آلیاژ چیست؟ – به زبان ساده
مقدمه
طبقه‌بندی آلیاژها
پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با مفهوم آلیاژ و انواع، ساختار و کاربردهای آن‌ها، فیلم آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.
انحلال‌پذیری در آلیاژها
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 می‌سازند 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 آن‌ها را به سرعت سرد کنند، به صورت یک فاز همگن متبلور می‌شوند که به آن‌ها «فوق اشباع» (Super Saturated) می‌گویند. با گذشت زمان، اتم‌های این آلیاژهای فوق اشباع، از شبکه بلوری جدا و موجب پایداری بیشتر و افزایش مقاومت داخلی بلور می‌شوند.
برخی آلیاژها به طور طبیعی نیز یافت می‌شوند که از آن‌جمله می‌توان به «الکتروم» (Electrum)، آلیاژی از طلا و نقره اشاره کرد. شهاب‌سنگ‌ها معمولا آلیاژهای طبیعی از آهن و نیکل هستند که در زمین بوجود نمی‌آیند. از اولین آلیاژهای ساخته دشت بشر، برنز بود که ترکیبی از فلزات قلع و مس است. این آلیاژ در دوران باستان استفاده‌های گسترده‌ای داشت چراکه از عناصر سازنده خود بسیار مستحکم‌تر و سخت‌تر بود. از آلیاژهای پرکاربرد گذشته به فولاد نیز می‌توان اشاره کرد. البته فولاد را به طور تصادفی به هنگام ذوب کردن سنگ آهن بدست می‌آوردند.
تئوری ساخت آلیاژ
ساخت آلیاژ یک فلز به کمک ترکیب آن با یک یا چند عنصر دیگر انجام می‌شود. معمول‌ترین و قدیمی‌ترین 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 می‌کند و در حضور نیتروژن می‌سوزد. در نتیجه، فرآیند تهیه آلیاژهای تیتانیوم نیازمند محیط خلاء است.
فرآوری آلیاژها
سختی، چکش‌خواری یا سایر خواص مورد نظر در آلیاژها را می‌توان به کمک تغییر در ساختار بلوری آن‌ها عوض کرد. این تغییرات را می‌توان در طول فرآیند «تغییر شکل پلاستیکی» (Plastic Deformation) از طریق چکش‌کاری، خمش، ماشین‌کاری و ... بوجود آورد. تغییرات اعمال شده، تا زمان انجام «تبلور مجدد» (Recrystallization) بدون تغییر باقی خواهند ماند. همچنین، خواص برخی از آلیاژها را می‌توان به کمک روش‌های حرارتی بهبود بخشید. تقریبا تمامی فلزات به کمک روش «بازپخت» (Annealing) نرم می‌شوند اما بسیاری از فلزات را نمی‌توان با حرارت و سرد کردن کنترل شده، سخت کرد. بیشتر آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیم، تیتانیوم و نیکل را با استفاده از روش‌های حرارتی می‌توان استحکام بخشید.
مکانیسم‌های 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 Exchange)
- مکانیسم درون شبکه‌ای
اندازه نسبی هر اتم در مخلوط، نقش اصلی را در تعیین نوع مکانیسم تولید ایفا می‌کند. زمانی که اندازه اتم‌ها نسبت به یکدیگر تقریبا یکسان باشند، مکانیسم تبادل اتمی اتفاق می‌افتد. این مکانیسم به این صورت است که برخی از اتم‌ها در بلور فلز با اتم‌های عنصر دیگر جایگزین می‌شوند که به آلیاژ حاصل، آلیاژ جانشینی می‌گویند. از نمونه‌های این آلیاژ می‌توان به برنز و برنج اشاره کرد که در آن، برخی اتم‌های مس با اتم‌های قلع یا روی جابجا شده‌اند.
در مکانیسم درون شبکه‌ای، یکی از اتم‌ها بسیار کوچکتر از دیگری است و به طور کامل نمی‌تواند جایگزین اتم دیگر در بلور فلز شود. در مقابل، اتم کوچکتر در فضای خالی بین شبکه بلور به دام می‌افتد. به آلیاژ حاصل، درون شبکه‌ای می‌گویند. از نمونه‌های این آلیاژ می‌توان به فولاد اشاره کرد چراکه اتم‌های بسیار ریز کربن در میان شبکه بلوری آهن جای گرفته‌اند.
علاوه بر این، فولاد ضد زنگ نمونه‌ای از ترکیب این دو مکانیسم در تولید آلیاژ است. در این آلیاژ، اتم کربن در شبکه بلور به دام افتاده است و برخی اتم‌های نیکل و کروم در شبکه فلز، جایگزین اتم‌های آهن شده‌اند.
