లోహశాస్త్రం

This article is about లోహాల విజ్ఞాన శాస్త్రం మరియు సాంకేతికత గురించి. For చేతితో లోహపు పనులు చేయడం గురించి, see Metalworking.

లోహశాస్త్రం (Metallurgy) అనేది పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రం (మెటీరియల్స్ సైన్స్), ఇంజనీరింగ్‌లో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. లోహ మూలకాలు (Metal elements) ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అనే అంశంపై ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. లోహాలను ఇతర పదార్థాలతో కలిపినప్పుడు అవి ఎలా మారుతాయో కూడా ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ఇలా లోహాలను వేరే వాటితో కలిపి తయారు చేసిన మిశ్రమాలను మిశ్రమ లోహాలు (అల్లాయ్స్) అంటారు. లోహశాస్త్రంలో లోహాల గురించిన విజ్ఞానమే కాకుండా, యంత్రాలు, కార్లు, రకరకాల పనిముట్ల కోసం లోహపు భాగాలను తయారు చేసే సాంకేతికత కూడా ఉంటుంది.

లోహశాస్త్రం అనేది లోహపు పనుల (మెటల్ వర్కింగ్) కంటే భిన్నమైనది. లోహపు పనులు అంటే చేతితో లేదా కొన్ని చిన్న రకపు పనిముట్లతో లోహాలకు ఒక ఆకారాన్ని ఇచ్చే ఒక వృత్తి లేదా కళ. అయితే, లోహశాస్త్రం ఆ కళకు కావలసిన సైన్స్ లేదా విజ్ఞానాన్ని అందిస్తుంది. ఇది ఏ విధంగా ఉంటుందంటే, వైద్య శాస్త్రం చదువుకున్న వారు డాక్టర్లుగా తమ పనిని ఎలా బాగా చేస్తారో, అలాగే లోహశాస్త్రం తెలిసిన వారు లోహపు పనులను శాస్త్రీయంగా చేస్తారు. లోహశాస్త్రంలో పనిచేసే వ్యక్తిని మెటలర్జిస్ట్ (Metallurgist) అని పిలుస్తారు.

లోహశాస్త్ర అధ్యయనంలో ప్రధానంగా రెండు భాగాలు ఉంటాయి: రసాయన లోహశాస్త్రం మరియు భౌతిక లోహశాస్త్రం. రసాయన లోహశాస్త్రం అనేది లోహాలు ఇతర రసాయనాలతో ఎలా విరుద్ధంగా పనిచేస్తాయి లేదా కలుస్తాయి అనే అంశాన్ని చూస్తుంది. ఇందులో రాళ్ల (ఖనిజాలు లేదా ores) నుండి లోహాన్ని ఎలా వేరు చేయాలి, లోహాలకు తుప్పు (Rust) పట్టకుండా ఎలా ఆపాలి అనే విషయాలు ఉంటాయి. భౌతిక లోహశాస్త్రం అనేది లోహం ఎంత బలంగా ఉంది, దాని లోపలి భాగాలు ఎలా అమర్చబడి ఉన్నాయి అనే విషయాలను చూస్తుంది. ఇందులో స్ఫటిక నిర్మాణం (క్రిస్టలోగ్రఫీ) గురించి, లోహపు భాగాలు కొన్నిసార్లు ఎందుకు విరిగిపోతాయి అనే కారణాల గురించి అధ్యయనం చేస్తారు.

చరిత్ర

Bulgaria లోని Varna Necropolis లో దొరికిన పురాతన బంగారు వస్తువులు.

ప్రాచీన మధ్యప్రాచ్యంలో లోహాల తవ్వకాల మ్యాప్. ఇక్కడ ప్రజలు రాగి, తగరం, ఇనుము ఎక్కడ కనుగొన్నారో ఇది చూపిస్తుంది.

