آلیاژ مخلوطی از عناصر شیمیایی است که حداقل یکی از آنها فلز است. برخلاف ترکیبات شیمیایی با پایههای فلزی، یک آلیاژ تمام خواص یک فلز را در مواد حاصل مانند هدایت الکتریکی، شکل پذیری، کدورت و درخشندگی حفظ میکند، اما ممکن است دارای خواص متفاوت با فلزات خالص باشد، مانند افزایش استحکام یا سختی در برخی موارد، همچنین یک آلیاژ ممکن است هزینه کلی تولید مواد را کاهش دهد و در عین حال خواص مهمی که برای ساخت قطعات لازم است را حفظ کند. در موارد دیگر، این مدل از مخلوط کردن عناصر فلزی میتواند خواص هم افزایی؛ مانند مقاومت در برابر خوردگی یا استحکام مکانیکی به قطعه بدهد.
معرفی آلیاژ
آلیاژ مخلوطی از عناصر شیمیایی است که یک ماده ناخالص (مخلوط) ایجاد میکند که ویژگیهای یک فلز را حفظ میکند. یک آلیاژ از فلز ناخالص متمایز است؛ زیرا با یک آلیاژ، عناصر اضافه شده به خوبی کنترل میشوند تا خواص مطلوبی ایجاد کنند، در حالی که فلزات ناخالص مانند آهن فرفورژه کمتر کنترل میشوند، اما اغلب مفید در نظر گرفته میشوند. آلیاژها از اختلاط دو یا چند عنصر که حداقل یکی از آنها فلز است ساخته میشود. معمولاً به آن فلز اولیه یا فلز پایه میگویند و نام این فلز ممکن است نام آلیاژ نیز باشد. سایر اجزا ممکن است فلز باشند یا نباشند، اما وقتی با پایه مذاب مخلوط میشوند، محلول میشوند و در مخلوط حل میشوند.
خواص مکانیکی آلیاژها اغلب کاملاً متفاوت از اجزای تشکیل دهنده آن است. فلزی که معمولاً بسیار نرم (چک خوار) است، مانند آلومینیوم، میتواند با آلیاژ کردن آن با فلز نرم دیگری مانند مس، تغییر یابد. اگرچه هر دو فلز بسیار نرم و انعطافپذیر هستند، آلیاژ آلومینیوم مس به دست آمده استحکام بسیار بیشتری خواهد داشت. افزودن مقدار کمی کربن غیر فلزی به آهن، شکل پذیری عالی آن را با استحکام بیشتری به ارمغان میآورد و آلیاژی به نام فولاد را تولید میکند. فولاد به دلیل استحکام بسیار بالا، اما همچنان چقرمگی قابل توجه و توانایی آن در تغییر شدید توسط عملیات حرارتی، یکی از مفیدترین و رایجترین آلیاژها در ساخت قطعات متفاوت است.
با افزودن کروم به فولاد، مقاومت آن در برابر خوردگی افزایش مییابد و فولاد ضد زنگ ایجاد میشود، در حالی که افزودن سیلیکون ویژگیهای الکتریکی آن را تغییر میدهد و فولاد سیلیکونی تولید میکند.
مانند نفت و آب، یک فلز مذاب ممکن است همیشه با عنصر دیگری مخلوط نشود. بهعنوانمثال، آهن خالص تقریباً به طور کامل با مس نامحلول است. حتی زمانی که اجزای تشکیل دهنده محلول هستند، هر کدام معمولاً دارای یک نقطه اشباع هستند که فراتر از آن نمیتوان اجزاء تشکیل دهنده دیگری را اضافه کرد. برای مثال آهن میتواند حداکثر ۶٫۶۷ درصد کربن را در خود نگه دارد. اگرچه عناصر یک آلیاژ معمولاً باید در حالت مایع محلول باشند، اما ممکن است همیشه در حالت جامد محلول نباشند. اگر فلزات در حالت جامد محلول باقی بمانند، آلیاژ یک محلول جامد تشکیل میدهد و به ساختاری همگن متشکل از کریستالهای یکسان تبدیل میشود که فاز نامیده میشود.