تاریخچه و مثال‌هایی از آلیاژ
آلیاژ برنز و برنج
آمالگام
جیوه را از گذشته به کمک ذوب کردن ماده‌ای به نام «شنگرف» (Cinnabar) بدست می‌آوردند. جیوه، بسیاری از فلزات همچون طلا، نقره و قلع را برای تشکیل آمالگام (ملغمه) در خود حل می‌کند. در حقیقت، آمالگام آلیاژی است که در دمای محیط به حالت خمیری یا مایع قرار دارد. آمالگام را از گذشته‌های دور در چین به منظور طلاکاری (تذهیب) زره‌های جنگی به کار می‌بردند. همچنین آن‌را به صورت خمیر نیز استفاده می‌کردند و بعد از حرارت دادن، جیوه موجود در آن بخار می‌شد و لایه‌ای از طلا، نقره یا قلع باقی می‌ماند. علاوه بر این، از جیوه برای استخراج طلا و نقره از سنگ معدن‌های این مواد بهره می‌گرفتند.
آلیاژ فلزات گرانبها
پیوتر
واژه «پیوتر» (Pewter)، شامل آلیاژهای بسیاری می‌شود 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 می‌کردند تا آلیاژی سخت بدست آورند. از پیوتر در ساخت ظروف، ابزار جراحی، شمعدان‌ها، قیف‌ها و جواهرآلات استفاده می‌شد.
فولاد
فولاد، آلیاژی از آهن، کربن و برخی عناصر دیگر همچون نیکل و کبالت است. اضافه کردن عناصر دیگر سبب افزایش کیفیت‌های مختلف مانند سختی و مقاومت کششی می‌شود. آلیاژی دیگر از آهن که شامل کروم، نیکل و دیگر عناصر باشد را فولاد ضد زنگ می‌نامند.
با معرفی «کوره بلند» (Blast Furnace) در قرون وسطی، استفاده از چدن نیز رواج پیدا کرد. از آن‌جایی که چدن را می‌توانستند 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 می‌کرد.
آلیاژهایی که از آهن ساخته نشده‌اند
تا قبل از سال ۱۹۱۰، تولید آلیاژ، محدود به مقیاس‌های آزمایشگاهی بود، اما با توسعه صنعت هوانوردی و اتومبیل‌سازی، تولید آلیاژ بعد از این سال‌ها، رنگ صنعتی به خود گرفت. آلیاژهای منیزیم برای پیستون‌ها و چرخ‌ها در خودروها توسعه پیدا کردند. همچنین از آلیاژهای آلومینیوم برای ساخت پوسته هواپیماها استفاده شد.
نمونه‌هایی از آلیاژهای آهن
در زیر، جدولی از آلیاژهای پرکاربرد آهن آورده شده است:
| جدول آلياژهای آهن | ||
| فولاد | فولاد ضدزنگ | |
| «سلستریوم» (Celestrium) | فولاد سیلیکونی | «کرومولی» (Chromoly)، آلیاژی از کروم و مولیبدن |
| فولاد HSLA | رینولدز 531 | «فرووانادیم» |
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 می‌توان با روش‌های حرارتی فرآوری کرد به گونه‌ای که این نوع از آلیاژها زمانی که به سرعت سرد شوند، نرم خواهند بود و با گذشت زمان سخت می‌شوند. با توجه به اینکه معمولا این آلیاژها استحکام بالا و وزن کمی دارند، در ساخت هواپیماها از آن‌ها بهره می‌گیرند.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
- مجموعه آموزش‌های مهندسی مواد و معدن
- آموزش ریخته گری و انجماد مواد فلزی
- آبکاری — به زبان ساده
- آلومینیوم و فرآیند هال — از صفر تا صد
^^
آزمون سنجش یادگیری
۱. تعریف دقیق آلیاژ چیست؟
عنصر خالص با خلوص بالا و ویژگی مکانیکی ویژه
ترکیب چند فلز یا فلز با عنصر نافلزی دارای خواص متفاوت
ترکیبی از مواد غیرفلزی برای افزایش سختی
مخلوط محلول جامد فقط از فلزات مشابه
آلیاژ به ترکیب دو یا چند فلز یا فلز با عنصر نافلزی گفته می‌شود که ویژگی‌هایی متفاوت از اجزای خالص خود دارد. بنابراین «ترکیب چند فلز یا فلز با عنصر نافلزی دارای خواص متفاوت» تعریف درست است.
۲. با ترکیب فلزات و تشکیل آلیاژ، کدام خصوصیات نسبت به حالت خالص آن عناصر معمولا تغییر می‌کند؟
مقاومت و سختی افزایش می‌یابد.
چگالی به طور چشمگیری کاهش می‌یابد.
شفافیت نوری ایجاد می‌شود.
رسانایی حرارتی بهتر می‌شود.