మనుషులు చాలా కాలం క్రితం నుండే లోహాలను వాడుతున్నారు. మానవుడు మొదటగా వాడిన లోహం బహుశా బంగారం అయి ఉండవచ్చు. బంగారం అనేది ఒక సహజ సిద్ధమైన లోహం. అంటే ఇది ప్రకృతిలో స్వచ్ఛమైన రూపంలో దొరుకుతుంది. దీనిని పొందడానికి మనుషులు రాళ్లను కరిగించాల్సిన అవసరం లేదు. స్పెయిన్‌లోని కొన్ని గుహలలో క్రీస్తు పూర్వం (BCE) 40,000 సంవత్సరాల నాటి చిన్న బంగారు ముక్కలు దొరికాయి. ప్రజలు వెండి, రాగి మరియు అంతరిక్షం నుండి పడిన ఉల్కాపాతపు ఇనుమును కూడా అప్పట్లోనే కనుగొన్నారు.

స్మెల్టింగ్ (కరిగించడం) ప్రారంభం

తర్వాతి కాలంలో, మనుషులు స్మెల్టింగ్ అనే పద్ధతిని నేర్చుకున్నారు. ఇది రాళ్లను మంటలో వేడి చేయడం ద్వారా వాటి లోపల ఉన్న లోహాన్ని బయటకు తీసే పద్ధతి. స్మెల్టింగ్ జరిగినట్లు అత్యంత పాత ఆధారాలు బాల్కన్స్ మరియు కార్పాతియన్ పర్వతాల ప్రాంతంలో దొరికాయి. ఇది క్రీస్తు పూర్వం 6,200 నుండి 5,000 సంవత్సరాల మధ్య జరిగింది. దీనితో రాగి యుగం (Copper Age) మొదలైంది. రాగి, తగరం, సీసం వంటి లోహాలు త్వరగా కరుగుతాయి. వీటిని కరిగించడానికి చాలా ఎక్కువ వేడి అవసరం లేదు.

సెర్బియాలో పురావస్తు శాస్త్రవేత్తలు క్రీస్తు పూర్వం 5,500 నాటి ఒక రాగి గొడ్డలిని కనుగొన్నారు. ఇది వించా సంస్కృతికి చెందినది. బల్గేరియాలోని Varna Necropolis లో ప్రపంచంలోనే అత్యంత పురాతనమైన బంగారు నిధి ఉంది. ఇది దాదాపు క్రీస్తు పూర్వం 4,600 సంవత్సరాల నాటిది.

కంచు మరియు ఇనుప యుగాలు

క్రీస్తు పూర్వం 3,500 ప్రాంతంలో, మధ్యప్రాచ్యంలోని ప్రజలు రాగిని తగరంతో కలిపితే మరింత బలమైన లోహం వస్తుందని కనుగొన్నారు. ఈ కొత్త లోహాన్ని కంచు (బ్రాంజ్) అని పిలుస్తారు. ఈ ఆవిష్కరణతో కంచు యుగం మొదలైంది. స్వచ్ఛమైన రాగి కంటే కత్తులు, ఇతర పనిముట్లు తయారు చేయడానికి కంచు చాలా మెరుగ్గా ఉండేది.

రాళ్ల నుండి ఇనుమును తీయడం రాగి కంటే చాలా కష్టమైన పని. ఇనుము కరగడానికి చాలా ఎక్కువ వేడి కావాలి. హిట్టియైట్స్ అనే ప్రజలు క్రీస్తు పూర్వం 1,200 ప్రాంతంలో దీనిని ఎలా చేయాలో నేర్చుకున్నారు. దీనితో ఇనుప యుగం మొదలైంది. కంచు కంటే ఇనుము చౌకగా ఉండేది మరియు ఎక్కువగా దొరికేది. దీనివల్ల సైన్యాలకు ఎక్కువ ఆయుధాలు, రైతులకు మెరుగైన నాగళ్లు వంటి పనిముట్లు లభించాయి.

ప్రాచీన భారతదేశంలో ప్రజలు ఉక్కు (Steel) తయారు చేయడంలో చాలా ప్రావీణ్యం సంపాదించారు. వుట్జ్ స్టీల్ తయారు చేసే విధానం క్రీస్తు పూర్వం 300 నాటికే మొదలైంది. దక్షిణ భారతదేశంలో వారు అత్యంత నాణ్యమైన ఉక్కును తయారు చేసేవారు. రోమన్ సామ్రాజ్యంలో ఈ ఉక్కుకు చాలా పేరు ఉండేది. ఐరోపాలో దీనిని డమాస్కస్ స్టీల్ అని పిలిచేవారు, ఎందుకంటే ఇది చాలా బలంగా ఉండేది మరియు దాని పైన అందమైన అలల వంటి గుర్తులు ఉండేవి.

