آلیاژهای آهن

در این مقاله و تحقیق با انواع آلیاژ‌های آهن و با مفهوم آلیاژهای آهنی و آلیاژهای غیر آهنی آشنا می شویم

آلیاژ چیست ؟

آلیاژ یعنی فلزی که از ترکیب دو یا چند فلز پدید آمده است.
برای مثال، برنج، آلیاژ و فلزی است که از ترکیب « مس » و«روی» به دست آمده است. این دو فلز را گداختـه و چنان به هم آمیخته اند که فلز دیگری به نام برنج به دست آمده است.
گاهی آلیاژ از ترکیب فلزی با یک غیر فلز به دست می آید. مانند فولاد که ترکیبی از « آهن » و « کربن » است. اگر معنای لغوی واژه ی « آلیاژ » را بخواهید، باید برایتان بگویم که این لغت از یک واژه ی فرانسوی گرفته شده و معنایش ترکیب کردن است. همیشه به هنگام تهیه ی یک آلیاژ، اتم های مختلفی به هم می پیوندند. گاهی این پیوند و ترکیب به طور کامل صورت می گیرد، مانند آلیاژ برنج؛ و گاهی به طور قسمتی مانند آلیاژ فولاد.

انواع آلیاژ‌ها

آلیاژ‌ها را با توجه به فلز پایه‌شان به دو دسته‌ی آهنی و غیرآهنی تقسیم می‌کنند.

آلیاژ‌های آهنی(Iron alloy)

آلیاژ‌های آهنی آلیاژ‌هایی هستند که فلز پایه در آن‌ها آهن است. از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به فولاد اشاره کرد. در مقابل، تمام آلیاژ‌هایی که فلز پایه در آن‌ها، فلزی غیر از آهن است، آلیاژ‌های غیرآهنی خوانده می‌شود.

آلیاژهای آهن

فلز پایه در این آلیاژها آهن است. بسته به میزان کربن ترکیب شده در آن، به دو دسته فولادها و چدنها تقسیم می‌شوند.
فولاد : وجود کمتر از ۲ درصد تا ۰.۰۲ کربن در آهن، فولاد را به وجود می‌آورد. اضافه کردن عناصر دیگر غیر از کربن، هرکدام خواص متفاوتی به فولاد می‌دهد. منگنز سبب سختی فولاد، نیکل باعث جلوگیری از خوردگی فولاد، تنگستن باعث محکمی و وجود کروم و نیکل سبب ضدزنگ شدن فولاد می‌شود. آهن ورزیده نیز آلیاژی است با کربن کم که در ساختن میخ پرچ، لوله آب، زنجیر و غیره به کار می‌رود.

فولاد های زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن، گروهی از فولادهای پر آلیاژ بر پایه ی سیستم های Fe Cr، Fe Cr C و Fe Cr Ni می باشند. برای زنگ نزن شدن، این فولادها باید حداقل حاوی ۱۰.۵%wt کروم باشند.

تاریخچه ی فولاد زنگ نزن

افزودن کروم به فولادها و تأثیر آشکار آن بر مقاومت به خوردگی، در سال ۱۸۲۱ در ساخت قاشق و چنگال مشخص شد. آزمایشات ابتدایی با آلیاژها، نشان داد که با افزایش مقدار کروم، شکل پذیری فولاد کاهش می یابد (به دلیل مقدار کربن بالای این آلیاژهای اولیه) و تا اوایل قرن بیستم، به همین دلیل این آلیاژها چندان استفاده نشدند. مزیت فولادهای مقاوم به خوردگی در فاصله ی سال های ۱۹۰۰ تا ۱۹۱۵ مجددا نمود پیدا کرد و توسعه یافت. عامل بارز برای تکرار این فعالیت، تولید آلیاژهای کروم دار کم کربن در سال ۱۸۹۷ به وسیله ی “گلداشمیت” (Goldschmidt) در آلمان بود. پس از آن مقالاتی در این باره به چاپ رسید و تولید این فولادها مورد توجه قرار گرفت. مساله ی دیگری که تولید گسترده ی فولادهای زنگ نزن را مهیا ساخت، توسعه ی کوره ی ذوب قوس الکتریکی مستقیم در سال ۱۸۹۹ بود.

انواع آلیاژهای آهن

فریت α(آلفا)
آستنیت γ(گاما)
سمانتیت (سمنتیت) Fe3C
فریت δ(دلتا)
لدبوریت(آستنیت+سمنتیت)
پرلیت(فریت+سمنتیت)

۱- فریت α

محلول جامد کربن در آهن α، فریت α یا فریت نامیده شده و ساختار بلوری آن BCC می باشد. نمودار فازی نشان می دهد که، کربن فقط اندکی در فریت حل شده و حداکثر حلالیت آن در ۷۲۳ درجه سانتی گراد، ۰٫۰۲% است. با کاهش دما، حلالیت کربن در فریت α کاهش یافته و در صفر درجه سانتی گراد به ۰٫۰۰۸ % می رسد. در فریت α، اتم های کربن به علت کوچک بودن در فضاهای بین نشین شبکه بلوری آهن قرار می گیرند.

