علم مواد

علم و مهندسی مواد به بررسی انواع ماده ها ، ساختار آنها ، خواص و کابردشان می پردازد. در علم مواد ، ماده ها به طور جامع به سه بخش اصلی تقسیم بندی می شوند که عبارتند از:

§ فلزات

§ سرامیک ها

§ پلیمر ها

در اولین نگاه همه چیز اطراف ما را مواد تشکیل داده اند اما تا به حال به این مساله فکر کرده ایم که مواد چیند و چطور آنها را می شناسیم ، می سازیم و به کار می بریم؟

در علم مواد بخشی از ماده موجود در عالم و به طور دقیق ، اجسامی که به علت خواص خود در سازه ها ، ماشینها ، وسایل یا مصنوعات کاربرد دارند بررسی می شوند مانند: فلزات ، سرامیکها ، نیم رساناها ، ابر رساناها ، پلیمرها ( پلاستیکها ) ، شیشه ها ، دی الکتریکها ، فیبرها ، چوب ، ماسه ، سنگ و پس واضح است که در مسیر رشد دانش بشری ، از اینکه علم و مهندسی مواد جای خود را در بین سایر موضوعات مورد نیاز یافته است و کوشش می کند که توانایی بشر را گسترش دهد جای تعجبی وجود ندارد به طور ساده می توان گفت علم و مهندسی مواد مشتمل است بر ایجاد و کاربرد دانش مربوط به ترکیب شیمیایی ، ساختار و تغییر شکل دادن مواد برای به دست آوردن خواص مورد نظر در کاربرد آنها ، بنابراین می بینیم که علم و مهندسی مواد موضوع وسیعی است که از یک طرف به دنیای میکروسکوپی اتمها و الکترونها مربوط می شود و از طرف دیگر حالت جامد جسم را به دنیای ماکروسکوپی عمل و کاربرد مواد برای مقابله با مسایل اجتماعی مربوط می کند گرچه این علم در کشور ما ، ایران ، قرنهاست که مورد استفاده قرار می گیرد ولی متاسفانه پس از صنعتی شدن جهان و پیشرفت تکنولوژی ، این علم آمیخته با هنر در کشورمان رونق چندانی نداشته و بی توجهی زیادی نسبت به آن شده که متاسفانه هنوز هم ادامه دارد به گونه ای که گرچه کشور ما از کلیه مواد خام غنی می باشد ولی برای تهیه مواد اولیه صنایع گوناگون که بعضاً دارای تکنولوژیهای پیشرفته نیز می باشند دچار مشکل هستیم.

نیکل

اطلاعات اولیه

نیکل ، عنصرشیمیایی جدول تناوبی است که نماد Ni داشته و عدد اتمی آن ، 28 است.

تاریخچه
استفاده از نیکل ، قدمت باستانی داشته ، به 3500 سال قبل از میلاد مسیح باز می‌گردد. برنزهایی که از سوریه امروزی یافت شده‌اند ، حاوی حدوداً 2% نیکل بوده و دست‌نوشته‌های چینی اشاره بر این دارند که مس سفید در 1400 تا 1700 سال قبل از میلاد مسیح در مشرق زمین استفاده می‌شد. اما از آنجا که معادن نیکل و مس در آن روزگار به ‌راحتی مورد اشتباه قرار می‌گرفتند ، تمام دانستنیهای دقیقتر به دوران معاصر باز می‌گردد . کانی‌هایی که حاوی نیکل هستند ، از جهت رنگ‌دهی به شیشه کاربرد داشتند و از ارزشی فراوان بر خوردار بودند. در سال 1751 شخصی به نام "Baron Axel Fredrik" تلاشهایی را برای استخراج مس از معدن نیکل انجام داد و که در نتیجه فلزی سفید بدست آورد که آن را نیکل نامید. اولین سکه خالص نیکلی در سال 1881 ساخته شد. پیدایش اکثر نیکلهای بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده‌اند ، اولی خاکهای آجری رنگ بوده که مهمترین معدن سنگ نیکل هستند و دومی سولفید موجود در ماگمای زمین می‌باشد. منطقه Sudbury در Ontario کانادا 30% نیکل جهان را تولید می‌کند. معادن دیگر در روسیه استرالیا کوبا و اندونزی می‌باشند. با این وجود این باور وجود دارد که بیشتر نیکل موجود در زمین در هسته این سیاره تمرکز یافته است.

خصوصیات قابل توجه

نیکل یک فلز سفید نقره‌ای است که به‌خوبی جلا می‌گیرد. از گروه آهن‌ها است که سخت و قابل انعطاف بوده ، هادی جریان الکتریسیته می‌باشد و به ‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب می‌شود. با توجه به اینکه نیکل ، دوام زیادی در هوا داشته ، اکسیده نمی‌شود ، برای تولید سکه‌های پول فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد و معمولا با کبالت همراه هست که هر دوی آنها در آهن‌های شهاب سنگی یافت می‌شوند. نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد ، بسیار با ارزش می‌باشد. معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، 2+ است و این در حالی است که نیکل 3+ و 1+ نیز به‌ندرت مشاهده می‌شوند.

