آلیاژ

حمیدرضا طاهری جم
تاریخ: 1397/07/29
زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۳ دقیقه
فولاد

 انبار زمین از مواد شگفت انگیزی همچون طلا وتیتانیوم …. پر است با زمین  می تواند تقریبا هر نیاز را تامین کند. عناصر شیمیایی سازه های پایه ساختمان هستند که از طریق آن تمام مواد داخل زمین ساخته می شوند. ۹۰ عنصر طبیعی وجود دارد و اکثر آنهافلزات هستند .  مناسب است. به عنوان مثال آهن را ببینید این عنصر بسیار شگفت انگیز است، اما می تواند کاملا شکننده باشد و همچنین به راحتی در هوا مرطوب از بین برود. 

 آلومینیوم چیست؟. این عنصر بسیار سبک است، اما در شکل خالص آن بسیار نرم و ضعیف است که بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. به همین دلیل است که بیشتر فلزات مورد استفاده ما در واقع از فلزات نیستند، بلکه از  آلیاژها هستند : فلزات در ترکیب با مواد دیگر، آنها را قوی تر، سخت تر، سبک تر، یا بهتر از سایر روش ها می سازند. آلیاژها در همه جا در اطراف ما هستند – از پر کردن دندان های ما و چرخ های آلیاژی در اتومبیل ما به ماهواره های فضایی سرشاخه ها. بیایید نگاهی دقیق تر به آنچه که هستند و چرا آنها بسیار مفید هستند!

آلیاژ

آلیاژ

آلیاژ چیست؟

آلیاژ

عکس: این نمونه از آلیاژ تیتانیوم و نیکل برای استفاده از الکتریسته به منظور هدایت (شناور در هوا وسط) ساخته شده است . این یکی از معروف ترین مواد جدید قابل استفاده برای استفاده در فضا است. عکس (NASA-MSFC) ناسا.

شما ممکن است آلیاژ کلمه را که به عنوان “مخلوط فلزات” توصیف شدهبدانید را ببینید، اما کمی گمراه کننده است زیرا برخی از آلیاژها تنها یک فلز دارند و با مواد دیگری مانند غیر فلزی مخلوط شده اند (چدن، به عنوان مثال، آلیاژ ساخته شده از فقط یک فلز فلزی، آهن، مخلوط با یک غیر فلزی، کربن). بهترین راه برای فکر کردن به یک آلیاژ به عنوان ماده ای است که از حداقل دو عنصر شیمیایی متفاوت تشکیل شده است.

یکی از آنها یک فلز است. مهم ترین جزء فلزی از آلیاژ (اغلب به نمایندگی ۹۰ درصد یا بیشتر از مواد) نامیده می شودفلز اصلی از فلز ، و یا فلز پایه . اجزای دیگر آلیاژ (که آلیاژهای نامیده می شوند) می تواند فلزات یا غیر فلزات باشد و آنها در مقادیر بسیار کوچکتر (گاهی کمتر از ۱ درصد کل) هستند. اگرچه یک آلیاژ گاهی اوقات می تواند یک ترکیب باشد (عناصر ساخته شده از آنها با هم ترکیب شیمیایی دارند)، معمولا یک محلول جامد است.

ساختار آلیاژ

اگر به یک میکروسکوپ الکترونی قدرتمند به یک فلز نگاه کنید ، می توانید اتم ها را داخل یک ساختار منظم به نام یک شبکه بلوری مشاهده کنید . تصور کنید یک جعبه مقوایی کوچک پر از سنگ مرمر است و این چیزی است که شما می توانید ببینید. در آلیاژ، جدا از اتمهای فلز اصلی، اتمهای عوامل آلیاژ در سراسر ساختار وجود دارد. (تصور کنید چند توپ پلاستیکی را به داخل جعبه مقوایی بکشید تا آنها به صورت تصادفی در میان مرمرها مرتب شوند.)

آلیاژ

آلیاژ

 

آلیاژهای جایگزین

اگر اتم های عامل آلیاژی جایگزین اتم های فلز اصلی شوند،  یک آلیاژ مانند این فقط اگر اتم های فلز پایه و آلیاژهای آن تقریبا مشابه باشند، شکل می گیرد. در بیشتر آلیاژهای جایگزین، عناصر تشکیل دهنده در جدول تناوبی کاملا نزدیک به یکدیگر هستند. به عنوان مثال، برنج یک آلیاژ جایگزینی بر اساس مس است که در آن اتم های رویجایگزین ۱۰-۳۵ درصد از اتم هایی هستند که به طور معمول در مس هستند. برنج به عنوان یک آلیاژ کار می کند زیرا مس و روی در جدول تناوبی نزدیک به یکدیگر هستند و اتم هایی با اندازه تقریبا مشابه دارند.

