معرفی آلیاژ و کاربرد آن در صنعت

آلیاژ چیست و از مزایای فوق العاده آنها چه می دانید؟
آلیاژ ماده فلزی متشکل از دو یا چند عنصر به صورت یک ترکیب یا یک محلول است. اجزای آلیاژها معمولاً خود فلزات هستند، اگرچه کربن و یک غیر فلز جزء ترکیبات اساسی فولاد هستند. این ترکیبات باید بخشی از یک محلول جامد، یک ترکیب یا مخلوطی حاوی فلز یا غیر فلز دیگر باشد تا بتوانند آلیاژ در نظر گرفته شوند.

متداول ترین روش برای تبدیل فلزات به آلیاژ ذوب کردن و مخلوط کردن آنها با یکدیگر است و سپس اجازه می دهند تا آنها تحت دمای محیط به حالت جامد درآیند. در درس آلیاژ چیست علوم ششم این مباحث شرح داده شده است.

آلیاژهای فلزی معمولاً دارای خواص مکانیکی یا شیمیایی پیشرفته ای هستند. عناصر آلیاژی را می توان به یک فلز اضافه کرد تا برخی از خصوصیات آن از جمله سختی، مقاومت در برابر خوردگی، ماشینکاری و موارد دیگر را بهبود ببخشید. مبحث آلیاژ چیست علوم هفتم به طور مفصل به این موارد پرداخته است.

تاریخچه استفاده از آلیاژ:
کاربرد آلیاژها توسط انسان با استفاده از شهاب سنگ ها شروع شد که یک آلیاژ طبیعی از نیکل و آهن بودند. آهن سازنده اصلی شهاب سنگ ها است و از آنجا که هیچ فرآیند متالورژی برای جداسازی آهن از نیکل استفاده نمی شد این آلیاژ همانطور که بود برای ساخت اشیایی مانند ابزار، سلاح و میخ مورد استفاده قرار می گرفت. از آنجاییکه شهاب سنگ ها بسیار کمیاب بودند انسان ها کم کم با ترکیب فلز مختلف باهم راههایی برای ساخت آلیاژ پیدا کردند.

آهن معمولاً به شکل سنگ آهن در زمین یافت می شود. مس بومی نیز در سراسر جهان به همراه نقره، طلا و پلاتین یافت می شد که از زمان نوسنگی نیز برای ساخت ابزار، جواهرات و اشیا دیگر مورد استفاده قرار می گرفت.

کم کم بشر یاد گرفت که فلزاتی مانند مس و قلع را از سنگ معدن ذوب کند. در حدود 2500 سال قبل از میلاد، انسان با ترکیب مس و قلع شروع به تولید آلیاژ برنز کرد که بسیار سخت تر از مواد تشکیل دهنده آن بود. انسان ها در نیز آسیا شروع به ترکیب مس و روی و تولید آلیاژ برنج کردند.

تمدن های باستان با در نظر گرفتن مخلوط و خصوصیات مختلف مانند سختی و نقطه ذوب در شرایط مختلف دمایی و سخت شدن کار نهایی اطلاعات زیادی به دست آوردند و آلیاژهای مدرن توسعه یافتند.

آلیاژهای متداول کدامند؟
آلیاژها در صنعت فلزکاری به قدری فراوان هستند که تعداد بسیار زیادی برای فهرست کردن وجود دارد. در حقیقت اکنون در بسیاری از کاربردها به جای فلز خالص از آلیاژ استفاده می شود. آلیاژهای فولادی نمونه ای از این فلزات هستند که انواع آنها را می توانید در همه جا ببییند. آلیاژ چدن نوع دیگری از این ترکیبات است که از ترکیب آهن و کربن تولید می شود.

آلومینیوم اغلب با عناصر دیگر آلیاژ می شود و به آنها ویژگی های مورد نیاز برای کاربرد دلخواه را می دهد. به عنوان مثال، در آلومینیوم 6061 و 2024 به ترتیب از منگنز یا مس فراوان استفاده شده است.

آلیاژها همچنین می توانند بسیار پیچیده باشند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مانند گرید 316، ترکیبی از آهن، کروم، نیکل و برخی دیگر از فلزات و غیر فلزات هستند. برنز (که خود آلیاژی از مس و قلع است) اغلب با عناصری مانند آلومینیوم آلیاژ می شود. گرید C954 نمونه ای از آلیاژ برنز- آلومینیوم است.

فولادها ابزاری مانند D2 عمدتا از آهن تشکیل شده اند اما بسته به خصوصیات مکانیکی مورد نظر سایر فلزات و غیر فلزات مانند کروم، وانادیوم، منگنز، سیلیکون و کربن نیز به آنها افزوده می شود.