اگر با سرد شدن مخلوط، اجزای تشکیل دهنده نامحلول شوند، ممکن است از هم جدا شوند تا دو یا چند نوع کریستال مختلف را تشکیل دهند و یک ریزساختار ناهمگن از فازهای مختلف ایجاد کنند. با این حال، در سایر آلیاژها، عناصر نامحلول ممکن است تا زمانی که تبلور رخ ندهد از هم جدا نشوند. اگر خیلی سریع سرد شوند، ابتدا به صورت یک فاز همگن متبلور میشوند، اما از اجزای ثانویه فوق اشباع میشوند. با گذشت زمان، اتمهای این آلیاژهای فوق اشباع میتوانند از شبکه کریستالی جدا شده و پایدارتر شوند و فاز دومی را تشکیل دهند که برای تقویت کریستالها در داخل عمل میکند.
تاریخچه آلیاژ
برخی از آلیاژها، مانند الکتروام، آلیاژی از نقره و طلا هستند که به طور طبیعی وجود دارند. گاهی اوقات شهابسنگها از آلیاژهای طبیعی آهن و نیکل ساخته میشوند، اما بومی زمین نیستند. یکی از اولین آلیاژهای ساخته شده توسط انسان برنز بود که مخلوطی از فلزات قلع و مس است. برنز یک آلیاژ فوقالعاده مفید برای قدیم بود، زیرا بسیار قویتر و سختتر از هر یک از اجزای آن است.
فولاد یکی دیگر از آلیاژهای رایج بود. با این حال، در زمانهای قدیم، تنها میتوانست به عنوان یک محصول جانبی تصادفی از حرارت دادن سنگ آهن در آتشسوزی (ذوب) در هنگام ساخت آهن ایجاد شود.
سایر آلیاژهای باستانی عبارتاند از برنج و چدن. خوشبختانه، در عصر مدرن، فولاد را میتوان به اشکال مختلف تولید کرد. فولاد کربنی را میتوان تنها با تغییر محتوای کربن و با تولید آلیاژهای نرم؛ مانند فولاد ملایم یا آلیاژهای سخت مانند فولاد فنری ساخت. فولادهای آلیاژی را میتوان با افزودن عناصر دیگری مانند کروم، مولیبدن، وانادیم یا نیکل تهیه نمود که در نتیجه آلیاژهایی مانند فولاد پرسرعت یا فولاد ابزار تولید میشود. جالب است بدانید، مقدار کم فلز منگنز معمولاً با اکثر فولادهای مدرن آلیاژ میشود؛ زیرا توانایی بالایی در حذف ناخالصیهای ناخواسته مانند فسفر، گوگرد و اکسیژن دارد که میتواند اثرات مضر این مواد بر آلیاژ را از بین ببرد. با این حال، بیشتر آلیاژهایی که امروزه در صنعت مورد استفاده هستند و نقش بسزایی در زندگی ما ایفا میکنند تا پیش از ۱۹۰۰ ساخته نشدند، مانند آلیاژهای مختلف آلومینیوم، تیتانیوم، نیکل و منیزیم و با پیشرفت علم و تکنولوژی ما در نهایت قادر به تولید این آلیاژها شدیم.
ناخالصیهای آلیاژ
آلیاژ از نظر فنی یک فلز ناخالص است، اما زمانی که به آلیاژها اشاره میشود، منظور از اصطلاح ناخالصی معمولاً عناصر نامطلوب موجود در آلیاژها است. به طور کلی، چنین ناخالصیهایی از فلزات پایه و عناصر آلیاژی وارد مخلوط آلیاژی مد نظر ما میشوند، اما با دقت در طول پردازش حذف میشوند. بهعنوانمثال، گوگرد یک ناخالصی رایج در فولاد است. گوگرد به آسانی با آهن ترکیب میشود و سولفید آهن را تشکیل میدهد که بسیار شکننده است و نقاط ضعیفی در فولاد ایجاد میکند. همچنین، لیتیوم، سدیم و کلسیم ناخالصیهای رایج در آلیاژهای آلومینیوم هستند که میتوانند اثرات نامطلوبی بر یکپارچگی ساختاری ریختهگری داشته باشند. برعکس، در غیر این صورت، فلزات خالصی که صرفاً حاوی ناخالصیهای ناخواسته هستند، اغلب «فلزات ناخالص» نامیده میشوند و معمولاً به آنها آلیاژ نمیگویند. اکسیژن موجود در هوا به راحتی با اکثر فلزات ترکیب میشود و اکسیدهای فلزی را تشکیل میدهد. به ویژه در دماهای بالاتر در طول آلیاژسازی، این روند محسوستر نیز میشود. اغلب در طول فرایند آلیاژسازی برای حذف ناخالصیهای اضافی، از فرایند شار استفاده میشود.