کاربردها

تقریبا 65% نیکل مصرفی در دنیای غرب برای تولید لوازم فولاد ضد زنگ بکار می‌رود. 12% دیگر آن به مصرف آلیاژهای عالی می‌رسد. 23% باقی مانده نیز در مصارفی مانند تولید آلیاژ فلزات ، باطری‌های قابل شارژ ، کاتالیزورها ، سکه‌ها و ابزار ریخته‌گری و فلزکاری تقسیم می‌شود.

مصارف کلی نیکل به صورت زیر است:

§ فولاد ضد زنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ.

§ فولاد نیکل برای تولید فلز سلاح‌ها و گاو صندوق‌ها کاربرد دارد.

§ آلیاژ آلنیکو برای تولید آهن‌ربا .

§ فلز Mu که قابلیت نفوذ پذیری مغناطیسی بالایی داشته و برای صفحه نمایشهای مغناطیسی استفاده می‌شود.

§ آلیاژ کابلهای انتقال حافظه که در ساخت ربات‌ها کاربرد دارد.

§ باطری‌های قابل شارژ ، مانند باطریهای نیکل هیدروکسیدی و نیکل کادمیوم.

§ ضرب سکه. در ایالات متحده و کانادا ، نیکل برای سکه‌های 5 سنتی استفاده می‌شود که آنها نیز نیکل نامیده می‌شوند.

§ آبکاری الکتریکی

§ ظروف ضد حرارت برای استفاده در آزمایشگاه‌های شیمی .

§ نیکل مشتق شده ، یک کاتالیزور است که برای هیدروژنه کردن روغن سبزیجات بکار می‌رود.

نقش بیولوژیکی

اکثر مواد هیدروژنی ، حاوی نیکل و مجموعه های گوگرد-آهنی هستند. هسته نیکل یک عنصر اصلی در تمام مواد هیدروژنی بوده که عملکرد آنها بیشتر اکسیداسیون است تا آزاد کردن هیدروژن. هسته نیکل به این دلیل وجود دارد که بتواند تغییرات ناشی از عمل اکسیداسیون را تحمل کند. همچنین شواهد چنان نشان می‌دهند که هسته نیکل قسمت فعال این آنزیمها هستند. همچنین منوکسید کربنهایی در عمل جدا سازی هیدروژن وجود دارند که حاوی نیکل هستند. درباره ساختار نیکل اطلاعات زیادی در دست نیست.

چدن‌ها
به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲ الی ۶/۶۷ درصد کربن داشته باشند ، چدن گفته می‌شود.

چدن‌های سفید: در این نوع چدن‌ها تمامی کربن بصورت سمنتیت Fe3C ) ) درمی‌آید و هیچگونه کربن آزاد ( گرافیت )ی در چدن دیده نمی‌شود. مقطع شکسته شدهٔ این نوع چدن‌ها سفید نقره‌ای رنگ است.

چدن‌های خاکستری: در این نوع چدن‌ها تمامی یا قسمت اعظم کربن بصورت آزاد ( گرافیت ) رسوب می‌کند. مقطع بریده شدهٔ این نوع چدن‌ها خاکستری رنگ است.

در سیستم آهن-کربن پایدار، تمامی کربن بصورت گرافیت ظاهر می‌شود. جوش پذیری چدن‌ها در مقایسه با فولادهای كربنی دارای قابلیت جوشكاری كم و محدودتری هستند . در میان چدن‌ها ، چدن با گرافیت كروی بهترین جوشپذیری را دارا است و بعد از آن چدن چكش خوار قرار دارد . جوشكاری چدن خاكستری به مهارت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن خاكستری را به دشواری زیاد می توان جوشكاری كرد. با این ملاحظات دامنه جوشكاری چدنها بسیار محدود می شود و صرفا به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و قطعات فرسوده و شكسته شده منحصر می گردد .

علت های جوش پذیری محدود چدن ها :

بعلت زیادی كربن در فلز مبنا ، سیكل جوشكاری باعث ایجاد كاربیدهایی در منطقه فلز جوش و تشكیل فاز مارتنزیت پركربن در منطقه متاثر از حرارت HAZ می شود . هردوی این ریزساختارها شكننده بوده و باعث ایجاد ترك در حین جوشكاری و یا بعد از آن می شود. این مطلب در مورد تمامی چدن ها مصداق دارد .

