টাইটানিয়াম কেন স্টেইনলেস-স্টিলের পিটিং পুরোপুরি বন্ধ করতে পারে না

টাইটানিয়াম সাহায্য করে, কিন্তু দুর্বল স্থানগুলো দূর করে না

স্টেইনলেস স্টিল ক্ষয় প্রতিরোধ করে বলে মূল্যবান, তবে সেই প্রতিরোধের সীমা আছে। সমুদ্রের জলের মতো ক্লোরাইড-সমৃদ্ধ পরিবেশে পিটিং ক্ষয় নামে পরিচিত অত্যন্ত স্থানীয় ক্ষতি এখনও তৈরি হতে পারে। টাইটানিয়াম যোগ করলে উপাদানটির কার্যক্ষমতা কেন বাড়ে, কিন্তু সমস্যা পুরোপুরি সমাধান হয় না—তোহোকু বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষকদের একটি গবেষণায় তা পরীক্ষা করা হয়েছে।

গবেষণাটি ইনক্লুশন নামে পরিচিত ক্ষুদ্র অন্তর্ভুক্ত কণার ওপর কেন্দ্রীভূত। স্টেইনলেস স্টিলে পিট শুরু হতে পারে এই অণুবীক্ষণিক স্থানগুলোতে, অন্যথায় সমান পৃষ্ঠজুড়ে নয়। সহজে দ্রবীভূত হওয়া ম্যাঙ্গানিজ সালফাইড ইনক্লুশনকে আরও স্থিতিশীল টাইটানিয়ামযুক্ত সালফাইডে রূপান্তর করতে সাধারণত টাইটানিয়াম যোগ করা হয়। নতুন গবেষণা দেখায়, এই রূপান্তর উপকারী হলেও অসম্পূর্ণ: ইনক্লুশনের নির্দিষ্ট রাসায়নিক গঠন এখনও গুরুত্বপূর্ণ।

মডেল নমুনা পৃথক ইনক্লুশন অধ্যয়ন সহজ করে

গবেষকেরা Fe-16%Cr সংকরধাতুর ওপর ভিত্তি করে তৈরি ফেরিটিক স্টেইনলেস স্টিল পরীক্ষা করেন, যাকে Type 430 হিসেবে শনাক্ত করা হয়েছে। তাঁরা এমন মডেল নমুনা প্রস্তুত করেন, যেখানে ইনক্লুশনের গঠন পদ্ধতিগতভাবে নিয়ন্ত্রণ করা হয়েছিল। বাণিজ্যিক স্টিলে ইনক্লুশনের আকার মাত্র কয়েক মাইক্রোমিটার এবং পৃথক কণাকে তড়িৎ-রাসায়নিকভাবে বিশ্লেষণ করা কঠিন হওয়ায়, এই নকশা একটি ব্যবহারিক সমস্যার সমাধান করে।

টাইটানিয়ামযুক্ত ইনক্লুশনকে একক শ্রেণি হিসেবে বিবেচনা না করে দলটি চার ধরনের তুলনা করে: ম্যাঙ্গানিজ সালফাইড, MnS হিসেবে লেখা হয়; মিশ্র ম্যাঙ্গানিজ-টাইটানিয়াম সালফাইড, (Mn,Ti)S হিসেবে লেখা হয়; টাইটানিয়াম ডাইসালফাইড, TiS₂; এবং টাইটানিয়াম নাইট্রাইড, TiN। ওই কণাগুলোর আচরণ তুলনা করতে মাইক্রোস্কেল তড়িৎ-রাসায়নিক পরিমাপ ব্যবহার করা হয়।

পরীক্ষিত পরিস্থিতিতে দ্রবীভূত হওয়ার প্রতিরোধের একটি স্পষ্ট ক্রম ফলাফলে পাওয়া যায়। MnS সবচেয়ে সহজে দ্রবীভূত হয়। এরপর ছিল (Mn,Ti)S এবং তারপর TiS₂। পরীক্ষা করা সীমার মধ্যে TiN দ্রবীভূত হয়নি। এটি গুরুত্বপূর্ণ, কারণ কোনো ইনক্লুশনে দ্রবীভবন আশপাশের স্টিলে পিট শুরু হওয়ার অনুকূল পরিস্থিতি তৈরি করতে পারে।

অবশিষ্ট সালফাইড স্থানীয় ক্ষতির পথ হিসেবে থেকে যায়

MnS-কে আরও স্থিতিশীল টাইটানিয়ামযুক্ত সালফাইডে রূপান্তর করে পিটিং-ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ানোই টাইটানিয়াম সংযোজনের উদ্দেশ্য। গবেষণাটি এই মূল ধারণাকে সমর্থন করে: টাইটানিয়ামযুক্ত সালফাইড সাধারণত MnS-এর চেয়ে বেশি স্থিতিশীল ছিল। তবে ফলাফল এটাও দেখায় কেন এই প্রক্রিয়া সম্পূর্ণ সুরক্ষা দেয় না। টাইটানিয়ামযুক্ত সালফাইড ইনক্লুশন এখনও দ্রবীভূত হতে পারে এবং গঠনভেদে তাদের তড়িৎ-রাসায়নিক আচরণে বড় পার্থক্য থাকে।

