توضیحات کامل درباره آلیاژها

آلیاژ به ترکیبی از فلزات یا ترکیب فلزات با عناصر نافلزی می گویند. به طور مثال، با ترکیب طلا و مس به «طلای قرمز» (Red Gold) و با ترکیب کردن طلا و نقره به طلای سفید دست پیدا می کنیم. در ترکیب آهن با کربن یا سیلیکون، به آلیاژ فولاد یا آهن سیلیکونی می رسیم. در این ترکیبات، خواص ماده حاصل، با عناصر خالص سازنده خود متفاوت است که به طور عمده، این خواص شامل مقاومت و سختی می شوند. برخی مواد وجود دارند که در فرمول شیمیایی خود شامل عناصر فلزی هستند اما رفتاری همچون فلزات از خود نشان نمی دهند، مانند آلومینیوم اکسید و سدیم کلرید. برخلاف این نوع از مواد، یک آلیاژ همواره خواص فلزی مانند رسانایی الکتریکی، چکش خواری، شفافیت و درخشندگی را شامل می شود.

استفاده از آلیاژ کاربردهای گسترده ای دارد. از فولاد در ساخت ساختمان ها گرفته تا آلیاژهای تیتانیوم در صنعت هوانوردی، همگی حاصل پیشرفت های علم مهندسی مواد در ساخت آلیاژهای متفاوت به شمار می آیند. در برخی موارد، ترکیب فلزات مختلف سبب کاهش هزینه های کلی در ساخت مواد خواهد شد که این مواد، خواص مهم و کاربردی خود را نیز حفظ می کنند. در موارد دیگری، ترکیب فلزات با یکدیگر، خواص هریک از عناصر سازنده را نیز بهبود می بخشد. این خواص را می توان در استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی جستجو کرد. از نمونه های آلیاژ می توان به فولاد، دورالومین، لحیم، برنج، مس وار (پیوتر)، برنز و آمالگام (ملغمه) اشاره کرد.

یک آلیاژ می تواند یک محلول جامد یا مخلوطی از فازهای مختلف باشد به گونه ای که یک «میکروساختار» (Micro-Structure) از بلورهای مختلف را تشکیل دهد. «ترکیبات میان فلزی» (Intermetallic Compound)، آلیاژهایی با نسبت های استوکیومتری و ساختار بلوری مشخص هستند.

طبقه بندی آلیاژها
آلیاژها را با پیوندهای فلزی تعریف و برای استفاده از آلیاژها، آن ها را به صورت درصد جرمی بیان می کنند. دسته بندی های مختلفی برای آلیاژها در نظر گرفته شده است. آن ها را می توان در دو دسته آلیاژهای «جانشینی» (Substitutional) و «درون شبکه ای» (Interstitial) طبقه بندی کرد. البته بر اساس نوع آرایش اتمی در آلیاژها، آن ها را می توان به همگن، ناهمگن و میان فلزی تقسیم بندی کرد.

همانطور که در بالا اشاره شد، خواص مکانیکی آلیاژ با عناصر سازنده آن متفاوت است. به طور مثال در ترکیب دو فلز نرم و چکش خوار آلومینیوم و مس، آلیاژی به دست می آید که استحکام بسیار بالایی دارد یا اضافه کردن مقداری کربن به آهن، تولید آلیاژ مستحکم فولاد را به همراه دارد. همچنین، با اضافه کردن عنصر کروم به فولاد، می توان خوردگی آن را کنترل کرد و به «فولاد ضد زنگ» (Stainless Steel) دست پیدا کرد.

انحلال پذیری در آلیاژها
همانند نفت و آب، دو فلز مذاب نیز ممکن است با یکدیگر ترکیب نشوند. به طور مثال، آهن خالص تقریبا در مس مذاب نامحلول است. حتی زمانی که اجزا با یکدیگر محلول باشند نیز دارای یک «نقطه اشباع» (Saturation Point) هستند که بعد از این نقطه هیچ عنصری را نمی توان به مخلوط اضافه کرد. به عنوان نمونه می توان به آهن اشاره کرد که در بهترین حالت، میزان 6/67 درصد از کربن را در خود حل می کند.

