آلیاژ چیست؟
آلیاژ ماده ای است که از ترکیب دو یا چند فلز به وجود می آید. همچنین ممکن است زمانی که فلزات با عناصر دیگر ترکیب می شوند آلیاژ تشکیل شود. خواص آلیاژها ممکن است با خصوصیات فردی عنصر یا فلز اولیه متفاوت باشد. عموما آلیاژ را با فلزات خالص مقایسه می کنید، آلیاژها قوی تر و سخت تر هستند. از نمونه های آلیاژی می توان به طلای سرخ اشاره کرد که از ترکیب طلا و مس با هم ساخته می شود.
نمونه دیگری از آلیاژ می توان به طلای سفید اشاره کرد که ادغام نقره و طلا است. در این مقاله مورد آلیاژ در علم شیمی، تعریف آلیاژ و اجزای تشکیل دهنده آن یاد خواهیم گرفت. آلیاژ، ماده فلزی متشکل از دو یا چند عنصر، به صورت ترکیب یا محلول است. اجزای آلیاژها معمولاً فلز هستند، اگرچه کربن به عنوان یک نافلز، جزء ضروری و جدا نشدنی فولاد است.
آلیاژها معمولاً از ذوب و مخلوط مواد تشکیل می شوند. آلیاژها در زمان های بسیار قدیم کشف شدند. دو آلیاژ برنج (مس و روی) و برنز (مس و قلع) در گذشته نیز اهمیت ویژه ای داشتند.
فولاد الیاژی
امروزه مهمترین آلیاژها، فولادهای آلیاژی هستند. فولاد آلیاژی به فولادهایی که حاوی مقادیر قابل توجهی آهن،کربن و کروم و غیره هستند اطلاق می شود
عناصر اصلی فولاد آلیاژي
به طور کلی می توان گفت عناصر آلیاژی اصلی فولاد عبارتند از کروم، نیکل، منگنز، مولیبدن، سیلیسیم، تنگستن، وانادیم و بور. فولادهای آلیاژی دارای طیف گسترده ای از خواص فوق العاده مانند سختی، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی، خاصیت مغناطیسی و شکل پذیری هستند. آلیاژهای غیر آهنی، عمدتاً آلیاژهای مس نیکل، برنز و آلومینیوم، در ضرب سکه بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. در آلومینیوم، سیلیکون بسته به کاربرد ممکن است به عنوان یک ناخالصی یا یک جزء ارزشمند در نظر گرفته شود، زیرا سیلیکون به استحکام می افزاید، اگرچه مقاومت به خوردگی را کاهش می دهد.
مزایای فولاد آلیاژی
اگر پروژه شما به مقاومت در برابر خوردگی، ماشین کاری، استحکام یا زیایی ظاهری نیاز داشته باشد، با توجه به تنوع محصولات این خانواده، به راحتی می توانید فولاد آلیاژی را که تمام مشخصات مد نظر شما را داشته باشد پیدا کنید. با انجام عملیات حرارتی، فولادهای آلیاژی می توانند طیف گسترده ای از خواص و ویژگی ها را ارائه دهند از جمله:
مقاومت در برابر خوردگی بالاتر
افزایش سختی
استحکام و سختی برتر
تعریف آلیاژ
حالا بیایید یاد بگیریم که آلیاژ در شیمی به چه معناست. آلیاژ به ترکیبی از دو یا چند فلز یا ترکیب یک فلز با چند عنصر گفته می شود. آنها عموما دارای خواص متفاوتی نسبت به عناصر اصلی هستند، مانند افزایش استحکام و سختی. به عنوان مثال، هنگامی که آهن با سیلیکون یا کربن غیرفلزی ترکیب می شود، فولاد سیلیکونی به دست می آید.
اجزای تشکیل دهنده آلیاژ
اکنون که با معنای آلیاژ آشنا شدید، اجازه دهید به بررسی اجزای تشکیل دهنده آلیاژ بپردازیم. یک آلیاژ از دو یا چند عنصر یا به صورت ترکیب یا محلول تشکیل شده است. اجزای تشکیل دهنده آلیاژها عموماً فلزات هستند. با این حال، کربن یک استثنا برای غیر فلز بودن محسوب می شود که جزء مهم آلیاژ فولاد است.
خواص آلیاژ
وقتی مفهوم آلیاژ را یاد گرفتید، یادگیری خواص آن آسان تر می شود. آلیاژ ماده ای است که خاصیت فلزی دارد و از دو یا چند عنصر تشکیل شده است که حداقل یکی از آنها فلز است. فلز، ماده ای است که وقتی تازه ساخته شده، شکسته یا صیقل داده شود، ظاهری درخشان داشته باشد. همچنین گرما و برق را نیز هدایت کند. فلزات به طور کلی چکش خوار هستند. آنها همچنین انعطاف پذیر هستند.
