार करते हैं, कठोर और कुछ भंगुर हो जाते हैं।[8]
1906 में, अल्फ्रेड विल्मो द्वारा वर्षा सख्त मिश्र धातुओं की खोज की गई थी। एल्यूमीनियम, टाइटेनियम और तांबे के कुछ मिश्र धातुओं जैसे वर्षा सख्त मिश्र, ऊष्मा-उपचार योग्य मिश्र धातु हैं जो शमन (जल्दी से ठंडा) होने पर नरम हो जाते हैं, और फिर समय के साथ कठोर हो जाते हैं। विल्म मशीन-गन कार्ट्रिज मामलों में उपयोग के लिए एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं को सख्त करने का एक तरीका खोज रहा था। यह जानते हुए कि एल्यूमीनियम-तांबा मिश्र धातु कुछ हद तक गर्मी-उपचार योग्य थे, विल्म ने एल्यूमीनियम, तांबे और मैग्नीशियम के अतिरिक्त टर्नरी मिश्र धातु को बुझाने की कोशिश की, लेकिन शुरुआत में परिणामों से निराश था। हालांकि, जब अगले दिन विल्म ने इसका पुन: परीक्षण किया तो उन्होंने पाया कि कमरे के तापमान पर उम्र के अनुसार छोड़े जाने पर मिश्र धातु कठोरता में वृद्धि हुई, और उनकी अपेक्षाओं से कहीं अधिक थी। हालांकि इस घटना के लिए स्पष्टीकरण 1919 तक प्रदान नहीं किया गया था, ड्यूरालुमिन पहली उम्र के सख्त मिश्र धातुओं में से एक था, जो पहले टसेपेल्लिन के लिए प्राथमिक निर्माण सामग्री बन गया था, और जल्द ही कई अन्य लोगों द्वारा पालन किया गया था।[9] क्योंकि वे अक्सर उच्च शक्ति और कम वजन के संयोजन का प्रदर्शन करते हैं, इन मिश्र धातुओं का व्यापक रूप से उद्योग के कई रूपों में उपयोग किया जाता है, जिसमें आधुनिक विमान का निर्माण भी शामिल है।[10]
तंत्र
जब एक पिघली हुई धातु को किसी अन्य पदार्थ के साथ मिलाया जाता है, तो दो तंत्र होते हैं जो एक मिश्र धातु का निर्माण कर सकते हैं, जिसे परमाणु विनिमय और अंतरालीय तंत्र कहा जाता है। मिश्रण में प्रत्येक तत्व का सापेक्ष आकार यह निर्धारित करने में प्राथमिक भूमिका निभाता है कि कौन सा तंत्र घटित होगा। जब परमाणु आकार में अपेक्षाकृत समान होते हैं, तो परमाणु विनिमय विधि सामान्य: होती है, जहां धात्विक क्रिस्टल बनाने वाले कुछ परमाणुओं को अन्य घटक के परमाणुओं के साथ प्रतिस्थापित किया जाता है। इसे प्रतिस्थापन मिश्र धातु कहा जाता है। प्रतिस्थापन मिश्र धातुओं के उदाहरणों में कांस्य और पीतल शामिल हैं, जिसमें कुछ तांबे के परमाणुओं को क्रमशः टिन या जस्ता परमाणुओं के साथ प्रतिस्थापित किया जाता है।
अंतरालीय तंत्र के मामले में, परमाणु प्रायः दूसरे की तुलना में बहुत छोटा होता है और आधार धातु के क्रिस्टल में दूसरे प्रकार के परमाणु को सफलतापूर्वक प्रतिस्थापित नहीं कर सकता है। इसके बजाय, छोटे परमाणु क्रिस्टल मैट्रिक्स के परमाणुओं के बीच के अंतरालीय स्थलों में फंस जाते हैं। इसे अंतरालीय मिश्र धातु के रूप में जाना जाता है। स्टील अंतरालीय मिश्र धातु का एक उदाहरण है, क्योंकि बहुत छोटे कार्बन परमाणु लोहे के आव्यूह के अंतराल में फिट होते हैं।
स्टेनलेस स्टील मध्य स्थल प्रतिस्थापन मिश्र धातुओं के संयोजन का एक उदाहरण है, क्योंकि कार्बन परमाणु इंटरस्टिस में फिट होते हैं, लेकिन कुछ लोहे के परमाणुओं को निकल और क्रोमियम परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।[8]