ممکن است عناصر یک آلیاژ در حالت مذاب در یکدیگر محلول باشند اما در حالت جامد، این خاصیت را نداشته باشند. اگر فلزات در حالت جامد هم به حالت محلول قرار داشته باشند، یک محلول جامد را می سازند که شامل ساختاری همگن به همراه بلورهایی با ساختار مشابه هستند. در برخی از آلیاژها، عناصر نامحلول، تنها بعد از مرحله تبلور از یکدیگر جدا خواهند شد که اگر آن ها را به سرعت سرد کنند، به صورت یک فاز همگن متبلور می شوند که به آن ها «فوق اشباع» (Super Saturated) می گویند. با گذشت زمان، اتم های این آلیاژهای فوق اشباع، از شبکه بلوری جدا و موجب پایداری بیشتر و افزایش مقاومت داخلی بلور می شوند.

برخی آلیاژها به طور طبیعی نیز یافت می شوند که از آن جمله می توان به «الکتروم» (Electrum)، آلیاژی از طلا و نقره اشاره کرد. شهاب سنگ ها معمولا آلیاژهای طبیعی از آهن و نیکل هستند که در زمین به وجود نمی آیند. از اولین آلیاژهای ساخته دشت بشر، برنز بود که ترکیبی از فلزات قلع و مس است. این آلیاژ در دوران باستان استفاده های گسترده ای داشت چراکه از عناصر سازنده خود بسیار مستحکم تر و سخت تر بود. از آلیاژهای پرکاربرد گذشته به فولاد نیز می توان اشاره کرد. البته فولاد را به طور تصادفی به هنگام ذوب کردن سنگ آهن به دست می آوردند.

از دیگر آلیاژهای مورد استفاده در زمان قدیم، می توان به «پیوتر» (Pewter)، «برنج» (Brass) و «چدن» (Pig-iron) اشاره کرد. امروزه در صنعت، آلیاژهای مختلفی از فولاد به تولید می رسند. همچنین با اضافه کردن مننیزیم به این مواد، می توان ناخالصی های آن ها شامل فسفر، گوگرد و اکسیژن را حذف کرد.

تئوری ساخت آلیاژ
ساخت آلیاژ یک فلز به کمک ترکیب آن با یک یا چند عنصر دیگر انجام می شود. معمول ترین و قدیمی ترین روش ساخت آلیاژ شامل ذوب فلز و حل کردن مواد دیگر در داخل آن است. به طور مثال، تیتانیوم مایع قابلیت حل کردن بسیاری از فلزات و نافلزات را در خود دارد. علاوه بر این، عنصر تیتانیوم به سادگی، گازهایی همچون اکسیژن را جذب می کند و در حضور نیتروژن می سوزد. در نتیجه، فرآیند تهیه آلیاژهای تیتانیوم نیازمند محیط خلاء است.

با اضافه کردن عنصری دیگر به یک فلز، تفاوت در اندازه اتم ها موجب می شود تا یک «تنش داخلی» (Internal Stress) در بلور فلزی ایجاد شود. این تنش در بسیاری از موارد موجب تقویت خواص فلز خواهد بود. قدرت رسانایی و انتقال حرارت آلیاژها معمولا کمتر از عناصر سازنده خود است. خواص فیزیکی همچون چگالی، واکنش پذیری و «مدول یانگ» (Young’s Modulus) یک آلیاژ تفاوت چندانی با عناصر سازنده خود ندارد. اما برخی خواص مهندسی همچون «مقاومت کششی» (Tensile Strength)، چکش خواری و «مقاومت برشی» (Shear Strength)، به طور مشخصی با عناصر سازنده خود تفاوت خواهند داشت.