طبقهبندی آلیاژها
آلیاژها با ویژگی پیوند فلز تشکیل دهنده خود، تعریف میشوند. ترکیبات آلیاژی معمولاً برای کاربردهای عملی با درصد جرمی و برای مطالعات علوم پایه در کسر اتمی اندازهگیری میشوند. بسته به آرایش اتمی که آلیاژ را تشکیل میدهد، آلیاژها معمولاً به عنوان آلیاژهای جایگزین یا بینابینی طبقهبندی میشوند. آنها را میتوان بیشتر به عنوان همگن (متشکل از یک فاز) یا ناهمگن (شامل دو یا چند فاز) یا بین فلزی طبقهبندی کرد.
یک آلیاژ ممکن است محلول جامدی از عناصر فلزی (یک فاز که در آن تمام دانههای فلزی (کریستالها) از یک ترکیب هستند) یا مخلوطی از فازهای فلزی (دو یا چند محلول، تشکیل ریزساختاری از کریستالهای مختلف در داخل فلز) باشد.
نمونههایی از آلیاژها
- طلای قرمز (طلا و مس)
- طلای سفید (طلا و نقره)
- نقره استرلینگ (نقره و مس)
- فولاد یا فولاد سیلیکونی (آهن با کربن غیرفلزی یا سیلیکون به ترتیب)
- فلز مورد استفاده در لحیمکاری
- برنج
- دورالومین
- برنز
- آمالگام
کاربرد آلیاژها
آلیاژها در طیف گستردهای از کاربردها استفاده میشوند، از آلیاژهای فولادی که در هر مکان و برای هر نوع مصرفی استفاده میشود. برای مثال، از ساختمانها گرفته تا خودروها و ابزارهای جراحی، حتی از آلیاژهای تیتانیوم در ساخت قطعات عجیب و غریب مورد استفاده در صنعت هوافضا تا آلیاژهای بریلیم مس برای ابزارهای بدون جرقه استفاده میشود.
آلیاژ چگونه تولید میشود؟
همانطور که پیشتر نیز گفتیم نحوه تولید یک آلیاژ بدین صورت است که یک فلز با یک یا چند عنصر دیگر ترکیب میشود. متداولترین و قدیمیترین فرایند آلیاژسازی با حرارت دادن فلز پایه و رساندن دمای فلز به دمایی فراتر از نقطه ذوب آن و سپس اضافه و حل کردن عناصر دیگر در مایع مذاب انجام میشود که ممکن است در بعضی مواقع نقطه ذوب عناصری که اضافه میشود به مراتب بیشتر از نقطه ذوب فلز پایه باشد. بهعنوانمثال، تیتانیوم در حالت مایع خود یک حلال بسیار قوی است که قادر به حل کردن اکثر فلزات و عناصر است. علاوه بر این، گازهایی مانند اکسیژن را به راحتی جذب میکند و در حضور نیتروژن میسوزد. این احتمال آلودگی از هر سطح تماسی را افزایش میدهد، و بنابراین باید در خلأ القایی، گرمایش یابد.
با این حال، برخی از فلزات و عناصر، مانند آهن و کربن، نقطه ذوب بسیار بالایی دارند و برای مردم باستان غیرممکن بود که بتوانند این مواد را ذوب کنند؛ بنابراین، آلیاژسازی (مخصوصاً آلیاژسازی بینابینی) ممکن است با یک یا چند ماده در حالت گازی نیز انجام شود، مانند این که در کوره بلند برای ساختن چدن (گاز مایع)، نیترید کردن، کربنیتر کردن یا سایر اشکال سخت شدن کیس یافت میشود. (گاز جامد)، یا فرایند سیمانسازی که برای ساختن فولاد تاول (جامد – گاز) استفاده میشود. همچنین ممکن است با یک، چند یا همه اجزای موجود در حالت جامد انجام شود، مانند روشهای باستانی جوشکاری الگو (جامد – جامد)، برش فولاد (جامد – جامد)، یا تولید فولاد بوتهای ((جامد – جامد) مایع) یا مخلوط کردن عناصر از طریق انتشار حالت جامد.