భూమి నుండి లోహాన్ని తీయడం

1. REDIRECT साँचा:मुख्य

చైనాలో మంటలోకి గాలిని ఊదడానికి నీటి చక్రాలను ఉపయోగిస్తున్న ఒక పాత చిత్రం.

ఎక్స్‌ట్రాక్టివ్ మెటలర్జీ అనేది ఒక ఖనిజం (Ore) నుండి విలువైన లోహాన్ని బయటకు తీసే పని. ఖనిజం అంటే లోహం కలిసి ఉన్న ఒక రకమైన రాయి. లోహాన్ని పొందడానికి, ఆ రాయిని మార్చాల్సి ఉంటుంది. దీనిని వేడి చేయడం ద్వారా గానీ, రసాయనాలు కలపడం ద్వారా గానీ లేదా విద్యుత్తును ఉపయోగించి గానీ చేయవచ్చు.

ఈ ప్రక్రియలో మూడు ప్రధాన భాగాలు ఉంటాయి:

ఫీడ్ (Feed): ఇది గనుల నుండి వచ్చే ముడి రాయి లేదా ఖనిజం. కాన్సంట్రేట్ (Concentrate): ఇది రాయిలో లోహం ఉన్న భాగం. ముందుగా వ్యర్థాలను తొలగించి దీనిని వేరు చేస్తారు. టెయిలింగ్స్ (Tailings): ఇది లోహాన్ని తీసేయగా మిగిలిపోయిన పనికిరాని వ్యర్థ పదార్థం.

గనుల నుండి తవ్వి తీసిన తర్వాత, పెద్ద పెద్ద రాళ్లను చిన్న ముక్కలుగా పొడి చేస్తారు. ఇలా చేయడం వల్ల వ్యర్థ రాయి నుండి లోహాన్ని విడదీయడం సులభం అవుతుంది. కొన్నిసార్లు, రాయి నుండి లోహాన్ని కరిగించి తీయడానికి రసాయనాలను ఉపయోగిస్తారు. దీనిని లీచింగ్ అని పిలుస్తారు. ఆ తర్వాత ఆ ద్రవాన్ని సేకరించి, దాని నుండి లోహాన్ని వేరు చేస్తారు.

లోహాలు మరియు మిశ్రమ లోహాలు

1. REDIRECT साँचा:मुख्य

ఇనుము ప్రపంచంలో అత్యంత ముఖ్యమైన లోహం. దీనిని ఉక్కు తయారు చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.

మనం ప్రతిరోజూ వాడే చాలా లోహాలు స్వచ్ఛమైనవి కావు. అవి మిశ్రమ లోహాలు. ఒక లోహాన్ని ఇతర మూలకాలతో కలిపినప్పుడు మిశ్రమ లోహం ఏర్పడుతుంది. ఇలా చేయడం వల్ల ఆ లోహం మనం చేసే పనికి మరింత అనుకూలంగా మారుతుంది. లోహాలన్నింటిలో ఇనుము-కార్బన్ కలిసిన వ్యవస్థ చాలా ముఖ్యమైనది. ఇందులో ఉక్కు (స్టీల్) మరియు పోత ఇనుము (కాస్ట్ ఐరన్) ఉంటాయి.

కార్బన్ స్టీల్ (Carbon steel): ఇది ఇనుము మరియు కొద్దిగా కార్బన్ కలిసిన మిశ్రమం. ఇది చౌకగా ఉంటుంది మరియు చాలా బలంగా ఉంటుంది. దీనిని వంతెనలు, పెద్ద భవనాలు నిర్మించడానికి వాడతారు. స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ (Stainless steel): ఇది ఇనుము మరియు క్రోమియం కలిసిన మిశ్రమం. దీనికి అస్సలు తుప్పు పట్టదు. అందుకే దీనిని వంటగది సామాన్లు, వైద్య పరికరాలు తయారు చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. అల్యూమినియం మిశ్రమాలు (Aluminium alloys): ఇవి చాలా తేలికగా మరియు బలంగా ఉంటాయి. విమానాలు, కార్ల భాగాలను తయారు చేయడానికి వీటిని వాడతారు. రాగి మిశ్రమాలు (Copper alloys): వీటిలో ఇత్తడి (బ్రాస్) మరియు కంచు (బ్రాంజ్) ఉంటాయి. వీటిని విద్యుత్ తీగలు, విగ్రహాల తయారీలో ఉపయోగిస్తారు. సూపర్ అల్లాయ్స్ (Superalloys): ఇవి చాలా ఎక్కువ వేడిలో కూడా బలంగా ఉండే ప్రత్యేక లోహాలు. వీటిని జెట్ ఇంజన్లలో వాడతారు.