इतिहास और उदाहरण
उल्कापिंड लोहा
मनुष्यों द्वारा मिश्र धातुओं का उपयोग उल्कापिंड लोहे के उपयोग से शुरू हुआ, जो निकल और लोहे का एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला मिश्र धातु है। यह लोहे के उल्कापिंडों का मुख्य घटक है। चूंकि निकेल से लोहे को अलग करने के लिए कोई धातुकर्म प्रक्रिया का उपयोग नहीं किया गया था, मिश्र धातु का उपयोग उसी रूप में किया गया था।[11] उपकरण, हथियार और कील जैसी वस्तुएं बनाने के लिए उल्कापिंड लोहे को लाल ऊष्मा से जाली बनाया जा सकता है। कई संस्कृतियों में इसे चाकू और तीर के सिरों में ठंडे हथौड़े से आकार दिया गया था। उन्हें अक्सर निहाई के रूप में इस्तेमाल किया जाता था। उल्कापिंड लोहा बहुत दुर्लभ और मूल्यवान था, और प्राचीन लोगों के लिए काम करना मुश्किल था।[12]
कांस्य और पीतल
आयरन प्रायः पृथ्वी पर लौह अयस्क के रूप में पाया जाता है, ग्रीनलैंड में देशी लोहे के जमा को छोड़कर, जिसका उपयोग इनुइट द्वारा किया गया था।[13] हालांकि, चांदी, सोना और प्लैटिनम के साथ-साथ देशी तांबा दुनिया भर में पाया जाता था, जिसका उपयोग नवपाषाण काल से उपकरण, गहने और अन्य वस्तुओं को बनाने के लिए भी किया जाता था। कॉपर इन धातुओं में सबसे कठोर था, और सबसे व्यापक रूप से वितरित किया गया था। यह पूर्वजों के लिए सबसे महत्वपूर्ण धातुओं में से एक बन गया। लगभग 10,000 साल पहले अनातोलिया (तुर्की) के ऊंचे इलाकों में, मनुष्यों ने अयस्क से तांबा और टिन जैसी धातुओं को गलाना सीखा। लगभग 2500 ईसा पूर्व, लोगों ने कांस्य बनाने के लिए दो धातुओं को मिश्रधातु बनाना शुरू किया, जो इसके अवयवों की तुलना में बहुत कठिन था। टिन दुर्लभ था, हालांकि, ज्यादातर ग्रेट ब्रिटेन में पाया जा रहा था। मध्य पूर्व में, लोगों ने पीतल बनाने के लिए तांबे को जस्ता के साथ मिश्रित करना शुरू कर दिया।[14] प्राचीन सभ्यताओं ने मिश्रण और इसके द्वारा उत्पादित विभिन्न गुणों, जैसे कठोरता, कठोरता और गलनांक, तापमान और कार्य सख्त करने की विभिन्न परिस्थितियों में, आधुनिक मिश्र धातु चरण आरेख में निहित अधिकांश जानकारी को विकसित करने पर ध्यान दिया।[15]उदाहरण के लिए, चीनी किन राजवंश (लगभग 200 ईसा पूर्व) के तीर का निर्माण अक्सर एक कठोर कांस्य-सिर के साथ किया जाता था, लेकिन नरम कांस्य-तांग, उपयोग के दौरान कुंठित और टूटने दोनों को रोकने के लिए मिश्र धातुओं का संयोजन किया गया।[16]
अमलगम्स
पारा (तत्व) सिंगरिफ से हजारों वर्षों से गल रहा है। पारा कई धातुओं को घोलता है, जैसे सोना, चांदी और टिन, अमलगम (रसायन विज्ञान) (एक नरम पेस्ट में एक मिश्र धातु या परिवेश के तापमान पर तरल रूप में) बनाने के लिए। अमलगम का उपयोग चीन में 200 ईसा पूर्व से कीमती धातुओं के साथ कवच और दर्पण जैसी वस्तुओं को सोने के लिए किया जाता रहा है। प्राचीन रोमन अक्सर अपने कवच को सोने के लिए पारा-टिन अमलगम का इस्तेमाल करते थे। अमलगम को पेस्ट के रूप में लगाया जाता था और तब तक गर्म किया जाता था जब तक कि पारा वाष्पीकृत न हो जाए, जिससे सोना, चांदी या टिन पीछे रह जाए।[17] अपने अयस्कों से सोना और चांदी जैसी कीमती धातुओं को निकालने के लिए पारा का उपयोग अक्सर खनन में किया जाता था।[18]
कीमती धातुएं
कई प्राचीन सभ्यताओं ने विशुद्ध रूप से सौंदर्य प्रयोजनों के लिए धातुओं को मिश्रित किया। प्राचीन मिस्र और माइसीने में, सोने को अक्सर तांबे के साथ मिश्रित किया जाता था ताकि लाल-सोना, या लोहे को उज्ज्वल बरगंडी-सोने का उत्पादन किया जा सके। विभिन्न प्रकार के रंगीन सोने का उत्पादन करने के लिए सोने को अक्सर चांदी या अन्य धातुओं के साथ मिश्रित पाया जाता था। अधिक व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए इन धातुओं का उपयोग एक दूसरे को मजबूत करने के लिए भी किया जाता था। वास्तविक चांदी बनाने के लिए तांबे को अक्सर चांदी में जोड़ा जाता था, जिससे व्यंजन, चांदी के बर्तन और अन्य व्यावहारिक वस्तुओं में उपयोग के लिए इसकी ताकत बढ़ जाती थी। अक्सर, खरीदारों को धोखा देने के साधन के रूप में कीमती धातुओं को कम मूल्यवान पदार्थों के साथ मिश्रित किया जाता था।[19] लगभग 250 ईसा पूर्व, आर्किमिडीज को सिरैक्यूज़, सिसिली के राजा द्वारा एक मुकुट में सोने की शुद्धता की जांच करने का एक तरीका खोजने के लिए कमीशन किया गया था, जिससे "यूरेका!" के प्रसिद्ध स्नान-घर के नारे लगे आर्किमिडीज के सिद्धांत की खोज पर।[20]
कांसा
कांसा शब्द में मुख्य रूप से टिन से बने विभिन्न प्रकार के मिश्र धातु शामिल हैं। शुद्ध धातु के रूप में, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए उपयोग करने के लिए टिन बहुत नरम है। हालांकि, कांस्य युग के दौरान, यूरोप और भूमध्य सागर के कई हिस्सों में टिन एक दुर्लभ धातु थी, इसलिए इसे अक्सर सोने से अधिक मूल्यवान माना जाता था। टिन से आभूषण, कटलरी या अन्य वस्तुएं बनाने के लिए, श्रमिक सामान्य: ताकत और कठोरता बढ़ाने के लिए इसे अन्य धातुओं के साथ मिलाते हैं। ये धातुएं सामान्य: सीसा, सुरमा , विस्मुट या तांबा थीं। इन विलेय को कभी-कभी अलग-अलग मात्रा में अलग-अलग जोड़ा जाता था, या एक साथ जोड़ा जाता था, जिससे कई प्रकार की वस्तुएं बनती थीं, जिसमें व्यंजन, सर्जिकल उपकरण, कैंडलस्टिक्स या फ़नल जैसी व्यावहारिक वस्तुओं से लेकर कान के छल्ले और हेयर क्लिप जैसे सजावटी सामान शामिल थे।
कांसा का सबसे पहला उदाहरण प्राचीन मिस्र से मिलता है, लगभग 1450 ईसा पूर्व फ्रांस से नॉर्वे और ब्रिटेन (जहाँ अधिकांश प्राचीन टिन का खनन किया गया था) से लेकर निकट पूर्व तक, पूरे यूरोप में पारितोषिक का उपयोग व्यापक था।[21] मिश्र धातु का उपयोग चीन और सुदूर पूर्व में भी किया गया था, जो लगभग 800 ईस्वी. जापान में पहुंचा था, जहां इसका उपयोग औपचारिक जहाजों, चाय के कनस्तरों, या शिंटो मंदिरों में इस्तेमाल की जाने वाली वस्तुओं को बनाने के लिए किया जाता था।[22]
लोहा