ব্যবহারিক দিক থেকে, গবেষণাটি স্টিলে টাইটানিয়াম আছে কি না—এই প্রশ্ন থেকে প্রক্রিয়াকরণের পর বাস্তবে কী ধরনের ইনক্লুশন রয়েছে—সেদিকে মনোযোগ সরায়। অবশিষ্ট সালফাইড দ্রবীভূত হতে পারলে সেগুলো পিটিং শুরুর সম্ভাব্য স্থান হিসেবে থেকে যেতে পারে। গবেষকদের পরিমাপে টাইটানিয়াম নাইট্রাইড ভিন্ন আচরণ করেছে এবং পরীক্ষিত সীমাজুড়ে দ্রবীভবন প্রতিরোধ করেছে।

পিটিং একটি স্থানীয় প্রক্রিয়া হওয়ায় এই পার্থক্য গুরুত্বপূর্ণ। স্টেইনলেস-স্টিলের কোনো উপাদান তার অধিকাংশ পৃষ্ঠে অক্ষত মনে হলেও খুব অল্পসংখ্যক ঝুঁকিপূর্ণ স্থানে ক্ষতি শুরু হতে পারে। তাই কোন অণুবীক্ষণিক উপাদান সবচেয়ে বেশি সংবেদনশীল তা বোঝা সামগ্রিক উপাদানকে আরও স্থিতিস্থাপক করতে সহায়ক হতে পারে।

স্টেইনলেস স্টিলের সাধারণ ব্যবহারে সম্ভাব্য প্রাসঙ্গিকতা

গৃহস্থালির যন্ত্র, অস্ত্রোপচারের সরঞ্জাম এবং গাড়ির যন্ত্রাংশে ব্যবহৃত আরও টেকসই স্টেইনলেস স্টিলের নকশায় এই ফলাফল সহায়ক হতে পারে বলে গবেষকেরা জানান। স্বাভাবিক ব্যবহার বা সেবার সময় এসব পণ্য আর্দ্রতা, লবণ বা ক্লোরাইডযুক্ত অন্যান্য পরিবেশের সংস্পর্শে আসতে পারে। একটি মাত্র সংকরধাতু পরিবর্তনই ক্ষয় দূর করে—গবেষণাটি এমন দাবি করছে না; বরং এটি নির্দিষ্ট ইনক্লুশনের স্থিতিশীলতা মূল্যায়নের প্রমাণ দেয়।

টাইটানিয়াম ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ায় কি না—শুধু এই প্রশ্নের চেয়ে এটি আরও নির্দিষ্ট প্রকৌশলগত প্রশ্ন। পরিমাপ দেখায়, উত্তর ইনক্লুশনের ধরনের ওপর নির্ভর করে। পরীক্ষিত চারটি কণার মধ্যে MnS ছিল সবচেয়ে কম স্থিতিশীল, আর পরীক্ষিত অবস্থায় TiN-এ কোনো দ্রবীভবন দেখা যায়নি। দুটি টাইটানিয়ামযুক্ত সালফাইড এই দুই প্রান্তের মাঝামাঝি ছিল।

নিয়ন্ত্রিত নমুনা পদ্ধতিও ফলাফলের কেন্দ্রে রয়েছে। ইনক্লুশনের গঠন আলাদা করে দলটি এমন আচরণ পরীক্ষা করতে পেরেছে যা বাণিজ্যিক উপাদানে নির্ণয় করা কঠিন; সেখানে ক্ষুদ্র কণা ও মিশ্র অণুগঠন সরাসরি পরিমাপকে জটিল করে। তাই গবেষণাটি অণুবীক্ষণিক গঠনকে একটি উপাদান-স্তরের উদ্বেগ—পিট শুরু হওয়া প্রতিরোধ—এর সঙ্গে যুক্ত করার একটি উপায় দেয়।

উপাদান নকশার একটি শিক্ষা

গবেষণাটি স্টেইনলেস স্টিলে টাইটানিয়াম ব্যবহারের বিরোধিতা করে না। এটি ব্যাখ্যা করে কেন টাইটানিয়াম প্রতিরোধ ক্ষমতা বাড়ালেও অবশিষ্ট ঝুঁকি রেখে যেতে পারে। নকশাবিদ ও উৎপাদকদের জন্য এর অর্থ হলো, ইনক্লুশনের রাসায়নিক গঠন এবং তড়িৎ-রাসায়নিক স্থিতিশীলতা নিয়ন্ত্রণ করা টাইটানিয়ামের উপস্থিতির মতোই গুরুত্বপূর্ণ হতে পারে।

ক্লোরাইডযুক্ত পরিবেশে আরও স্থিতিস্থাপক স্টেইনলেস স্টিল নির্ভর করে এমন স্থান কমানো বা নিয়ন্ত্রণ করার ওপর, যেখানে দ্রবীভবন শুরু হতে পারে। MnS, (Mn,Ti)S, TiS₂ এবং TiN-এর তুলনা পরীক্ষায় কোন ইনক্লুশন বেশি বা কম স্থিতিশীল ছিল তার একটি বিস্তারিত মানচিত্র দেয়। স্টেইনলেস স্টিলের সবচেয়ে স্থায়ী দুর্বলতাগুলোর একটি হিসেবে থাকা স্থানীয় ক্ষয়কে আরও ভালোভাবে সহ্য করতে পারে—এমন স্টিল তৈরির প্রচেষ্টায় এই প্রমাণ সহায়তা করতে পারে।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদন অবলম্বনে তৈরি। মূল নিবন্ধ পড়ুন।