دسته بندی آلیاژها:
اگر با یک میکروسکوپ الکترونی قدرتمند به فلزات نگاه کنید، می توانید اتم های داخل آن را در یک ساختار منظم به نام شبکه بلوری مشاهده کنید. یک جعبه مقوایی کوچک را پر از سنگ مرمر تصور کنید این تقریباً همان چیزی است که می بینید. در یک آلیاژ، جدا از اتمهای فلز اصلی، اتمهای عوامل آلیاژی نیز در سراسر این ساختار وجود دارد.

آلیاژهای جایگزینی:
اگر اتمهای ماده آلیاژ جایگزین اتمهای فلز اصلی شوند آنچه را که به دست می آوریم آلیاژ جانشینی نامیده می شود. اینها درصورتی تشکیل می شود که اتمهای فلز پایه و ماده آلیاژی تقریباً اندازه یکسانی داشته باشند.

در بیشتر آلیاژهای جانشینی، عناصر سازنده در جدول تناوبی کاملاً نزدیک به یکدیگر هستند. به عنوان مثال برنج، آلیاژ جانشینی مبتنی بر مس است که در آن اتمهای روی جایگزین 10 تا 35 درصد از اتمهای موجود در مس می شوند.

آلیاژهای درون شبکه ای:
اگر عامل یا عوامل آلیاژ شونده دارای اتم هایی باشند که بسیار کوچک تر از فلز اصلی هستند بازهم می توانند آلیاژ تشکیل دهند. در این حالت، اتمهای عامل در میان اتمهای فلز اصلی می لغزند (در شکافها یا حد فاصل آنها). فولاد نمونه ای از آلیاژ درون شبکه ای است که در آن تعداد نسبتاً کمی از اتم های کربن در شکاف بین اتم های عظیم در یک شبکه بلوری آهن می لغزند.

انواع آلیاژهای ساخت بشر:

آمالگام:
جیوه، بسیاری از فلزات همچون طلا، نقره و قلع را در خود حل می کند به این ترکیب فلزی آمالگام (ملغمه) می گویند که در دمای محیط به حالت خمیری یا مایع است و در قدیم برای طلاکاری (تذهیب) زره های جنگی مورد استفاده قرار می گرفت.

آلیاژ فلزات گرانبها:
در گذشته با ترکیب فلزات مختلف آلیاژهای تولید می شد که جهت کاربردهای تزئینی مورد استفاده قرار می گرفت. در مصر و یونان با ترکیب فلزات دیگر آلیاژهای رنگی از طلا می ساختند. علاوه بر این، در گذشته برای فریب دادن مشتریان فلزات ارزشمند مانند طلا، آنها را با فلزات کم ارزش مخلوط می کردند. ضرب سکه ها نیز بیشتر با استفاده از آلیاژها انجام می شد.

پیوتر:
اصطلاح پیوتر (Pewter)به آلیاژهای حاوی قلع اطلاق می شود. قلع فلزی نرم است که آن را با سرب، آنتیوموان، بیسموت یا مس مخلوط می کردند تا آلیاژی سخت به دست بیاید که در ساخت ظروف، ابزار جراحی، شمعدان ها، قیف ها و جواهرآلات استفاده می شد.

فولاد:
فولاد آلیاژی از آهن و کربن است هرچند برخی عناصر دیگر مانند نیکل و کبالت نیز به آن اضافه می شود. افزودن این عناصر سختی و مقاومت کششی فولاد را تغییر می دهد. فولاد ضد زنگ آلیاژ دیگری از آهن است که شامل کروم، نیکل و دیگر عناصر می باشد.

آلیاژهای بی آهن:
در ساخت این آلیاژها از آهن استفاده می شود از آنجاییکه آلیاژهای قدیمی همگی از آهن ساخته شده بودند در برابر شعله ذوب می شدند. در قرن 18، آنتوان لاوازیه پدیده هایی همچون اکسیداسیون را توضیح داد که بر اساس آن بسیاری از نمک ها و فلزاتی که به شدت با اکسیژن واکنش می دهند در برابر ذوب و حرارت مقاوم هستند. بر این اساس دسته ای جدید از آلیاژها ساخته شد.

آلیاژهای پیرسختی:
برای ساخت این آلیاژها برخی فلزات مانند آلومینیوم، تیتانیوم و مس را با روش های حرارتی فرآوری می کنند. از خصوصیت این آلیاژها این است که وقتی به سرعت سرد می شوند نرم هستند و با گذشت زمان سخت می شوند. این آلیاژها به دلیل استحکام بالا و وزن پایین در ساخت هواپیماها استفاده می شوند.

رفتار آلیاژها:
آلیاژها به این دلیل ساخته می شوند که فلزات دقیقاً از ویژگی های مناسب برای یک کارکرد خاص برخوردار نیستند. آهن یک ماده ساختمانی عالی است اما فولاد (آلیاژی که با افزودن مقدار کمی کربن غیر فلزی به آهن ساخته می شود) محکم تر، سخت تر و ضد زنگ است. آلومینیوم یک فلز بسیار سبک است اما فرم خالص آن نیز بسیار نرم است. مقادیر کمی از فلزات منیزیم، منگنز و مس که به آن اضافه شود یک آلیاژ عالی آلومینیوم به نام دورالومین تولید می شود که برای ساخت هواپیما از مقاومت کافی برخوردار است.