یک فلز می تواند یک عنصر شیمیایی مانند آهن یا آلیاژی مانند فولاد زنگ نزن باشد. هنگامی که نسبت های مختلف فلزات به عنوان آلیاژ ترکیب می شوند، خواص فلز اصلی را اصلاح می کنند تا ویژگی های جدید و بهتری را بوجود آورند. آلیاژها عموماً به گونه‌ای ساخته می‌شوند که کمتر شکننده، مقاوم در برابر خوردگی، سخت‌تر و یا حتی درخشندگی و رنگ مطلوب‌تری داشته باشند.
بنابراین، آلیاژسازی به ما کمک می کند تا از فلزات در کاربردهای روزمره استفاده کنیم. این فرآیند همچنین به ساخت انواع مختلف فلزات مناسب استفاده برای مصارف گوناگون کمک می کند.
تاریخچه آلیاژها
برنز اولین آلیاژ یا ترکیبی از فلزات بود که بر بشریت تأثیر گذاشت. سومری ها در هزاره سوم قبل از میلاد، این آلیاژ را توسعه دادند. جوامعی که از ابزار و سلاح های برنزی استفاده می کردند به راحتی بر همسایگان خود حکومت می کردند. در آسیا، برخی از معادن آلیاژهای بهتری تولید می‌کردند و به این ترتیب آلات موسیقی، آینه‌ها و ابزارهای بهتری تولید می‌کردند، برخی دیگر برنز را بهتر تولید می‌کردند و برخی دیگر بهترین ابزار و سلاح‌ها را می‌ساختند.
- ایرانیان فولاد کربنی را در قرن شانزدهم قبل از میلاد را ساختند و عصر آهن را آغاز کردند.
- رومی ها جایگزین طلای خود را در 20 سال قبل از میلاد ساختند، همچنین در 20 سال قبل از میلاد در زمان سلطنت سزار آگوستوس، برنج (75٪ مس و 25٪ روی) ساخته شد.
- توسعه طلای سفید تنها حدود 125 سال پیش رخ داد. الیاژ نقره آلمانی یا پلاتین ساختگی نامیده می شود.
- نقره استرلینگ در قرن دوازدهم آلمان آغاز شد، جایی که نقره‌سازان از الیاژ استفاده می‌کردند و این آلیاژ برای ضرب سکه نیز مفید بود.
نمونه های آلیاژی
اکنون چند نمونه از آلیاژها را بررسی کنیم.
آلیاژ فولاد
فولاد، آلیاژی از کربن و آهن است. این آلیاژ به دلیل هزینه کم و استحکام کششی بالا بسیار محبوب است. انواع مختلفی از فولاد الیاژی وجود دارد که با مقادیر مختلف کربن همراه با چندین عنصر دیگر مانند منگنز، فسفر، گوگرد، کروم، مس، نیکل و مولیبدن تشکیل شده‌اند. از آنجایی که فولاد از استحکام کششی بالا و قیمت مناسبی برخوردار است، در زیرساخت ها، ساخت و ساز، بدنه وسایل نقلیه و لوازم الکتریکی استفاده می شود.
برای مطالعه بیشتر در مورد فولاد و انواع آن کلیک کنید.
برنز
برنز، آلیاژی از قلع و مس است. معمولاً در ابزارهای سنگین و چرخ دنده ها، سکه ها، مدال ها، جام ها و غیره استفاده می شود. استحکام برنز بسته به عناصر مورد استفاده در فرآیند الیاژسازی آن متفاوت است. باید بدانید که برنز از نظر سختی در مقایسه با مس خالص بسیار برتر است. همچنین در مقایسه با مس خالص انعطاف پذیرتر بوده و قابلیت ماشینکاری بیشتری دارد.
آلیاژ نیکروم
نیکروم، آلیاژی از کروم و نیکل است. با این حال، بسیار متداول است که آلیاژهای نیکروم از آهن و سایر عناصر مشابه تشکیل شده باشند. نیکروم عمدتاً در سیم های مقاومتی استفاده می شود. همچنین کاربرد خود را در وسایل برقی مانند توستر نان و بخاری دارد. از آلیاژهای نیکروم در پرکردن دندان نیز استفاده می شود.
