एंट्रॉपी म्हणजे पदार्थ किंवा व्यवस्थेतील अनियंत्रिततेचे परिमाण. तापीय किंवा ऊष्मीय (Thermal Entropy) व अविन्यासी किंवा समाकृतिक (Configurational Entropy) असे एंट्रॉपीचे दोन प्रकार आहेत. तापमान वाढविले असता धातूमध्ये येणाऱ्या अनियंत्रितपणाचे मोजमाप तापीय एंट्रॉपीने करता येते. परंतु मिश्रधातूंमध्ये असणाऱ्या मूलद्रव्यांच्या प्रमाणानेसुद्धा एंट्रॉपी बदलू शकते. मूलद्रव्यांचे प्रमाण बदलल्यास मिश्रधातूंच्या आण्विक रचनेमध्ये बदल होतो. उपलब्ध उर्जेला घटकांमध्ये किती प्रकारे विभागले जाऊ शकते आणि त्यामुळे अनियंत्रितपणामध्ये होणारा बदल अविन्यासी एंट्रॉपीद्वारे मोजता येऊ शकतो. अविन्यासी एंट्रॉपीचे गणितीय सूत्र “बोल्ट्समान सूत्र” या नावाने प्रसिद्ध आहे.
सर्वाधिक अविन्यासी एंट्रॉपी किंवा अणूंच्या रचनेमधील अनियंत्रितपणा शास्त्रज्ञांना अशा मिश्रधातूंमध्ये आढळला, ज्यांमध्ये ५ किंवा अधिक घटक मूलद्रव्ये सम आण्विक प्रमाणात असतात.उदाहरणार्थ, अ, ब, क, ड आणि फ या ५ मूलद्रव्यांचे प्रत्येकी २० अणुमिश्रित करून बनविलेल्या १०० अणूंच्या मिश्रधातूंना “उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातू” म्हणता येईल. प्रत्येक वेळी अचूक सम आण्विक प्रमाण साधणे शक्य नसल्याने हा नियम इतका काटेकोरपणे लागू होत नाही. सखोल संशोधनातून या व्याख्येत सुधारणा करण्यात आली. आता सम आण्विक प्रमाणातील ५ ते १३ प्रमुख घटक मूलद्रव्ये असलेल्या मिश्रधातूंना “उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातू” म्हणतात. शास्त्रीय परिभाषेत ज्या मिश्रधातूंची अविन्यासी एंट्रॉपी वायू स्थिरांकाच्या (Gas Constant) १.५ पट किंवा त्याहून जास्त असते, त्यांना “उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातू ” म्हणतात. प्रचलित पोलाद व इतर मिश्रधातूंची एंट्रॉपी कमी म्हणजेच वायू स्थिरांकापेक्षा कमी असते.
अगंज पोलादाची (Stainless Steel) एंट्रॉपी मध्यम (वायू स्थिरांकाच्या १ ते १.५ पट) असते. उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातूंचे यांत्रिक गुणधर्म उत्तम असतात. विभिन्न मूलद्रव्यांच्या अणूंमुळे रचनेत अनियंत्रितता जास्त येते व त्यामुळे स्थानभ्रंशांना (Dislocations) अडथळा निर्माण होतो. स्थानभ्रंश हा धातूंच्या रचनेतील एक दोष असून ज्याच्या सहज हालचालीमुळे धातूंचे शरण सामर्थ्य (Yield Strength) कमी होते.जर स्थानभ्रंशाच्या हालचालीमध्ये अडथळा आणला तर धातूंचे शरण सामर्थ्य तसेच कठीणता किंवा काठिण्य (Hardness) वाढविता येते. उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातूच्या सूक्ष्म संरचनेत (Micro Structure) शक्यतो एकच प्रावस्था (Phase) असते. जर प्रावस्था स्थित्यंतर (Phase Transformation) झाल्यास घटक मूलद्रव्ये विलग होऊन त्यांची एंट्रॉपी कमी होऊ शकते. काठिण्य आणि सामर्थ्याबरोबरच मिश्रधातूंची भंग दृढता (Fracture toughness) आणि संक्षारण क्षमता किंवा रोधकता (Corrosion resistance) उत्तम असते. त्याचबरोबर त्यामध्ये कुठलेही कठीण कार्बाइड किंवा तत्सम आंतरधातवीय नसल्याने त्यांची तन्यता (Ductility) ही खूप जास्त आहे.
उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातूंमध्ये लोह, निकेल, क्रोमियम, कोबाल्ट आणि मँगॅनीज (CoCr FeMnNi) यांच्या सम आण्विक मिश्रधातूंवर सर्वाधिक संशोधन झाले आहे. उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातूचे उत्पादन प्रज्योत वितळण आणि चूर्ण धातुकीने (Powder metallurgy) करता येते. उत्तम गंजरोधी क्षमतेमुळे हे मिश्रधातू लेपनासाठी (Coatings) वापरता येतील. मात्र लोहाव्यतिरिक्त इतर घटक मूलद्रव्ये महाग असल्याने त्यांचे उत्पादन संशोधनापुरतेच मर्यादित आहे. संशोधनाद्वारे यांचे उत्पादन स्वस्त झाल्यास प्रचलित मिश्राधातूंसाठी हा एक उत्तम पर्याय म्हणून उपलब्ध होऊ शकेल. ऐतिहासिक काळापासून मूर्तीसाठी भारतात वापरला जाणारा “पंचधातू” उच्च एंट्रॉपी मिश्रधातूशी संलग्नता साधणारा मिश्रधातू आहे. यावरून भारतातील धातुवैज्ञानिक प्रगल्भता लक्षात येते.
संदर्भ :
- Zhang, Yong; Zuo, Ting Ting; Tang, Zhi; Gao, Michael C.; Dahmen, Karin A.; Liaw, Peter K.; Lu, Zhao Ping (April 2014). “Microstructures and properties of high-entropy alloys”. Progress in Materials Science. 61: 1–93. doi:10.1016/j.pmatsci.2013.10.001.
- J.-W.; Chen, S.-K.; Lin, S.-J.; Gan, J.-Y.; Chin, T.-S.; Shun, T.-T.; Tsau, C.-H.; Chang, S.-Y. (May 2004). “Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements: Novel Alloy Design Concepts and Outcomes“. Advanced Engineering Materials. 6(5): 299–303. doi:10.1002/adem.200300567.
- tto, F.; Yang, Y.; Bei, H.; George, E.P. (April 2013). “Relative effects of enthalpy and entropy on the phase stability of equiatomic high-entropy alloys“. Acta Materialia. 61 (7): 2628–2638. doi:10.1016/j.actamat.2013.01.042
- Gali, A.; George, E.P. (August 2013). “Tensile properties of high- and medium-entropy alloys“. Intermetallics. 39: 74–78. doi:10.1016/j.internet.2013.03.018
समीक्षक – बाळ फोंडके
