icon phone

آلیاژهای آهنی

آلیاژهای آهنی

انقلاب صنعتی به استفاده‌ی گسترده‌تر از آهن منجر شد. سنگ آهن به طور خام قابل استفاده نیست و به همین دلیل باید تغییراتی را برای استفاده از آن در کاربردهای مختلف، ایجاد کرد.
آلیاژ از یک فلز اصلی و یک یا چند عنصر دیگر تشکیل شده‌است. آلیاژهای فلزی به دو دسته‌ی آلیاژهای غیرآهنی و آهنی تقسیم می‌شوند. فولاد پایه در آلیاژهای غیر آهنی چیزی جز آهن است، مانند مس، روی، برنج و غیره. آهن فلز پایه‌ی آلیاژهای آهنی می‌باشد و بسته به میزان کربن، به دو دسته‌ی چدن و فولاد تقسیم می‌شوند.

 

آلیاژهای آهنی

 

آلیاژهای آهنی چگونه آلیاژهایی هستند؟

آلیاژهایی که فلز پایه‌‌ی آنها آهن است، آلیاژ آهنی نام دارد. کربن و عناصر آلیاژی دیگری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، منگنز و غیره را جهت بهبود خواص مکانیکی به سنگ آهن اضافه می‌کنند. با افزایش کربن به آهن، فولاد ساخته می‌شود، همچنین با ترکیب فولاد با عناصر آلیاژی دیگر، انواع فولادهای آلیاژی ساخته می‌شوند. خواص فولاد به درصد کربن و دیگر عناصر آلیاژی موجود در آن بستگی دارد.
افزودن عنصر کربن به آهن تاثیر بسزایی بر روی خواص آلیاژ دارد. واژه‌ی فولاد برای فولادهایی استفاده می‌شود که تنها از آهن و کربن تشکیل شده‌باشند. فولاد آلیاژی با افزایش عناصر آلیاژی دیگر ساخته می‌شود.

آهن خالص در دمای محیط تا دمای ۹۱۲ درجه سانتی گراد دارای ساختار مکعب مرکزدار bcc معروف به آهن α یا فریت است. آهن ϒ یا آستنیت از ۹۱۲ درجه به بالا تا ۱۳۹۴ درجه سانتی گراد ساختمان کریستالی مکعب با سطوح مرکزدار Fcc تبدیل می‌شود و از ۱۳۸۸ تا ۱۳۵۸ سانتی گراد دوباره به ساختمان کریستالی bcc (آهن δ یا دلتا فریت) تبدیل شده و در دمای ۱۵۳۸ درجه سانتی گراد ذوب می‌شود.
از همین خاصیت چند شکلی یا به عبارت دیگر آلوتراپی آهن است که می‌توان به ترکیب‌های مختلف فولاد با زیر ساختار و خواص گوناگون دست یافت.

ساختمان bcc فریت با اتم‌های آهن به قطر ۰.۲۵۶ نانومتر تشکیل می‌شود. بین این اتم‌ها حفره‌هایی در ساختمان کریستالی ایجاد می‌شود که می‌تواند اتم‌هایی را تا قطر ۰.۰۷ نانومتر و در حفره‌های دیگر به قطر ۰.۰۳۸ نانومتر در خود جای دهد. قطر اتم‌های کربن ۰.۱۵۴ نانومتر است. بنابراین برای جای دادن اتم‌های کربن در فریت اعوجاج زیادی در شبکه ایجاد خواهد شد. به همین دلیل کربن دارای حلالیت بسیار اندکی در فریت است.

ساختمان fcc آستنیت دارای حفره‌هایی است که در برخی از آن‌ها اتم‌هایی تا قطر ۰.۱۰۴ نانومتر و در برخی دیگر تا قطر ۰.۰۵۶ نانومتر در خود جای می‌دهد. بنابراین اتم‌های کربن با قطر ۰.۱۵۴ نانومتر تنها در یکی از این نوع حفره‌ها با ایجاد اعوجاج اندک قرار می‌گیرد. سرد شدن ترکیب آهن و کربن از حالت آستنیته و تبدیل آن به فریت و کاهش حلالیت کربن در آهن α بدان معنی است که مقداری کربن از محلول بیرون می‌آید. این کربن با ترکیب با آهن معروف به سمنتیت می کند. سمنتیت دارای یک اتم کربن با سه اتم اهن با فرمول شیمیایی Fe₃C شناخته می‌شود.

فولاد

آهن خالص در صنعت قابل استفاده نیست و کاربردی ندارد، اضافه کردن ۰.۰۲ تا ۲ درصد کربن به آهن، فولاد را تشکیل می‌دهد، فولادها به دو دسته‌ی آلیاژ بالا و آلیاژ پایین تقسیم می‌شوند. سه دسته‌ی کربن بالا، کربن متوسط و کربن پایین زیردسته‌ی آلیاژ پایین می‌باشند. با اضافه کردن عناصری غیر از کربن به آهن، فولادها خواص و کاربرد متفاوتی پیدا می‌کنند، برای مثال نیکل می‌تواند خواص ضد زنگ به فولاد بدهد.

فولاد ساده کربنی

آهن آلفا α تا ۰.۰۲ درصد کربن را در محلول جامد می‌پذیرد. آهن ϒ تا ۲ درصد کربن در محلول جامد می‌پذیرد. با این مقدار کربن در محلول جامد آهن α حالت مکعب مرکز دار bcc خود را به نام فریت و آهن ϒ حالت مکعب با وجوه مرکزدار به نام آستنیت خود را حفظ می‌کند. حلالیت کربن در آستنیت و فریت با دما تغییر می‌کند.
با آهسته سرد کردن، کربن اضافی که در محلول جامد α و ϒ قرار نمی‌گیرد، رسوب می‌کند. رسوب تشکیل شده کاربید آهن (Fe₃C) است. این کاربید آهن همان طور که ذکر شد سمنتیت نامیده می‌شود. سمنتیت فازی سخت و ترد است. به فولادهای حاوی کمتر از ۰.۸ درصد کربن هایپریوتکتوئید گفته می‌شود.

مقالات بیشتر

پدیده سایش

پدیده سایش

یکی از اساسی ترین مشکلاتی که در صنعت با آن مواجه بوده و رفع آن، داشتن اطلاعات کاربردی دقیقی را...

ادامه مطلب
دیرگدازها

دیر گدازها

مواد نسوز یا دیرگداز به کلیه موادی اطلاق می‌شود که در درجه حرارت بالا خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و ترمومکانیکی...

ادامه مطلب
اسکرول به بالا