లోహపు వస్తువులను తయారు చేసే విధానం

వస్తువుల తయారీలో (మ్యానుఫ్యాక్చరింగ్) లోహశాస్త్రం చాలా ముఖ్యమైనది. ఒక లోహపు ముక్కను మనకు కావలసిన వస్తువుగా మార్చడానికి చాలా పద్ధతులు ఉన్నాయి.

లోహపు పనుల ప్రక్రియలు

1. REDIRECT साँचा:मुख्य

వేడిగా ఉన్న లోహపు ముక్కను ఒక పెద్ద యంత్రం సుత్తితో కొడుతోంది. దీనిని ఫోర్జింగ్ అంటారు.

కాస్టింగ్ (పోత పోయడం): కరిగిన లోహాన్ని ఒక అచ్చులో పోస్తారు. ఆ లోహం చల్లబడినప్పుడు గట్టిపడి అచ్చు ఆకారాన్ని తీసుకుంటుంది. ఫోర్జింగ్: వేడిగా ఉన్న లోహపు ముక్కను పెద్ద సుత్తితో కొట్టి దాని ఆకారాన్ని మారుస్తారు. ఇలా చేయడం వల్ల లోహం చాలా బలంగా తయారవుతుంది. రోలింగ్: లోహాన్ని పెద్ద పెద్ద రోలర్ల మధ్య నుండి పంపి పలకలాగా మారుస్తారు. లోహపు షీట్లు ఇలాగే తయారవుతాయి. ఎక్స్‌ట్రూజన్: వేడి లోహాన్ని ఒక చిన్న రంధ్రం గుండా ఒత్తిడితో నెట్టి గొట్టాలు లేదా రాడ్ల వంటి పొడవాటి ఆకారాలను తయారు చేస్తారు. 3D ప్రింటింగ్: ఆధునిక యంత్రాలు లేజర్ కిరణాలను ఉపయోగించి లోహపు పొడిని కరిగించి, పొరలు పొరలుగా క్లిష్టమైన ఆకారాలను తయారు చేస్తాయి.

ఉష్ణ చికిత్స (Heat treatment)

లోహాలను ఒక ప్రత్యేక పద్ధతిలో వేడి చేయడం మరియు చల్లబరచడం ద్వారా వాటి గుణాలను మార్చవచ్చు. దీనిని హీట్ ట్రీట్‌మెంట్ అంటారు.

అనీలింగ్: లోహాన్ని వేడి చేసి, ఆ తర్వాత చాలా నెమ్మదిగా చల్లబరచడం. దీనివల్ల లోహం మెత్తగా మారుతుంది మరియు దానిని కోయడం సులభం అవుతుంది. క్వెంచింగ్: వేడిగా ఉన్న లోహాన్ని నీటిలో లేదా నూనెలో వేసి చాలా వేగంగా చల్లబరచడం. దీనివల్ల లోహం చాలా గట్టిగా మారుతుంది. టెంపరింగ్: గట్టిపడిన లోహాన్ని మళ్లీ కొంచెం వేడి చేయడం. ఇలా చేయడం వల్ల లోహం పెళుసుగా ఉండదు, అంటే త్వరగా విరిగిపోకుండా ఉంటుంది.

లోహాల రక్షణ మరియు మెరుగుదల

లోహాలకు బయటి వాతావరణం నుండి రక్షణ అవసరం. వాటిని అలాగే వదిలేస్తే తుప్పు పట్టవచ్చు లేదా అరిగిపోవచ్చు.

ప్లేటింగ్ (Plating)

విద్యుత్తు ఒక చోటు నుండి మరో చోటుకు లోహాన్ని ఎలా మారుస్తుందో చూపే బొమ్మ.