آلیاژها همیشه نسبت به فلز اصلی در یک یا چند ویژگی مهم فیزیکی (مواردی مانند استحکام، دوام، توانایی هدایت الکتریسیته، توانایی مقاومت در برابر گرما و غیره) بهبودهایی را نشان می دهند. به طور کلی، آلیاژها از فلزات اصلی خود قوی تر و سخت ترند و چکش خواری و شکل پذیری کمتری دارند. این موارد در مبحث آلیاژ چیست علوم ششم شرح داده شده است.

کاربردهای انواع آلیاژ:
موارد استفاده برای آلیاژها بسته به مواد درگیر و پیچیدگی آلیاژ نامحدود است. آلیاژها به طور گسترده ای در زمینه هایی مختلف استفاده می شوند. از کاربردهای آنها می توان به ساخت هواپیما، کاربردهای نظامی، تجاری، صنعتی، پزشکی، مسکونی و تولیدی اشاره کرد. آلیاژهایی مانند آلومینیوم، مس، نیکل، فولاد ضد زنگ، تیتانیوم هریک کاربردهای مختلفی دارند. درس هدف از ساختن آلیاژ چیست علوم هفتم به این موارد اشاره کرده است.

موارد استفاده از آلیاژهای آلومینیوم:
آلومینیوم هنگامی که با سایر فلزات ترکیب می شود، مقاومت و ویژگی های خاصی کسب می کند. از آلیاژهای آلومینیوم به طور گسترده ای در تولید اتومبیل و قطعات موتور استفاده می شود. طیف گسترده ای از آنها با کیفیت متفاوت در برنامه های مختلف مانند حمل و نقل، بسته بندی، برنامه های الکتریکی، دارو و ساخت خانه ها و مبلمان استفاده می شود. پرواز در ارتفاعات بدون آلیاژهای قوی آلومینیوم که تحت فشار زیادی قرار دارند، امکان پذیر نخواهد بود.

موارد استفاده از آلیاژهای مس:
آلیاژهای مس دارای عملکرد الکتریکی و حرارتی استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی خوب، شکل پذیری بالا و هزینه نسبتاً کم هستند. از آلیاژ مس در مهر و موم های ضد آب استفاده می شود و آلیاژ مس و قلع مس به دلیل مقاومت و خاصیت شکل پذیری در درجه اول برای بلبرینگ ها استفاده می شود. آلیاژهای مس ارزان تر از آلیاژ طلا یا پلاتین هستند. به دلیل مقاومت بالا و رسانایی گرمایی از آلیاژهای مس در ساخت انواع تجهیزات الکتریکی استفاده می شود.

موارد استفاده از آلیاژهای نیکل:
ترکیبات نیکل کمک قابل توجهی به جامعه امروزی کرده است. آلیاژهای نیکل مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر حرارت خوبی دارند. آلیاژهای نیکل برای کاربردهای متنوعی مانند توربین های گازی هواپیما، سیستم های انرژی هسته ای و به طور گسترده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از آلیاژهای نیکل در تجهیزات کنترلی برای تعیین و کنترل خصوصیات الکتریکی استفاده می شود.

موارد استفاده از آلیاژهای فولاد ضد زنگ:
به منظور کاهش تلفات خوردگی استفاده های گسترده ای از فولادهای ضد زنگ وجود دارد. آلیاژهای فولاد ضد زنگ برای بسیاری از برنامه های تجاری مانند بند ساعت، کارد و چنگال و غیره استفاده می شود. آلیاژهای ضد زنگ برای ساخت لوله هایی که برای قرار دادن در کف دریا و همچنین در صنایع الکترونیکی، کشاورزی، جاده ای و ریلی بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. از گریدهای فولاد ضد زنگ برای مخازن، ظروف، نوار نقاله، دودکش ها و موارد دیگر نیز استفاده می شود.

موارد استفاده از آلیاژهای تیتانیوم:
نقطه ذوب آلیاژهای تیتانیوم در مقایسه با فولادهای ضد زنگ زیاد است. به دلیل مقاومت، استحکام و سختی بالا، از بسیاری از آلیاژهای تیتانیوم در سازه های هوافضا و سایر کاربردهای با کارایی بالا استفاده می شود. آلیاژهای تیتانیوم برای قطعات مختلف فضاپیما، موتورهای جت و محفظه هوا برای صرفه جویی در وزن و بهبود کارایی هواپیما استفاده می شود. مقاومت در برابر خوردگی این امکان را برای استفاده در کاربردهای شیمیایی، پتروشیمی و بیومتریال نیز فراهم می کند.