با افزودن یک عنصر دیگر به فلز پایه و ایجاد تفاوت در اندازه اتمها، باعث ایجاد تنشهای داخلی در شبکه بلورهای فلز پایه میشود. تنشهایی که اغلب خواص فلز را افزایش میدهند. بهعنوانمثال، از ترکیب کربن با آهن، فولاد تولید میشود که از خود فلز آهن که عنصر اصلی آن است، قویتر است. رسانایی الکتریکی و حرارتی آلیاژها معمولاً کمتر از فلزات خالص است. خواص فیزیکی، مانند چگالی، واکنشپذیری، مدول یانگ یک آلیاژ ممکن است تفاوت زیادی با عناصر پایه آن نداشته باشد، اما خواص مهندسی مانند استحکام کششی، شکل پذیری و استحکام برشی ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت از ویژگیهای آلیاژ باشد. گاهی اوقات آلیاژها ممکن است تفاوتهای قابل توجهی را در رفتار نشان دهند حتی زمانی که مقادیر کمی از یک عنصر وجود داشته باشد. بهعنوانمثال، ناخالصیهای موجود در آلیاژهای فرومغناطیسی نیمهرسانا منجر به ظهور خواص متفاوتی در آلیاژ میشوند.
برخلاف فلزات خالص، بیشتر آلیاژها دارای یک نقطه ذوب واحد نیستند، بلکه دارای محدوده ذوبی هستند که در طی آن مواد مخلوطی از فازهای جامد و مایع به دست میآید. دمایی که فرایند ذوب در آن شروع میشود جامدوس و دمای زمانی که ذوب کامل میشود را مایعات نامیده میشود. برای بسیاری از آلیاژها نسبت آلیاژ خاصی وجود دارد که به آن مخلوط یوتکتیک یا ترکیب پریکتتیک گفته میشود که به آلیاژ نقطه ذوب منحصر به فرد و پایینی میدهد.
روشهای رایج تولید آلیاژ در ریختهگری
هنگامی که یک فلز مذاب با ماده دیگری مخلوط میشود، دو روش وجود دارد که میتواند باعث ایجاد آلیاژ شود، اوین روش به نام تبادل اتمی و دومین روش به نام بینابینی است. اندازه نسبی هر عنصر در ترکیب نقش اصلی را در تعیین روش تولیدی دارد. هنگامی که اتمها از نظر اندازه نسبتاً مشابه هستند، روش تبادل اتم معمولاً اتفاق میافتد، جایی که برخی از اتمهای تشکیل دهنده کریستالهای فلزی با اتمهای دیگر اجزا جایگزین میشوند. به این آلیاژ جایگزینی میگویند. نمونههایی از آلیاژهای جایگزین عبارتاند از برنز و برنج که در آنها برخی از اتمهای مس به ترتیب با اتمهای قلع یا روی جایگزین میشوند.
در مورد روش بینابینی، یک اتم معمولاً بسیار کوچکتر از دیگری است و نمیتواند با موفقیت جایگزین نوع دیگر اتم در کریستالهای فلز پایه شود. در عوض، اتمهای کوچکتر در محلهای بینابینی بین اتمهای ماتریس کریستال به دام میافتند. به این آلیاژ بینابینی میگویند. فولاد نمونهای از آلیاژهای بینابینی است، زیرا اتمهای کربن بسیار کوچک در میان لایههای ماتریس آهن قرار میگیرند.
فولاد زنگ نزن نمونهای از ترکیبی از آلیاژهای بینابینی و جایگزینی است، زیرا اتمهای کربن در میان لایهها قرار میگیرند، اما برخی از اتمهای آهن با اتمهای نیکل و کروم جایگزین میشوند.