برنج
آلیاژی بسیار رایج و مفید از مس است. در این آلیاژ، مقدار روی در 45٪ نگه داشته می شود. علاوه بر روی، فلزاتی مانند قلع، منگنز، آهن، سرب و غیره نیز به مقدار کم اضافه می شوند تا خواص ویژه ای به دست آید. برنج انواع مختلفی دارد. همه آنها ترکیبات متفاوتی از مس دارند. به عنوان مثال: برنج مونتز، برنج دریایی، برنج آلومینیومی، نقره آلمانی، برنج معمولی، مس کلاهک و غیره. این آلیاژها در مقایسه با مس معمولی دارای استحکام، دوام و ماشین کاری بسیار خوبی هستند. همچنین نقطه ذوب آنها کمتر از مس و روی است.
آلیاژ برنج همچنین مقاوم در برابرخوردگی، مقاوم در برابر آب و دارای طول عمر مناسبی هستند. از برنج در ساخت جواهرات، آهنگری، پرچ و پیچ استفاده می شود. از برنج کارتریج بیشتر برای ساخت ورق و لوله استفاده می شود. از این آلیاژها در ساخت وسایل تزئینی و میل پروانه های دریایی نیز استفاده می شود.
طبقه بندی آلیاژها
آلیاژها به صورت های زیر طبقه بندی می شوند:
بر اساس اصل فلز در آلیاژ
به عنوان مثال می توان به آلیاژ مس، آلیاژ آهن، الیاژ سرب و غیره اشاره کرد. مثلا یک آلیاژ مس دارای مس به عنوان یک جزء اصلی است و با ترکیب با قلع و سایر عناصر برنز بوجود می آید.
بر اساس فازها
آلیاژهای تک فاز (شامل یک فاز یکنواخت) و آلیاژهای دو فاز (شامل دو فاز مختلف) می توانند وجود داشته باشند. نمونه ای از آلیاژ تک فاز برنج است که دارای 30% روی + 70% مس است. نمونه ای از آلیاژهای دو فاز، فلز مونتز است که دارای 60% مس + 40% روی است.
بر اساس مقدار آهن
یک از روش هابی رایج طبقه بندی آلیاژها طبقه بندی بر اساس میزان آهن است. با این روش می توان آنهاها را به دو گروه آلیاژهای آهنی و غیر آهنی طبقه بندی کرد. آلیاژهایی که حاوی آهن به عنوان یک ماده تشکیل دهنده هستند به عنوان آلیاژهای آهنی شناخته می شوند در حالی که آلیاژهای غیر آهنی حاوی آهن به عنوان یک جزء نیستند. نمونه ای از آلیاژهای آهنی فولاد ضد زنگ ساخته شده از آهن + کربن است. نمونه ای از آلیاژهای غیر آهنی، لحیم کاری است که دارای سرب + قلع است.
چرا از آلیاژها استفاده می شود؟
آلیاژهای فلزی عموما به دلیل اینکه خواص مکانیکی ویا شیمیایی بهینه شده دارند دارند مورد استفاده قرار می گیرند. عناصر آلیاژی را می توان به فلزات اضافه کرد تا تعدادی از خواص از جمله سختی، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، ماشینکاری و سایر موارد را افزایش دهد.
برخی از عناصر آلیاژی رایج
در این بخش توضیحات مختصری در خصوص برخی از ریج ترین عناصر آلیاژي توضیح داده خواهد شد. به خواندن ادامه دهید تا با کاربردهای هر یک بیشتر اشنا شوید
عنصر الیاژی کروم
طیف گسترده ای از عناصر آلیاژی وجود دارد که تغیرات مختلفی را روی مواد پایه پدید می آورند. کروم فلزی است که اغلب برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود. بسته سایر عناصر، می تواند سختی و استحکام را نیز افزایش دهد.
آلیاژ نیکل
نیکل فلزی است که اغلب برای افزایش چقرمگی به مواد اضافه می شود. فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارای نیکل زیادی هستند که به عنوان یک تقویت کننده آستنیت نیز عمل می کند.
مس
مس فلزی است که برای ساختن موادی مانند آلومینیوم، استفاده می شود. مس می تواند در فولاد، مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهد، همچنین می تواند مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم را کاهش دهد.
آلیاژ منگنز
منگنز فلزی است که معمولاً برای بهبود استحکام، از آن استفاده می شود. منگنز به تنهایی به عنوان یک عنصر آلیاژی تحت تأثیر عملیات حرارتی قرار نمی گیرد به همین دلیل آنرا را برای کاربرد در دمای بالا مناسب می کند.
عنصر آلیاژی تنگستن
تنگستن یک عنصر آلیاژی فلزی است که برای بهبود مقاومت در برابر سایش (به ویژه در دماهای بالا)، چقرمگی و استحکام استفاده می شود.