آلیاژهای بینابینی

آلیاژها  می توانند شکل بگیرند اگر عامل آلیاژ یا عامل ها دارای اتم هایی هستند که بسیار کوچکتر از فلز اصلی هستند. در این حالت، اتم های عامل در میان اتم های اصلی فلز (در شکافها یا درون شکافها) لغزش می دهند، و آنچه را که آلیاژ بینابینی نامیده می شود، لغزش می دهد . فولاد نمونه ای از آلیاژ بینابینی است که در آن تعداد کمی از اتم های کربن در شکاف بین اتم های بزرگ در یک شبکه ی بلوری از آهن لغزش می کنند.

آلیاژها چگونه رفتار می کنند؟

ریخته گری آلیاژهای برنجی در کوره در ریخته گری برنج آمریکایی. عکس توسط Jet Lowe / LOC

عکس: این نه تنها مواد اولیه (فلزات و اجزای دیگر) است که خواص یک آلیاژ را تحت تاثیر قرار می دهند. چگونگی ترکیب این ترکیبات بسیار مهم است. سرعت ریختن یا تکان دادن، درجه حرارت ریختن و میزان خنک شدن برخی از عوامل است که می تواند خواص فیزیکی آلیاژها را تحت تاثیر قرار دهد.

مردم آلیاژها را ساخته و استفاده می کنند زیرا فلزات دقیقا خواص مناسب برای یک کار خاص را ندارند. آهن یک ماده ساختمانی عالی است ، اما فولاد (آلیاژ ساخته شده با افزودن مقدار کمی از کربن غیر فلزی به آهن) قوی تر، سخت تر و ضد زنگ است. آلومینیوم یک فلز بسیار سبک است اما در فرم خالص آن بسیار نرم است. مقدار کمی از فلزات منیزیم، منگنز و مس را اضافه کنید و یک آلومینیوم عالی آلومینیومی به نام duralumin ایجاد کنید.

که به اندازه کافی قوی است تا هواپیمارا بسازید .آلیاژها همیشه بر روی فلز اصلی در یک یا چند ویژگی مهم فیزیکی خود نشان می دهند (چیزهایی مانند قدرت، دوام، توانایی انجام الکتریسیته ، توانایی مقاومت در برابر حرارت، و غیره). به طور کلی، آلیاژهای سخت تر و سخت تر از فلزات اصلی خود هستند، کمتر قابل انعطاف (کار سخت تر است) و کم چرب (سخت تر برای کشیدن سیم ها).

آلیاژ منیزیم

عکس: دانشمندان در NASA Ames یک تکنیک برای اتمیزه کردن گاز فشار بالا برای ساده سازی تولید آلیاژهای منیزیم ایجاد کرده اند.

آلیاژها چگونه ساخته می شوند؟

شما ممکن است ایده آلیاژ را به عنوان “مخلوط فلزات” در نظر بگیرید. چگونه شما می توانید دو مخلوط از فلز جامد را مخلوط کنید؟ روش سنتی ساخت آلیاژها، اجزای حرارت دادن و ذوب شدن برای تولید مایعات بود، آنها را با هم مخلوط  می کردند، و سپس به آنها اجازه داد تا به محلول جامد (معادل یک محلول مانند نمک در آب) خنک شوند . یک راه جایگزین برای ساخت آلومینیوم این است که اجزای را به پودر تبدیل کنید، آنها را با هم مخلوط کنید.

 سپس آنها را ترکیبی از فشار بالا و دمای بالا را با هم مخلوط کنید. این روش به نام متالورژی پودر شناخته می شود . سومین روش ساخت آلیاژی این است که پرتوهای یونها (اتمهای با تعداد بسیار زیاد الکترون یا بیش از اندازه الکترون) را به لایه سطحی یک قطعه فلز متمرکز کنند. ایمپلنت یون، به عنوان شناخته شده است، راه بسیار دقیق برای ساخت یک آلیاژ است. احتمالا بیشتر به عنوان راهی برای ساخت نیمه هادی ها در مدارهای الکترونیکیو تراشه های کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد . 

برخی از آلیاژهای معمولی و آنچه ما برای آنها استفاده می کنیم

آلیاژهای مختلفی برای  اهداف مختلف استفاده می شود. ما در جدول زیر ۲۰ مورد از رایج ترین (پرکاربرددر ) آن را ذکر کرده ایم. تعدادی از انواع مختلف در بسیاری از آلیاژها وجود دارد و مخلوط دقیق می تواند به طور گسترده ای متفاوت باشد، بنابراین درصد درصد که شما در کتاب های مختلف نقل قول می کنید، اغلب دقیقا موافق نیستند.