۲- آستنیت γ

محلول جامد کربن در آهن γ را آستنیت نامند. این فاز دارای ساختار بلوری FCC بوده و حلالیت کربن در آن خیلی بیشتر از فریت α است. حلالیت کربن در آستنیت در ۱۱۴۸ درجه سانتیگراد به حداکثر مقدار خود یعنی ۲٫۰۸% رسیده و سپس در ۷۲۳ درجه سانتیگراد به ۰٫۸% کاهش می یابد. مشابه فریت، اتمهای کربن به صورت بین نشینی اما به میزان بیشتری درشبکه FCC حل می شوند.

۳- سمانتیت Fe3C

ترکیب بین فلزی آهن و کربن، سمانتیت نامیده می شود. حلالیت کاربید آهن ناچیز بوده و ۶٫۶۷% کربن و ۹۳٫۳% آهن دارد. سمانتیت یا سمنتیت، ترکیبی سخت و شکننده است که دارای ساختار بلوری مکعب مستطیلی بوده و هر سلول آن ۱۲ اتم آهن و چهار اتم کربن دارد.
سمنتیت اولیه که از فاز مذاب جدا می شود.
سمنتیت یوتکتیکی که از استحاله یوتکتیک به وجود می آید.
سمنتیت ثانویه که از آستنیت به وجود می آید.
سمنتیت یوتکتوئیدی که از استحاله یوتکتوئیدی به وجود می آید.
سمنتیت ثالثیه که از فریت و فریت پرویوتکتوئید به دست می آید.
تمام این ۵ نوع سمنتیت از لحاظ ساختر کریستالی ، فرمول شیمیای ، درصد کربن ، نقطه ذوب ، خواص فیزیکی ، خواص مکانیکی و غیره … مشابه ویکسان می باشند و هیچ گونه تفاوتی با یکدیگر ندارند و تنها تفاوت آن ها در مرجع بوجود آورندشان می باشد به عنوان مثال مرجع به وجود آورنده سمنتیت اولیه فاز مذاب می باشد ولی مرجع به وجود آورنده سمنتیت ثانویه فاز آستنیت می باشد.

۴- فریت δ

محلول جامد کربن در آهن دلتا را فریت δ می نامند. فریت دلتا دارای ساختار بلوری BCC بوده اما ثابت شبکه آن با ثابت شبکه فریت آلفا متفاوت است. حداکثر حلالیت کربن در فریت آلفا، در دمای ۱۴۹۵ درجه سانتی گراد و برابر با ۰٫۰۹% است.

۵- لدبوریت

مخلوط یوتکتیکی از آستنیت و سمانتیت را، لدبوریت می نامند. این ترکیب در اثر واکنش یوتکتیکی که روی مذاب حاوی ۴٫۳% کربن در دمای ۱۱۴۷ درجه سانتی گراد رخ می دهد، حاصل می شود. نکته قابل ذکر این است که آستنیت در دمای محیط پایدار نمی باشد و در اثر واکنش یوتکتوئیدی که در دمای ۷۲۳ درجه سانتیگراد رخ می دهد، تبدیل به پرلیت شده و در نتیجه ساختمان لدبوریت در دمای محیط به شکل پرلیت و سمانتیت می باشد.

۶- پرلیت

در اثر واکنش یوتکتوئیدی در دمای ۷۲۳ درجه سانتی گراد مخلوطی از فریت و سمانتیت به دست می آید که به آن پرلیت گفته شده و ساختاری لایه لایه دارد.
آلیاژهای آهن
مقصود از این آلیاژها، آلیاژهایی است که اجزای اصلی آن ها را آهن و کربن تشکیل می دهند. در حدود ۰.۰۱ درصد از کربن حل شده در آهن، تشکیل محلول جامدی را می دهد که “فریت” نام دارد. اگر مقدار کربن موجود در آهن به ۶.۶۷ درصد برسد، ماده ی شیمیایی حاصله را “سمنتیت” می گویند. فریت و سمانتیت، آلیاژهای اصلی آهن و کربن هستند.
آلیاژهایی از آهن و کربن که دارای کربن کمی هستند، به آسانی برای عملیات مکانیکی (آهنگری و پرس کاری) مناسبند. از این آلیاژها فولادهای گوناگون ساخته می شود.
هر قدر مقدار کربن در آلیاژها بیش تر باشد، سمنتیت بیش تری تشکیل می شود و آلیاژ، سخت تر و شکننده تر خواهد بود. آلیاژهای آهن و کربن که درصد کربن آن ها زیاد است، در ریخته گری مصرف دارند و جزء دسته ی چدن هستند. چدن آلیاژی از آهن و کربن است که مقدار کربن آن از ۲ درصد بیش تر است. چدن های تجارتی تا ۵ درصد کربن دارند.