همانطور که پیشتر نیز اشاره کردیم، به دلیل واکنشپذیری بالا، بیشتر فلزات تا قرن نوزدهم کشف نشدند. اما در نهایت روشی برای استخراج آلومینیوم از بوکسیت توسط هامفری دیوی در سال ۱۸۰۷ با استفاده از قوس الکتریکی پیشنهاد شد. اگرچه تلاشهای او ناموفق بود، اما در سال ۱۸۵۵ اولین آلومینیوم خالص برای فروش به بازار رسید. با این حال، از آنجایی که متالورژی استخراجی هنوز در مراحل ابتدایی خود بود، اکثر فرایندهای استخراج آلومینیوم، آلیاژهای ناخواسته و آلوده به سایر عناصر موجود در سنگ معدن را تولید می کردندکه فراوانترین آن مس بود. این آلیاژهای آلومینیوم – مس (در آن زمان «آلومینیوم برنز» نامیده میشد) مقدم بر آلومینیوم خالص بودند که استحکام و سختی بیشتری را نسبت به فلز نرم و خالص آلومینیوم ارائه میکردند و تا حدودی مشخص شد که قابل استفاده در عملیات حرارتی هستند. با این حال، به دلیل نرمی و سختی محدود، این آلیاژها کاربرد عملی کمی پیدا کردند و بیشتر یک محصول جانبی که به تازگی در بازار معرفی شده بودند تا اینکه برادران رایت از آلیاژ آلومینیوم برای ساخت اولین موتور هواپیما در سال ۱۹۰۳ استفاده کردند. همچنین در بازه زمانی بین ۱۸۶۵ و ۱۹۱۰، فرایندهای استخراج بسیاری از فلزات دیگر مانند کروم، وانادیم، تنگستن، ایریدیم، کبالت و مولیبدن کشف شد و آلیاژهای مختلفی توسعه یافت.
قبل از سال ۱۹۱۰، تحقیقات عمدتاً مختص شرکتهای خصوصی بود که در آزمایشگاههای خود با تولید آلیاژهای مناسب برای ساخت قطعات مدنظرشان سروکار داشتند. با این حال، با شروع رشد صنایع هواپیماسازی و خودروسازی، تحقیق در مورد آلیاژها در سالهای پس از ۱۹۱۰ به یک تلاش صنعتی تبدیل شد، زیرا تولید آلیاژهای منیزیم برای پیستونها و چرخها در اتومبیلها و آلیاژهای آلومینیوم توسعه چشمگیری یافتند تا جایی که به عنوان قطعات اصلی در ساخت بدنه هواپیما مورد استفاده قرار گرفتند.
در سال ۱۹۰۶ آلیاژهای سختکننده بارش توسط آلفرد ویلم کشف شد. آلیاژهای سختکننده رسوبی، مانند آلیاژهای خاصی از آلومینیوم، تیتانیوم و مس، آلیاژهای قابل عملیات حرارتی هستند که با خاموش شدن (سریع سرد شدن) نرم میشوند و با گذشت زمان سخت میشوند. ویلم به دنبال راهی برای سخت کردن آلیاژهای آلومینیوم برای استفاده در جعبههای فشنگ مسلسل بود. ویلم با علم به اینکه آلیاژهای آلومینیوم و مس تا حدی قابل عملیات حرارتی هستند، سعی کرد یک آلیاژ سهتایی از آلومینیوم، مس و افزودن منیزیم را خاموش کند، اما در ابتدا از نتایج ناامید شد. با این حال، هنگامی که ویلم روز بعد آن را دوباره آزمایش کرد، متوجه شد که سختی آلیاژ در دمای اتاق افزایش مییابد و در نهایت نتیجه کار بسیار فراتر از انتظارات او بود.
حرارت درمانی آلیاژها چیست؟
عناصر آلیاژی به فلز پایه اضافه میشوند تا سختی، چقرمگی، شکل پذیری یا سایر خواص دلخواه را القا کنند. بیشتر فلزات و آلیاژها را میتوان با ایجاد نقص در ساختار کریستالی آنها سخت کرد. این تغییرات ساختاری در هنگام تغییر شکل با چکش، خمش، اکسترود کردن و غیره ایجاد میشوند و دائمی هستند، مگر اینکه فلز تبلور مجدد پیدا کند. در غیر این صورت، برخی از آلیاژها نیز میتوانند با عملیات حرارتی خواص خود را تغییر دهند. تقریباً همه فلزات را میتوان با آنیل کردن، نرم کرد که آلیاژ را مجدداً تبلور میکند و عیوب احتمالی را ترمیم میکند، اما نمیتوان آنها را با گرمایش و سرمایش کنترلشده سخت کرد. بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم، مس، منیزیم، تیتانیوم و نیکل را میتوان تا حدودی با روشهای عملیات حرارتی تقویت کرد، اما تعداد کمی از آنها به اندازه فولاد به آن پاسخ میدهند.