تغییر خواص در آلیاژها به دلیل تفاوت در اندازه اتم های سازنده آن ها است چراکه اتم های بزرگ تر سبب اعمال نیروهای فشاری در همسایگی خود می شوند و اتم های کوچک تر نیروهای کششی را در همسایگی خود ایجاد می کنند. در برخی موارد، آلیاژها تنها با مقادیر کمی از یک عنصر، رفتار ویژه ای را از خود نشان می دهند و به جلوگیری از تغییر شکل خود کمک می کنند. برخلاف فلزات خالص، آلیاژها نقطه ذوب منحصر به فردی ندارند بلکه شامل یک دامنه ذوب هستند که در مخلوط آن ها مایع و جامد وجود دارند.

فرآوری آلیاژها
سختی، چکش خواری یا سایر خواص مورد نظر در آلیاژها را می توان به کمک تغییر در ساختار بلوری آن ها عوض کرد. این تغییرات را می توان در طول فرآیند «تغییر شکل پلاستیکی» (Plastic Deformation) از طریق چکش کاری، خمش، ماشین کاری و … به وجود آورد. تغییرات اعمال شده، تا زمان انجام «تبلور مجدد» (Recrystallization) بدون تغییر باقی خواهند ماند. همچنین، خواص برخی از آلیاژها را می توان به کمک روش های حرارتی بهبود بخشید. تقریبا تمامی فلزات به کمک روش «بازپخت» (Annealing) نرم می شوند اما بسیاری از فلزات را نمی توان با حرارت و سرد کردن کنترل شده، سخت کرد. بیشتر آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیم، تیتانیوم و نیکل را با استفاده از روش های حرارتی می توان استحکام بخشید.

آلیاژ
مکانیسم های تولید آلیاژ
دو مکانیسم اصلی در تولید آلیاژ و به هنگام مخلوط شدن فلز و عناصر دیگر دخالت دارند. این دو مکانیسم عبارتند از:

مکانیسم «تبادل اتمی» (Atom)
مکانیسم درون شبکه ای
اندازه نسبی هر اتم در مخلوط، نقش اصلی را در تعیین نوع مکانیسم تولید ایفا می کند. زمانی که اندازه اتم ها نسبت به یکدیگر تقریبا یکسان باشند، مکانیسم تبادل اتمی اتفاق می افتد. این مکانیسم به این صورت است که برخی از اتم ها در بلور فلز با اتم های عنصر دیگر جایگزین می شوند که به آلیاژ حاصل، آلیاژ جانشینی می گویند. از نمونه های این آلیاژ می توان به برنز و برنج اشاره کرد که در آن، برخی اتم های مس با اتم های قلع یا روی جابجا شده اند.

در مکانیسم درون شبکه ای، یکی از اتم ها بسیار کوچک تر از دیگری است و به طور کامل نمی تواند جایگزین اتم دیگر در بلور فلز شود. در مقابل، اتم کوچک تر در فضای خالی بین شبکه بلور به دام می افتد. به آلیاژ حاصل، درون شبکه ای می گویند. از نمونه های این آلیاژ می توان به فولاد اشاره کرد چراکه اتم های بسیار ریز کربن در میان شبکه بلوری آهن جای گرفته اند.

علاوه بر این، فولاد ضد زنگ نمونه ای از ترکیب این دو مکانیسم در تولید آلیاژ است. در این آلیاژ، اتم کربن در شبکه بلور به دام افتاده است و برخی اتم های نیکل و کروم در شبکه فلز، جایگزین اتم های آهن شده اند.

تاریخچه و مثال هایی از آلیاژ
استفاده از آلیاژ توسط انسان با استفاده از شهاب سنگ ها شروع شد که آلیاژی طبیعی از آهن و نیکل بودند. در این دسته از آلیاژها، هیچ فرآیند متالورژی برای جداسازی نیکل از آهن انجام نشده بود و به همان صورت طبیعی از آن استفاده می شد. این نوع آلیاژ را برای ساخت ابزار و سلاح حرارت می دادند و با آهنگری به شکل های مورد نیاز خود می رسیدند. از آن جایی که این شهاب سنگ ها کمیاب بودند، ارزش بالایی داشتند و البته در آن زمان، کار با این مواد بسیار دشوار بود. رفته رفته آلیاژهای دیگری به تولید رسیدند که در ادامه به آن ها خواهیم پرداخت.