سرب
سرب یک عنصر آلیاژی فلزی است که برای بهبود ماشین کاری استفاده می شود.
آلیاژ سیلیکون
سیلیکون یک عنصر آلیاژی غیرفلزی است. اغلب به عنوان یک اکسید زدا در فلزات استفاده می شود. سیلیکون همچنین استحکام را افزایش می دهد و می تواند دمای ذوب را کاهش دهد.
عنصر آلیاژي کربن (غیر فلزی)
کربن یک عنصر آلیاژی غیرفلزی است و عنصری ضروری برای تولید فولاد است. کربن اغلب در فولاد و آلیاژهای چدن برای افزایش استحکام و سختی استفاده می شود.
تفاوت فلز با آلیاژ
برای برخی افراد، تفاوت بین یک فلز و یک آلیاژ فلزی ممکن است اصلاً به نظر نرسد. با این حال، تفاوت در استفاده برای هر نوع فلز بسیار زیاد و متعدد است. آلیاژها ممکن است از فلزات ساده ساخته شوند، اما خواصی دارند که هیچ فلزی به تنهایی نمی تواند داشته باشد. ما قصد داریم به تفاوت بین فلزات و آلیاژها بپردازیم تا بتوانید دلیل اهمیت آنها را ببینید و کمی بیشتر در مورد نحوه عملکرد دنیای ما بدانید. ادامه تفاوت های این دو را اساس عوامل مختلف را مورد بررسی قرار می دهیم.
ترکیب شیمایی
در ابتدایی ترین سطح، تفاوت بین فلزات و آلیاژها به اجزای سازنده آنها برمی گردد. فلزات خالص فقط از یک نوع اتم تشکیل شده اند. به عنوان مثال، کروم عنصری فلزی در جدول تناوبی عناصر است، به این معنی که یک فلز خالص است. در مقابل، یک آلیاژ مخلوطی از اتم های مختلف است که با هم ذوب و ترکیب شده اند. به عنوان مثال، اگر کروم را با آهن (یک فلز خالص دیگر) و کربن مخلوط کنید، چیزی که به عنوان فولاد ضد زنگ شناخته می شود، بدست می آید.
واکنش با محرک‌های بیرونی
یکی از بزرگترین دلایل اضافه شدن عناصر آلیاژی به فلزات خالص این است که فلزات خالصی مانند آهن به سرعت و به شدت با نیروهای خارجی واکنش نشان می دهند. این نیروها شامل چیزهای ساده ای مانند اکسیژن و آب است که می تواند باعث زنگ زدگی، اکسید شدن یا خوردگی فلزات خالص در طول زمان شود. از سوی دیگر، آلیازها معمولاً از مخلوطی از فلزاتی که واکنش پذیری کمتری دارند ساخته می‌شوند تا کارایی آنها در طولانی مدت حفظ شود. لازم به ذکر است نام گذاری فولاد زنگ نزن به این دلیل است که که دیرتر از فولاد معمولی خورده می شود چراکه حاوی عنصر کروم می باشد.
تفاوت در قدرت و استحکام
آلیاژها تمایل دارند خواص و استحکام برخی از فلزات را با خواص مفید برخی دیگر ترکیب کنند. یکی از بهترین نمونه های آن طلا است. طلای خالص در واقع یک فلز بسیار نرم است که به راحتی می توان آن را با زور شکل داد. برای ساخت جواهراتی که ماندگاری طولانی دارند، طلا را اغلب با روی، مس یا نقره مخلوط می کنند تا آلیاژی بسازند مستحکم تر. این عناصر آلیاژی طلا را بسیار قوی تر می کند و در عین حال به آن اجازه می دهد رنگ روشن و براقی را که برای آن شناخته شده و مورد نظر است حفظ کند.
تفاوت در نقطه ذوب
از آنجایی که آلیاژها از عناصر فلزی مختلفی ساخته می شوند، نقطه ذوب هر فلز در نظر به صورت جداگانه در معادله در نظر گرفته می شود که طیفی از دماهای ذوب را ایجاد می کند. لازم به ذکر است بر خلاف فلزات که نقطه دقیقی به عنوان نقطه ذوب دارند، آنها محدوده ذوب دارند چراکه نمی توان عددی دقیق برای نقطه ذوب آنها در نظر گرفت. یک فلز ممکن است در دمای نسبتاً پایین ذوب شود، اما افزودن فلز دیگر می تواند نقطه ذوب را افزایش دهد. این برای مقاصد صنعتی مانند موتورهای هواپیما بسیار مفید است، جایی که دما می تواند بسیار بالا باشد.