برای مثال، آهن فلز پایه آلیاژ آهن – کربن است که به عنوان فولاد شناخته میشود و در دمای معین معمولاً بین ۱۵۰۰ درجه فارنهایت (۸۲۰ درجه سانتیگراد) و ۱۶۰۰ درجه فارنهایت معمولاً بین ۱۵۰۰ درجه فارنهایت (۸۲۰ درجه سانتیگراد) و ۱۶۰۰ درجه فارنهایت (معمولاً) بسته به محتوای کربن در آرایش (آلوتروپی) اتمهای ماتریس کریستالی خود تغییر میکند. این فضا به اتمهای کربن کوچکتر اجازه میدهد تا به میان کریستال آهن وارد شوند. هنگامی که این انتشار اتفاق میافتد، گفته میشود که اتمهای کربن در محلول آهن هستند و یک فاز منفرد، همگن و کریستالی به نام آستنیت را تشکیل میدهند. اگر فولاد به آرامی خنک شود، کربن میتواند از آهن پخش شود و به تدریج به آلوتروپ دمای پایین خود بازگردد. در طی سرد شدن آهسته، اتمهای کربن دیگر به اندازه آهن محلول نخواهند بود و مجبور میشوند تا از محلول رسوب کنند و به شکل غلیظتری از کاربید آهن (Fe3C) در فضاهای بین بلورهای آهن خالص تبدیل شوند. سپس فولاد ناهمگن میشود، زیرا از دو فاز تشکیل میشود، فاز آهن – کربن به نام سمنتیت (کاربید) و فریت آهن خالص.
چنین عملیات حرارتی، فولادی تولید میکند که نسبتاً نرم است. با این حال، اگر فولاد به سرعت سرد شود، اتمهای کربن زمانی برای انتشار و رسوب به صورت کاربید نخواهند داشت، بلکه در داخل بلورهای آهن به دام میافتند. هنگامی که به سرعت سرد میشود، یک تبدیل بدون انتشار (مارتنزیت) رخ میدهد که در آن اتمهای کربن در محلول به دام میافتند. این باعث میشود که کریستالهای آهن تغییر شکل دهند؛ زیرا ساختار بلوری سعی میکند به حالت دمای پایین خود تغییر شکل دهد و آن کریستالها را بسیار سخت اما کمتر انعطافپذیر (بسیار تردتر) میکند.
در حالی که استحکام بالای فولاد زمانی حاصل میشود که از انتشار و رسوب جلوگیری شود (تشکیل مارتنزیت)، اکثر آلیاژهای قابل عملیات حرارتی آلیاژهای سختکننده رسوبی هستند که برای دستیابی به استحکام به انتشار عناصر آلیاژی بستگی دارند. هنگامی که برای تشکیل محلول گرم میشوند و سپس به سرعت سرد میشوند، باعث میشود این آلیاژها در طول تبدیل بدون انتشار بسیار نرمتر از حد معمول شوند، اما با گذر زمان سخت میشوند. عناصر موجود در این آلیاژها در طول زمان رسوب میکنند و فازهای بین فلزی را تشکیل میدهند که تشخیص آنها از فلز پایه دشوار است. برخلاف فولاد که در آن محلول جامد به فازهای کریستالی مختلف (کاربید و فریت) تقسیم میشود، آلیاژهای سختکننده رسوبی فازهای مختلفی را در یک بلور تشکیل میدهند. این آلیاژهای بین فلزی در ساختار کریستالی همگن به نظر میرسند، اما تمایل به رفتار ناهمگن دارند، بنابراین اگر سریع سرد شوند، سخت و تا حدودی شکننده میشوند.
سخن پایانی
ما در این مقاله به معرفی و بررسی آلیاژ و شناخت انواع آن پرداختیم، شما میتوانید جهت کسب اطلاعات بیشتر جهت خرید آلیاژهای فلزی مورداستفاده در کسب و کار خود با کارشناسان فروش ما در فروآرسس تماس حاصل نمایید.