ప్లేటింగ్ అంటే ఒక లోహం పైన మరొక లోహపు పల్చని పొరను వేయడం. ఉదాహరణకు, ఒక ఇనుప ముక్క పైన జింక్ పొరను పూస్తారు. దీనిని గాల్వనైజింగ్ అంటారు. ఇది ఇనుము తుప్పు పట్టకుండా కాపాడుతుంది. ఎలక్ట్రోప్లేటింగ్ పద్ధతిలో విద్యుత్తును ఉపయోగించి చౌకైన లోహం పైన బంగారం లేదా వెండి పొరను వేస్తారు. అప్పుడు అది ఖరీదైన వస్తువులా కనిపిస్తుంది.

షాట్ పీనింగ్ (Shot peening)

షాట్ పీనింగ్ అంటే లోహం పైన వేలకొద్దీ చిన్న చిన్న గుండ్రని బంతులతో బలంగా కొట్టడం. ఇలా చేయడం వల్ల లోహం పైభాగం మరింత బలంగా మారుతుంది. ఎక్కువ కాలం వాడినా లోహం పగుళ్లు ఇవ్వకుండా ఉండటానికి ఇది సహాయపడుతుంది.

థర్మల్ స్ప్రేయింగ్ (Thermal spraying)

థర్మల్ స్ప్రేయింగ్ పద్ధతిలో లోహాన్ని కరిగించి, ఒక రంగు (పెయింట్) లాగా ఉపరితలం పైన చల్లుతారు. ఇది వేడి లేదా అరుగుదల నుండి రక్షించే ఒక మందపాటి పొరను ఏర్పరుస్తుంది. దీనిని సాధారణంగా ఇంజన్ భాగాలపై వాడతారు.

లోహాలను పరిశీలించడం

1. REDIRECT साँचा:मुख्य

మైక్రోస్కోప్ కింద చూసినప్పుడు లోహం ఇలా కనిపిస్తుంది. వేర్వేరు ఆకారాలు లోహం ఎలా చల్లబడిందో చూపిస్తాయి.

లోహశాస్త్రవేత్తలు లోహం లోపల ఏమి జరుగుతుందో చూడాల్సి ఉంటుంది. దీని కోసం వారు మెటలోగ్రఫీ అనే విజ్ఞానాన్ని ఉపయోగిస్తారు. వారు ఒక లోహపు ముక్కను కోసి, అది అద్దంలా మెరిసే వరకు పాలిష్ చేసి, ఆ తర్వాత మైక్రోస్కోప్ కింద పెట్టి చూస్తారు.

మైక్రోస్కోప్ కింద చూసినప్పుడు, లోహంలోని చిన్న చిన్న రేణువులు (Grains) కనిపిస్తాయి. ఆ రేణువులు చిన్నవిగా ఉంటే, ఆ లోహం సాధారణంగా బలంగా ఉంటుంది. రేణువులు పెద్దవిగా ఉంటే, ఆ లోహం మెత్తగా ఉంటుంది. అణువులు ఎలా అమర్చబడి ఉన్నాయో చూడటానికి వారు X-కిరణాలను (X-rays) కూడా ఉపయోగిస్తారు. లోహం లోపల ఏవైనా పగుళ్లు లేదా తప్పులు ఉన్నాయో లేదో తెలుసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది.

స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (SEM) వంటి ఆధునిక పరికరాలు మనిషి వెంట్రుక కంటే వేల రెట్లు చిన్నగా ఉన్న వాటిని కూడా చూడటానికి శాస్త్రవేత్తలకు సహాయపడతాయి. అంతరిక్ష ప్రయాణాలు మరియు కంప్యూటర్ల కోసం కొత్త రకపు లోహాలను తయారు చేయడానికి ఇది చాలా ఉపయోగపడుతుంది.

ఇవి కూడా చూడండి

పురావస్తు లోహశాస్త్రం కమ్మరి లోహపు పనులు ఖనిజ పరిశ్రమ పైరో మెటలర్జీ వెల్డింగ్ (అతుకు వేయడం)

ఇతర వెబ్‌సైట్లు

సింపుల్ ఇంగ్లీష్ వికీపీడియాలో లోహశాస్త్రం ASM ఇంటర్నేషనల్ - పదార్థ సమాచార సంస్థ