 

آلیاژاجزاءاستفاده های معمول
آلنیکو(یک مدل آهنربا)آهن (۵۰٪ +)، آلومینیوم (۸-۱۲٪)، نیکل (۱۵-۲۵٪)، کبالت (۵-۴۰٪)، و همچنین فلزات دیگر مانند مس و تیتانیوم .آهن ربا در بلندگو ،گیتاربرقی.
آمالگامجیوه (۵۵-۵۵٪)، به همراه نقره ، قلع، مس و روی.پر کردن دندان
فلز بابیت (“فلز سفید”)قلع (۹۰٪)، آنتیموان (۷-۱۵٪)، مس (۱۰-۴٪).پوشش اصطکاک در بلبرینگ ماشین.
برنجمس (٪ ۶۵-۹۰)، روی (٪ ۱۰-۳۵).قفل درب و پیچ و مهره، آلات موسیقی برنج، لوله های گرمایش مرکزی .
برنزمس (۷۸-۹۵٪)، قلع (۲۲-۵٪)، به همراه منگنز، فسفر، آلومینیوم یا سیلیکون.مجسمه های تزئینی، آلات موسیقی.
چدنآهن (۹۶-۹۸ درصد)، کربن (۲-۴ درصد)، و همچنین سیلیکون.سازه های فلزی مانند پل ها و وسایل آشپزی سنگین.
نیکل ومسمس (۷۵٪)، نیکل (۲۵٪)، و همچنین مقدار کمی منگنز.سکه ها
زیرکونیومآلومینیوم (۹۴٪)، مس (۴٫۵-۵٪)، منیزیم (۰٫۵-۱٫۵٪)، منگنز (۰٫۵-۱٫۵٪).قطعات بدنه خودرو و هواپیما، تجهیزات نظامی.
فسفرمس (۸۰-۹۰٪)، قلع (۳-۱۰٪)، روی (۲-۳٪) و فسفر.اسلحه، اقلام تزئینی.
مگنزمنیزیم، آلومینیوم.راکتورهای هسته ای
نیکرومنیکل (۸۰٪)، کروم(۲۰٪).دستگاه های آتش سوزی آتش نشانی، عناصر حرارتدر لوازم الکتریکی.
نیتینولنیکل (۵۰-۵۵٪)، تیتانیوم (۴۵-۵۰٪).آلیاژشکل حافظه  مورد استفاده در موارد پزشکی، فریم های عینک که به عقب به شکل شکل می گیرد و سوئیچ های دما.
پودرقلع (۸۰-۹۹٪) با مس، سرب و آنتیموان.زیور آلات، استفاده می شود برای ساخت کارد و چنگال قبل از شیشه بیشتر رایج شد.
لحیم کاری لحیم کاری قدیمی حاوی ترکیبی از قلع (۵۰-۷۰٪)، سرب (۳۰-۵۰٪)، مس، آنتیموان و سایر فلزات است. لحیم کاری های جدیدتر با توجه به دلایل سلامت به سرب کمک می کند. یک لحیم معمولی مدرن دارای ۹۹٫۲۵ درصد قلع و ۰٫۷۵ درصد مس استاتصال قطعات الکتریکی به مدارها.
فولاد (به طور کلی)آهن (۹۸-۸۰٪)، کربن (۰٫۲-۲٪)، و همچنین فلزات دیگر مانند کروم، منگنز و وانادیم.سازه های فلزی، قطعات ماشین و هواپیما و بسیاری از کاربردهای دیگر.
فولاد ضد زنگآهن (۵۰٪ +)، کروم (۱۰-۳۰٪)، به علاوه مقادیر کم کربن، نیکل، منگنز، مولیبدن و دیگر فلزات.طلا و جواهر، ابزار پزشکی، کارد و چنگال.
استلایتکبالت (۶۷٪)، کروم (۲۸٪)، تنگستن (۴٪)، نیکل (۱٪).پوشش برای ابزارهای برش مانند دندان های اره، تراش ها و 
نقره نقره (۹۲٫۵٪)، مس (۷٫۵٪).کارد و چنگال، جواهرات، ابزار پزشکی، آلات موسیقی.
طلای سفید (۱۸ قیراط)طلا (۷۵٪)، پالادیوم (۱۷٪)، نقره (۴٪)، مس (۴٪)جواهر سازی.