लोहे की पहली ज्ञात गलाने की शुरुआत लगभग 1800 ईसा पूर्व अनातोलिया में हुई थी। ब्लूमरी प्रक्रिया कहा जाता है, यह बहुत नरम लेकिन नमनीय लोहे का उत्पादन करता है। 800 ईसा पूर्व तक, लोहा बनाने की तकनीक यूरोप में फैल गई थी, जापान में लगभग 700 ईस्वी तक पहुंच गई थी। पिग आयरन, लोहे और कार्बन का बहुत ही कठोर लेकिन भंगुर मिश्र धातु, चीन में 1200 ईसा पूर्व के रूप में उत्पादित किया जा रहा था, लेकिन मध्य युग तक यूरोप में नहीं आया। पिग आयरन में लोहे की तुलना में कम गलनांक होता है, और इसका उपयोग कच्चा लोहा बनाने के लिए किया जाता था। हालांकि, 300 ईसा पूर्व के आसपास क्रूसिबल स्टील की शुरूआत तक इन धातुओं का बहुत कम व्यावहारिक उपयोग हुआ। ये स्टील्स खराब गुणवत्ता के थे, और पहली शताब्दी ईस्वी के आसपास पैटर्न वेल्डिंग की शुरूआत ने मिश्र धातुओं के चरम गुणों को लैमिनेट करके संतुलित करने की मांग की, ताकि सख्त धातु बनाई जा सके। लगभग 700 ईस्वी में, जापानियों ने अपनी तलवारों की ताकत बढ़ाने के लिए ब्लूमरी-स्टील और कास्ट-आयरन को बारी-बारी से परतों में मोड़ना शुरू किया, लावा और अशुद्धियों को दूर करने के लिए क्ले फ्लक्स का उपयोग किया। जापानी तलवारबाज़ी की इस पद्धति ने प्राचीन दुनिया के सबसे शुद्ध इस्पात-मिश्र धातुओं में से एक का उत्पादन किया।[15] जबकि लोहे का उपयोग 1200 ईसा पूर्व के आसपास अधिक व्यापक होने लगा, मुख्य रूप से टिन के व्यापार मार्गों में रुकावट के कारण, धातु कांस्य की तुलना में बहुत नरम थी। हालांकि, बहुत कम मात्रा में स्टील, (लौह का मिश्र धातु और लगभग 1% कार्बन), हमेशा खिलने की प्रक्रिया का उपोत्पाद था। गर्मी उपचार द्वारा स्टील की कठोरता को संशोधित करने की क्षमता 1100 ईसा पूर्व से जानी जाती थी, और दुर्लभ सामग्री को उपकरण और हथियारों के निर्माण के लिए मूल्यवान माना जाता था। क्योंकि पूर्वज लोहे को पूरी तरह से पिघलाने के लिए पर्याप्त तापमान का उत्पादन नहीं कर सके, मध्य युग के दौरान ब्लिस्टर स्टील की शुरुआत तक अच्छी मात्रा में स्टील का उत्पादन नहीं हुआ। इस विधि ने लंबे समय तक चारकोल में गढ़ा लोहे को गर्म करके कार्बन का परिचय दिया, लेकिन इस तरह से कार्बन का अवशोषण बेहद धीमा है, इसलिए प्रवेश बहुत गहरा नहीं था, इसलिए मिश्र धातु सजातीय नहीं थी। 1740 में, बेंजामिन हंट्समैन ने कार्बन सामग्री को बाहर निकालने के लिए एक क्रूसिबल में ब्लिस्टर स्टील को पिघलाना शुरू किया, जिससे टूल स्टील के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए पहली प्रक्रिया तैयार हुई। आखेटक की प्रक्रिया का उपयोग उपकरण स्टील के निर्माण के लिए 1900 की शुरुआत तक किया जाता था।[23]
मध्य युग में यूरोप में ब्लास्ट फर्नेस की शुरुआत का मतलब था कि लोग गढ़ा लोहे की तुलना में बहुत अधिक मात्रा में कच्चा लोहा का उत्पादन कर सकते थे। चूंकि कच्चा लोहा को पिघलाया जा सकता था, इसलिए लोगों ने स्टील बनाने के लिए तरल पिग आयरन में कार्बन को कम करने के लिए प्रक्रियाएं विकसित करना शुरू कर दिया। पहली शताब्दी से चीन में पुडलिंग (धातु विज्ञान) का उपयोग किया गया था, और 1700 के दशक के दौरान यूरोप में पेश किया गया था, जहां पिघला हुआ पिग आयरन हवा के संपर्क में आने पर ऑक्सीकरण द्वारा कार्बन को हटाने के लिए उभारा गया था। 1858 में, हेनरी बेसेमर ने कार्बन सामग्री को कम करने के लिए तरल पिग आयरन के माध्यम से गर्म हवा उड़ाकर स्टील बनाने की प्रक्रिया विकसित की। बेसेमर प्रक्रिया ने स्टील के पहले बड़े पैमाने पर निर्माण का नेतृत्व किया।[23]