هنگام ترکیب فلزات و ساخت آلیاژ، معمولا ویژگی‌هایی مانند مقاومت و سختی دچار افزایش می‌شوند که دلیل اصلی استفاده مهندسی از آن‌هاست.
۳. چه تفاوت اصلی بین ترکیبات میان‌فلزی و محلول جامد معمولی وجود دارد؟
ترکیبات میان‌فلزی فقط از عناصر نافلزی تشکیل می‌شوند.
محلول جامد همیشه غیر رسانا است ولی ترکیبات میان‌فلزی رسانا هستند.
ترکیبات میان‌فلزی نسبت‌های استوکیومتری مشخص و ساختار بلوری خاص دارند.
محلول جامد ساختاری غیر منظم و ترکیبات میان‌فلزی ساختاری بی‌شکل دارند.
ترکیبات میان‌فلزی «نسبت‌های استوکیومتری مشخص و ساختار بلوری ویژه» دارند که آن‌ها را از محلول‌های جامد معمولی متمایز می‌کند، زیرا محلول جامد معمولی چنین ساختار معین و ثابتی ندارد.
۴. در صنعت ساختمان برای دست‌یابی به بیشترین مقاومت مکانیکی همراه با صرفه اقتصادی، کدام ترکیب و روش بهبود مناسب‌تر است؟
برنج حاوی روی با آهنگری و آنیل کردن
آلومینیوم آلیاژی با کار سرد و تبلور مجدد
فولاد همراه با عملیات حرارتی مانند بازپخت و سخت‌کاری
برنز با افزودن قلع و انجام پیرسختی
استفاده از فولاد به همراه عملیات حرارتی همچون بازپخت و سخت‌کاری کاربرد گسترده‌ای در صنعت ساختمان دارد، زیرا فولاد با افزودن کربن یا عناصر دیگر هزینه کمی دارد و پایداری مکانیکی بالایی به دست می‌آورد. روش‌های فیزیکی و حرارتی در تولید فولاد نه تنها مقاومت و استحکام را افزایش می‌دهند، بلکه کارایی آن را در ساختمان‌سازی چشمگیر می‌کنند.
۵. چگونه تفاوت اندازه اتم‌ها بر خواص آلیاژها نسبت به فلزات خالص تاثیر می‌گذارد؟
همسان بودن اندازه اتم‌ها آلیاژ را نسبت به فلزات خالص سنگین‌تر می‌کند.
اندازه‌های متفاوت اتم‌ها منجر به ایجاد تنش داخلی و تغییر خواص مکانیکی آلیاژ می‌گردد.
وجود اتم‌های بزرگتر باعث پایدارتر شدن ساختار بلوری آلیاژ می‌شود.
تفاوت اندازه اتم‌ها باعث افزایش رسانایی الکتریکی آلیاژ می‌شود.
زمانی که اتم‌های سازنده آلیاژ دارای اندازه‌های متفاوتی باشند، این موضوع در ساختار شبکه بلوری سبب ایجاد تنش داخلی می‌شود و همین تنش‌ها باعث تغییر چشمگیر در خواص مکانیکی آلیاژ مانند مقاومت، استحکام و دیگر ویژگی‌ها نسبت به فلزات خالص خواهد شد.
۶. دو مکانیسم اصلی در تولید آلیاژها کدامند و برای هر کدام یک مثال صنعتی بیان کنید.
تبادل اتمی مانند برنج و درون شبکه‌ای مانند فولاد
آلیاژسازی مکانیکی مانند آمالگام و تبخیر حرارتی مانند الکتروم
تبدیل فاز شیشه‌ای مانند فولاد و پوشش‌دهی سطحی مانند لحیم
حل شدن اکسیدها مانند برنز و برش سرد مانند پیوتر
در تولید آلیاژها دو مکانیسم مهم معرفی شده‌اند: در حالت «تبادل اتمی» اگر اتم‌ها اندازه مشابهی داشته باشند، جایگزین یکدیگر می‌شوند که نمونهٔ معروف آن «برنج» است. در مکانیسم «درون شبکه‌ای» اتم کوچکتر در فضای شبکه جا می‌گیرد که فولاد نمونهٔ صنعتی آن است.
مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریع‌تر ببینید
درود در چند قسمت از مقاله از آلیاژ به عنوان ترکیب دو یا چند فلز یا نافلز یاد شد اما این از ظر علمی نادرست است و باید زا واژه مخلوط به کار بگیریم
با سلام؛
با توجه به تعریف علم مواد، آلیاژ در واقع مخلوطی از دو یا چند عنصر (حداقل یک فلز) است. البته در برخی منابع آموزشی برای ساده‌سازی از واژه ترکیب استفاده می‌شود، اما از نظر دقیق علمی، به‌کار بردن واژه مخلوط مناسب‌تر است.
با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس