2.4) Mechanical Properties of Metals / धातूचे यांत्रिक गुणधर्म

General Mechanical properties of metals / धातू चे साधारण यांत्रिक गुणधर्म

मागील भागात आपण धातूचे भौतिक गुणधर्म पहिले. वेगवेगळ्या मुलद्रव्यामध्ये ध्वनी, अणू, रासायनिक, भौतिक, चुंबकीय, विद्युत चुंबकीय,  यांत्रिक असे विविध गुणधर्म असतात ह्यातील धातूच्या अंगी असलेल्या यांत्रिक गुणधर्माचा उपयोग करून मानवाने उत्क्रांती घडवून आणली आहे. ह्याच गुणधर्मामुळे आपण विविध यंत्र, साधने, वस्तू, दागिने, इत्यादी बनवू शकतो. ह्या भागात धातूच्या यांत्रिक गुणधर्मांची माहिती घेऊ या!

        यांत्रिक गुणधर्म म्हणजे काय? (What are the Mechanical properties?)

द्रव्य किंवा पदार्थच्या वास्तविक उपयोग करतांना त्याचे सामर्थ्य किंवा विशिष्ट परिस्थितीतील त्याचे वर्तन म्हणजे त्याच्या अंगी असलेले “यांत्रिक गुणधर्म” असतात.  धातूच्या यांत्रिक गुणांवरून त्यांची उपयोगिता ठरत असते.

उदा. एका विशिष्ठ धातूच्या पत्र्यावर, एका ठराविक वजनाचा आघात, ठराविक वेगाने सतत केला असता तो पत्रा फाटण्यापर्यंतचे वर्तन (Behavior) आणि क्षमता (Capacity) म्हणजे त्याचा ‘यांत्रिक गुण’.

धातू चे साधारण यांत्रिक  गुणधर्म (General mechanical properties of metals)

सामर्थ्य (strength): वेगवेगळ्या प्रकारचे बळ, दबाव, आघात, ताण सहन करण्याची धातू ची शक्ती म्हणजेच त्याचे सामर्थ्य.  धातुवार पडणाऱ्या बळाच्या अनुषंगाने तन्यता, कर्तन, दबाव, इत्यादी प्रकारचे दबाव सहन करण्याचे त्याचे वैशिष्ट्य गणले जाते.

तन्यता सामर्थ्य (Ductility / Tensile strength):

एखाद्या वस्तूवर येणारा तणाव, वाक किंवा पीळ सहन करण्याची क्षमता म्हणजे तन्यता सामर्थ्य.

उदा.  चांदीच्या पट्टीला दोन बाजूंनी ताण दिला तर ती खेचली जाईल आणि तिची लांबी वाढेल, पितळेची पट्टी तुटेल, परंतु पोलादची पट्टी बराच ताण सहन करेल. ह्या धातूच्या गुणाचा उपयोग करून दागिन्यांसाठी सोने व चांदीच्या तारा, तर वजन उचलणाऱ्या क्रेन ला पोलादी तारा वापरण्यात येतात.

सोने हा सर्वात तन्य धातू आहे. १ ग्रॅम सोन्याची जवळ जवळ ३.५ किलोमीटर तार खेचता येऊ शकते.

कर्तन सामर्थ्य (Shear Strength):

धातूपृष्ठावर दोन्ही पातळ्यांवर, एका सरळ रेषेत, परंतु विरुद्ध बाजूने व विरुद्ध दिशेने येणारा दाब सहन करण्याची किवा त्याचा प्रतिकार करण्याची क्षमता म्हणजे त्याची कर्तन क्षमता.

उदा. धातूच्या पत्र्यावर एका सरळ रेषेच्या, दोन विरुद्ध बाजूंनी व विरुद्ध दिशेने दबाव टाकला असता तेथे कापण्याची क्रिया घडते (ह्या पद्धतीचा वापर करून आपण कात्रीने कागद कापतो). ह्या क्रियेत काही मऊ धातू व्यवस्तीत सरळ रेषेत कापले जातात, तर ठिसूळ धातू तुटतात, तर काही हा भार सहन करतात. 

श्रांती / थकवा सामर्थ्य (Fatigue strength):

दोन विरुद्ध बाजूंनी असलेला प्रचंड दाबाव किंवा ताण सहन करत कुठल्याही खराबी (damage) शिवाय काम करण्याची यंत्राची क्षमता म्हणजे श्रांत सामर्थ्य.

उदा. लिफ्ट, विमानाचा पंखा, क्रेन यासारख्या यंत्राच्या एखाद्या भागावर प्रचंड वजन असतांनाही कुठल्याही खराबी अथवा क्षति शिवाय कार्य करण्याची शाफ्ट ची क्षमता. ही क्षमता यंत्राच्या सूक्ष्म रचना, पृष्ठभागाची स्थिती, वातावरण व कार्य ह्यामुळे प्रभावित होत असते.

दबाव सामर्थ्य (Compressive strength) किंवा काठीण्य / कडकपणा (Hardness):

बाह्य दबावाला / वजनाला सहन करण्याची धातूची क्षमता म्हणजे त्याचे संपीडन अथवा दबाव सामर्थ्य.

उदा. दाब-साचा (Die-Press) च्या साच्याला प्रचंड दबावाने काम करावे लागत असूनही साच्याला कोणतीही हानी न होता उत्पादन सुरु असते, विमानाच्या बाह्य भागावर वातावारानाचा प्रचंड दबाव असतांनाही त्याची रचना बिघडत नाही. गॅस सिलेंडर मध्ये आतून दबाव असतांनाही तो आपला आकार बदलत नाही.

ठिसूळपणा (Brittleness):  

एखाद्या धातूवर क्षमतेपेक्षा जास्त ताण अथवा दाब पडला असता, धातू आपला आकार बदलत नाही तर तुटून जातो, ह्या गुणधर्मास धातूचा ठिसूळपणा म्हटले जाते. ठिसूळ धातू हे दबाव सहन करतात पण ताण सहन करत नाहीत.

उदा. बीड धातूचे (White Cast Iron) ओतकाम केलेले भाग,

प्रत्यास्थाता / स्थितीस्थापकता  (Elasticity):

प्रत्येक धातूला विशिष्ट अशी स्वतःची लवचिकता असते, त्यामुळे धातुवार बाह्य दाब किंवा प्रहार केल्यावर तो क्षमतेपर्यंत आपला आकार बदलतो. परंतु पुन्हा आपल्या पूर्वस्थितीत येतो.

धातूची लवचिकता आणि दबाव ह्यावर धातूचे पूर्वस्थितीत येणे किंवा आकार बदलणे अवलंबून असते.

ह्या क्षमतेचा उपयोगाने स्प्रिंग, गाड्यांचे shock absorber, इत्यादी प्रकारातील यांत्रिक साधने बनवण्यासाठी केला जातो. पोलाद (Steel) हा सर्वाधिक स्थितीस्थापकता असलेला धातू आहे.

आकार्यता, घडण सुलभता (Plasticity) आणि वर्धनियता (Malleability):

धातू पत्र्यावर दाब दिला असता अथवा आघात केला असता त्याचा आकार बदलतो किंवा धातू पसरतो ह्या गुणधर्माला घडण सुलभता / वर्धानियाता म्हणतात. जवळपास सर्वच धातू हे वर्धनीय व लवचिक आहेत; त्यांना ठोकून पसरवता येते, असे करत असतांना ते तुटत नाहीत.

‘सोने’ हा सर्वात जास्त वर्धानीय धातू आहे. त्याचा ३१.१ ग्रॅममध्ये १/१२००० मी.मी. पर्यंत पातळ पत्रा काढता येतो.  धातू कलेत उत्थित काम (Repousse / Embossing) करतांना, तसेच दाब-साचा (Die-Press) पद्धतीने उत्पादन करतांना ह्या गुणधर्माचा विशेष फायदा होतो.

अपवाद. खालील धातू हे ठिसूळ आहेत.

क्रोमियम Chromium (Cr), मॅंगनीज Manganese (Mg), गॅलियम Gallium(Ga), रुथेनियम Ruthenium (Ru), टंगस्टन Tungsten (W), ओस्मियम Osmium (Os), बिस्मथ Bismuth (Bi)

Mechanical Properties of Metals/Alloys

Toughness	Brittleness	Ductility	Malleability	Corrosion Resistance
Copper	White Cast Iron	Gold	Gold	Gold
Nickel	Gray Cast Iron	Silver	Silver	Platinum
Iron	Hardened Steel	Platinum	Aluminium	Silver
Magnesium	Bismuth	Iron	Copper	Mercury
Zinc	Manganese	Nickel	Tin	Copper
Aluminium	Bronzes	Copper	Lead	Lead
Lead	Aluminium	Aluminium	Zinc	Tin
Tin	Brass	Tungsten	Iron	Nickel
Cobalt	Structural Steel	Zinc		Iron
Bismuth	Zinc	Tin		Zinc
	Monel	Lead		Magnesium
	Steel			Aluminium
	Copper
	Iron

*Arranged in descending order

Image by Peter H from Pixabay