स्टील लोहे और कार्बन का मिश्र धातु है, लेकिन मिश्र धातु इस्पात शब्द सामान्य: केवल उन स्टील्स को संदर्भित करता है जिनमें अन्य तत्व होते हैं- जैसे वैनेडियम, मोलिब्डेनम, या कोबाल्ट -आधार स्टील के गुणों को बदलने के लिए पर्याप्त मात्रा में प्राचीन काल से, जब स्टील का इस्तेमाल मुख्य रूप से औजारों और हथियारों के लिए किया जाता था, धातु के उत्पादन और काम करने के तरीकों को अक्सर गुप्त रखा जाता था। तर्क के युग के लंबे समय बाद भी, इस्पात उद्योग बहुत प्रतिस्पर्धी था और निर्माताओं ने अपनी प्रक्रियाओं को गोपनीय रखने के लिए बड़ी लंबाई के माध्यम से सामग्री का वैज्ञानिक रूप से विश्लेषण करने के किसी भी प्रयास का विरोध किया, डर के लिए यह उनके तरीकों को प्रकट करेगा। उदाहरण के लिए, इंग्लैंड में इस्पात उत्पादन के केंद्र शेफील्ड के लोग नियमित रूप से आगंतुकों और पर्यटकों को शहर में प्रवेश करने से रोकने के लिए औद्योगिक जासूसी को रोकने के लिए जाने जाते थे। इस प्रकार, 1860 तक स्टील के बारे में लगभग कोई धातुकर्म जानकारी मौजूद नहीं थी। समझ की इस कमी के कारण, 1930 और 1970 के बीच के दशकों तक स्टील को सामान्य: मिश्र धातु नहीं माना जाता था (मुख्य रूप से विलियम चांडलर रॉबर्ट्स-ऑस्टेन , एडॉल्फ मार्टेंस जैसे वैज्ञानिकों के काम के कारण) , और एडगर बैन ), इसलिए "मिश्र धातु इस्पात" टर्नरी और चतुर्धातुक इस्पात-मिश्र धातुओं के लिए लोकप्रिय शब्द बन गया।[24][25] 1740 में बेंजामिन हंट्समैन द्वारा अपने क्रूसिबल स्टील को विकसित करने के बाद, उन्होंने मैंगनीज (एक उच्च-मैंगनीज पिग-आयरन के रूप में जिसे दर्पण लोहा कहा जाता है) जैसे तत्वों को जोड़ने के साथ प्रयोग करना शुरू किया, जिससे फॉस्फोरस और ऑक्सीजन जैसी अशुद्धियों को दूर करने में मदद मिली; बेसेमर द्वारा अपनाई गई एक प्रक्रिया और अभी भी आधुनिक स्टील्स में उपयोग की जाती है (यद्यपि सांद्रता में अभी भी कार्बन स्टील माना जाता है)।[26] बाद में, कई लोगों ने बिना अधिक सफलता के स्टील के विभिन्न मिश्र धातुओं के साथ प्रयोग करना शुरू कर दिया। हालांकि, 1882 में, रॉबर्ट हैडफ़ील्ड , स्टील धातु विज्ञान में अग्रणी होने के नाते, रुचि ली और लगभग 12% मैंगनीज युक्त स्टील मिश्र धातु का उत्पादन किया। मंगलोय कहा जाता है, इसने अत्यधिक कठोरता और क्रूरता का प्रदर्शन किया, यह पहला व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य मिश्र धातु-इस्पात बन गया।[27] बाद में, उन्होंने स्टील के अन्य संभावित मिश्र धातुओं की खोज शुरू करते हुए सिलिकॉन स्टील बनाया।[28] रॉबर्ट फॉरेस्टर मुशेत ने पाया कि स्टील में टंगस्टन मिलाने से यह एक बहुत कठोर धार पैदा कर सकता है जो उच्च तापमान पर इसकी कठोरता को खोने का विरोध करेगा। आर. मुशेत का विशेष स्टील (आरएमएस) पहला हाई-स्पीड स्टील बन गया।[29] मुशेट के स्टील को जल्दी से टंगस्टन कार्बाइड स्टील से बदल दिया गया, जिसे टेलर और व्हाइट द्वारा 1900 में विकसित किया गया था, जिसमें उन्होंने टंगस्टन सामग्री को दोगुना कर दिया और थोड़ी मात्रा में क्रोमियम और वैनेडियम जोड़ा, जिससे खराद और मशीनिंग टूल में उपयोग के लिए एक बेहतर स्टील का उत्पादन हुआ। 