آلیاژ برنز و برنج
آهن در پوسته زمین معمولا به صورت سنگ معدن حضور دارد. در میان عناصر کشف شده همچون طلا، نقره و پلاتین، مس سخت ترین عنصر بود که در دنیا توزیع می شد. در حدود 2500 سال قبل از میلاد، انسان ها با مخلوط کردن آهن و مس شروع به تولید برنز کردند که از مواد سازنده خود بسیار سخت تر بود. همچنین در آسیای مرکزی نیز با مخلوط کردن مس و روی، آلیاژ برنج را تولید کردند. تمدن های باستانی به مرور توانستند تا خواص مختلف آلیاژها همچون سختی و نقطه ذوب را به کنترل خود درآورند به گونه ای که چینی ها سرنیزه های خود را طوری طراحی می کردند تا بخش بالایی آن سخت و بخش پایینی نرم باشد و به هنگام مبارزه شکسته نشوند.

آلیاژ

نمونه ساخته شده با برنز

آمالگام
جیوه را از گذشته به کمک ذوب کردن ماده ای به نام «شنگرف» (Cinnabar) به دست می آوردند. جیوه، بسیاری از فلزات همچون طلا، نقره و قلع را برای تشکیل آمالگام (ملغمه) در خود حل می کند. در حقیقت، آمالگام آلیاژی است که در دمای محیط به حالت خمیری یا مایع قرار دارد. آمالگام را از گذشته های دور در چین به منظور طلاکاری (تذهیب) زره های جنگی به کار می بردند. همچنین آن را به صورت خمیر نیز استفاده می کردند و بعد از حرارت دادن، جیوه موجود در آن بخار می شد و لایه ای از طلا، نقره یا قلع باقی می ماند. علاوه بر این، از جیوه برای استخراج طلا و نقره از سنگ معدن های این مواد بهره می گرفتند.

آلیاژ فلزات گرانبها
تمدن های کهن، آلیاژ فلزات مختلف را در صنایع ظریف به کار می بردند. در مصر باستان و یونان قدیم، آلیاژهای رنگی از طلا ساخته می شد. همچنین از آلیاژها برای افزایش استحکام و دوام فلزات استفاده می کردند. به طور مثال، با اضافه کردن مس به جیوه، نقره استرلینگ به تولید می رسید. علاوه بر این، در گذشته برای فریفتن مشتری های طلا، آن را با فلزات کم ارزش مخلوط می کردند. در 250 سال قبل از میلاد، پادشاه شهر سیراکوزا (واقع در ایتالیا فعلی)، ارشمیدس را مامور کرد تا راهی برای درجه خلوص طلا پیدا کند که در نهایت منجر به کشف اصل ارشمیدس و قانون بویانسی شد.

آلیاژ

آلیاژ الکتروم

پیوتر
واژه «پیوتر» (Pewter)، شامل آلیاژهای بسیاری می شود که حاوی قلع هستند. در حقیقت، قلع فلزی بسیار نرم است و کاربردی عملی ندارد. با توجه به اینکه در گذشته فراوانی کمتری نسبت به طلا داشت، ارزش آن بالاتر از طلا بود. قلع را با سرب، آنتیوموان، بیسموت یا مس مخلوط می کردند تا آلیاژی سخت به دست آورند. از پیوتر در ساخت ظروف، ابزار جراحی، شمعدان ها، قیف ها و جواهرآلات استفاده می شد.

فولاد
فولاد، آلیاژی از آهن، کربن و برخی عناصر دیگر همچون نیکل و کبالت است. اضافه کردن عناصر دیگر سبب افزایش کیفیت های مختلف مانند سختی و مقاومت کششی می شود. آلیاژی دیگر از آهن که شامل کروم، نیکل و دیگر عناصر باشد را فولاد ضد زنگ می نامند.

با معرفی «کوره بلند» (Blast Furnace) در قرون وسطی، استفاده از چدن نیز رواج پیدا کرد. از آن جایی که چدن را می توانستند ذوب کنند، فرآیندهایی ابداع شد که به کمک آن، میزان کربن موجود در چدن کاهش پیدا کرد که در تولید فولاد موثر بود به طوریکه در سال 1858، روشی ابداع شد که با دمیدن هوای گرم به داخل چدن مذاب، کربن موجود در چدن کاهش پیدا می کرد.

آلیاژهایی که از آهن ساخته نشده اند
«آلیاژهای بی آهن» (nonferrous Alloys)، آلیاژهایی هستند که در ساخت آن ها از آهن استفاده نشده است. آلیاژهایی که در دوران باستان مورد استفاده قرار می گرفت، همگی از آهن ساخته شده بودند و در برابر شعله، ذوب می شدند. در قرن 18، آنتوان لاوازیه زحمات بسیاری را برای معرفی نظریه اکسیژن متحمل شد. این نظریه به درستی، پدیده هایی همچون اکسیداسیون را توضیح می داد. لاوازیه پیش بینی کرد که بسیاری از نمک ها و مواد قلیایی، شامل فلزاتی هستند که به شدت با اکسیژن واکنش می دهند و نمی توان از طریق حرارت و روش های معمول، آن ها را ذوب کرد. کارهای او سبب توسعه جدول تناوبی عناصر شد.

به دلیل واکنش پذیری بالا، بسیاری از فلزات تا قرن 19 کشف نشدند. روش استخراج آلومینیوم از بوکسیت در سال 1807 توسط «همفری دیوی» (Humphry Davy) معرفی شد که شامل استفاده از قوس الکتریکی بود. در نهایت در سال 1855، اولین محموله های آلومینیوم خالص به فروش رسیدند. البته در آن زمان همچنان ناخالصی هایی در آلومینیوم وجود داشت که درصد بسیاری از آن شامل مس بود. این آلیاژهای مس و آلومینیوم استحکام بالایی داشتند. از آلیاژهای آلومینیوم استفاده های زیادی نمی شد تا اینکه برادران رایت در سال 1903، از آن برای تولید اولین موتور هواپیما استفاده کردند. در خلال سال های 1865 تا 1910، فرآیندهای متعددی برای استخراج فلزات معرفی شد که موجب کشف فلزاتی همچون کروم، وانادیم، تنگستن، ایریدیوم، کبالت و مولیبدن بود. کشف این عناصر، توسعه آلیاژهای مختلف را به همراه داشت.

تا قبل از سال 1910، تولید آلیاژ، محدود به مقیاس های آزمایشگاهی بود، اما با توسعه صنعت هوانوردی و اتومبیل سازی، تولید آلیاژ بعد از این سال ها، رنگ صنعتی به خود گرفت. آلیاژهای منیزیم برای پیستون ها و چرخ ها در خودروها توسعه پیدا کردند. همچنین از آلیاژهای آلومینیوم برای ساخت پوسته هواپیماها استفاده شد.

نمونه هایی از آلیاژهای آهن
در زیر، جدولی از آلیاژهای پرکاربرد آهن آورده شده است:

جدول آلیاژهای آهن

فرآیند پیرسختی

در سال 1906، فرآیند «پیرسختی» (Precipitation Hardening) توسط «آلفرد ویلم» (Alfred Wilm) معرفی شد. آلیاژهای پیرسختی برخی فلزات مانند آلومینیوم، تیتانیوم و مس را می توان با روش های حرارتی فرآوری کرد به گونه ای که این نوع از آلیاژها زمانی که به سرعت سرد شوند، نرم خواهند بود و با گذشت زمان سخت می شوند. با توجه به اینکه معمولا این آلیاژها استحکام بالا و وزن کمی دارند، در ساخت هواپیماها از آن ها بهره می گیرند.