1903 में, राइट भाइयों ने अपने हवाई जहाज के इंजन के लिए क्रैंकशाफ्ट बनाने के लिए क्रोमियम-निकल स्टील का इस्तेमाल किया, जबकि 1908 में हेनरी फ़ोर्ड ने अपने मॉडल टी फोर्ड में क्रैंकशाफ्ट और वाल्व जैसे भागों के लिए वैनेडियम स्टील्स का उपयोग करना शुरू किया, क्योंकि उनकी उच्च शक्ति और प्रतिरोध के कारण उच्च तापमान।[30] 1912 में, जर्मनी में क्रुप आयरनवर्क्स ने 21% क्रोमियम और 7% निकल मिलाकर जंग प्रतिरोधी स्टील विकसित किया, जिससे पहला स्टेनलेस स्टील तैयार हुआ।[31]
अन्य
उनकी उच्च प्रतिक्रियाशीलता के कारण, 19 वीं शताब्दी तक अधिकांश धातुओं की खोज नहीं की गई थी। हम्फ्री डेवी ने 1807 में इलेक्ट्रिक आर्क का उपयोग करके बाक्साइट से एल्यूमीनियम निकालने की एक विधि प्रस्तावित की थी। हालांकि उनके प्रयास असफल रहे, 1855 तक शुद्ध एल्युमीनियम की पहली बिक्री बाजार में पहुंच गई। हालांकि, चूंकि निष्कर्षण धातु विज्ञान अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में था, अधिकांश एल्यूमीनियम निष्कर्षण-प्रक्रियाओं ने अयस्क में पाए जाने वाले अन्य तत्वों से दूषित अनपेक्षित मिश्र धातुओं का उत्पादन किया; जिनमें से सबसे प्रचुर मात्रा में तांबा था। ये एल्युमीनियम-तांबा मिश्र (उस समय एल्युमिनियम कांस्य कहा जाता था) शुद्ध एल्युमीनियम से पहले थे, जो नरम, शुद्ध धातु पर अधिक ताकत और कठोरता प्रदान करते थे, और कुछ हद तक गर्मी उपचार योग्य पाए गए थे।[32] हालांकि, उनकी कोमलता और सीमित कठोरता के कारण इन मिश्र धातुओं को थोड़ा व्यावहारिक उपयोग मिला, और एक नवीनता के अधिक थे, जब तक राइट भाइयों ने 1 9 03 में पहला हवाई जहाज इंजन बनाने के लिए एल्यूमीनियम मिश्र धातु का इस्तेमाल नहीं किया।[30]1865 और 1910 के बीच के समय में, क्रोमियम, वैनेडियम, टंगस्टन, इरिडियम , कोबाल्ट और मोलिब्डेनम जैसी कई अन्य धातुओं को निकालने की प्रक्रियाओं की खोज की गई और विभिन्न मिश्र धातुओं का विकास किया गया।[33] 1910 से पहले, अनुसंधान में मुख्य रूप से निजी व्यक्ति शामिल थे जो अपनी प्रयोगशालाओं में छेड़छाड़ करते थे। हालाँकि, जैसे-जैसे विमान और मोटर वाहन उद्योग बढ़ने लगे, 1910 के बाद के वर्षों में मिश्र धातुओं में अनुसंधान एक औद्योगिक प्रयास बन गया, क्योंकि कारों में पिस्टन और मिश्र धातु के पहिये के लिए नए मैग्नीशियम मिश्र धातु विकसित किए गए, और लीवर और नॉब्स के लिए पॉट धातु, और एल्यूमीनियम मिश्र धातु विकसित हुई। एयरफ़्रेम और विमान की खाल के लिए उपयोग में लाया गया।[30]
यह भी देखें
संदर्भ
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ग्रन्थसूची
- Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Iron and steel in ancient times. Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN 978-87-7304-308-0.
बाहरी संबंध
- Roberts-Austen, William Chandler; Neville, Francis Henry (1911). . Encyclopædia Britannica (in English) (11th ed.).
- . The American Cyclopædia. 1879.