به علت ضعف چقرمگی ، چدن‌ها قابلیت تغییر شكل پلاستیكی را ندارند و از این رو نمی‌توانند تنش‌های حرارتی ایجاد شده جوشكاری را تحمل كنند. هرچه نرمی چدن بهبود یافته باشد احتمال ترك خوردگی آن كاهش می یابد . لذا چدن چكش خوار و چدن با گرافیت كروی كمتر از چدن خاكستری ترك خواهند خورد. با توجه به عامل اول شكنندگی منطقه HAZ به میزان و سهولت حل شدن گرافیت در آستنیت در حین جوشكاری بستگی پیدا می كند. در مورد چدن خاكستری كه دارای پولك های گرافیتی با سطح رویه نسبتاً وسیعی می باشند ، انحلال این نوع گرافیت در آستنیت به سهولت انجام می شود. در حالیكه در مورد چدن با گرافیت كروی ، چون نسبت حجم رویه به حجم كره گرافیت كم می‌باشد بنابراین مقدار گرافیت كمتری در آستنیت حل می گردد و در نتیجه كاربید های درشت كمتری و مارتنزیت كم كربن تری در منطقه HAZ تشكیل می شود . این مطلب گواه دیگری بر قابلیت بهتر جوش پذیری چدن با گرافیت كروی در مقایسه با سایر انواع چدن‌هاست. برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترك خوردن لازم است كه قطعه چدنی را در موقع جوشكاری با قوس برقی با انرژی حرارتی كم جوشكاری نمود. زیرا این روش باعث كاهش پهنای منطقه سخت و شكننده كنار فلز جوش می شود. برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنك كردن تدریجی قطعه جوشكاری شده ضرورت دارد . در مورد جوشكاری چدن با قوس برقی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط كارگاه تا 300 درجه سانتی گراد توصیه می شود. این حرارت برای جوشكاری با استیلن در محدوده 450-650 درجه سانتی گراد قرار دارد. چدن خاكستری به حرارت پیش گرم بیشتری و چدن با گرافیت كروی و چدن چكش خوار به درجه حرارت پیشگرم كمتری نیاز دارند.‌باشد بنابراین مقدار گرافیت كمتری در آستنیت حل می گردد و در نتیجه كاربید های درشت كمتری و مارتنزیت كم كربن تری در منطقه HAZ تشكیل می شود . این مطلب گواه دیگری بر قابلیت بهتر جوش پذیری چدن با گرافیت كروی در مقایسه با سایر انواع چدن‌هاست. برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترك خوردن لازم است كه قطعه چدنی را در موقع جوشكاری با قوس برقی با انرژی حرارتی كم جوشكاری نمود. زیرا این روش باعث كاهش پهنای منطقه سخت و شكننده كنار فلز جوش می شود. برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنك كردن تدریجی قطعه جوشكاری شده ضرورت دارد . در مورد جوشكاری چدن با قوس برقی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط كارگاه تا 300 درجه سانتی گراد توصیه می شود. این حرارت برای جوشكاری با استیلن در محدوده 450-650 درجه سانتی گراد قرار دارد. چدن خاكستری به حرارت پیش گرم بیشتری و چدن با گرافیت كروی و چدن چكش خوار به درجه حرارت پیشگرم كمتری نیاز دارند.

انواع چدن‌های خاکستری از نظر شکل گرافیت

§ چدن‌های خاکستری با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای یا چدن‌های مالیبل با چکش‌خوار

§ چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای یا فلسی یا پولکی

§ چدن خاکستری با گرافیت کروی یا چدن داکتیل یا SG و یا چدن نشکن

§ چدن خاکستری چشم گاوی ( این نوع چدن ما بین خاکستری و سفید می باشد که به علت گرافیتهای نسبتاً بزرگ در بین فاز روشن رنگ فریت به این اسم مشهور است ).

فولاد

اصطلاح فولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن ، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

کاربرد انواع مختلف فولاد :

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد ، برای ساختن سیم ، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل ، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد ، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد :

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود ، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن ، گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم ، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

§ سوزاندن ناخالصی‌های چدن

§ افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده ، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن ( CO۲) در می‌آید . چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد ، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم) ( SiO۲است ، بکار می‌برند:

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد ( و معمولاً چنین است ) ، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم ( MgO ) یا اکسید کلسیم ( CaO ) است ، اضافه می‌کنند:

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها :

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود ، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند ، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند ، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها ، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف ، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد ، البته مقداری از آهن ، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده ، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن :

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود ، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد ، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند. اکسایش ناخالصی ‌ها بسیار سریع صورت می ‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند ، توده مذاب را به هم می‌زنند ، بطوری که آهن ته ظرف ، رو می‌آید. دمای توده مذاب ، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود ، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی ، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده ، تمامی‌ این فرایند ، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی :

آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ‌دهنده مثل وانادیم ، کروم ، تیتانیم ، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن ، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده ، کاربید آهن C )۳ ( Feبه نام «سمنتیت» تشکیل می‌دهند. این واکنش ، برگشت‌پذیر و گرماگیر است:

هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است ، به کندی سرد شود ، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده ، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود. این مکانیزم در چدن ‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است ، اهمیت بیشتری دارد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود ، کربن عمدتاً به شکل سمنتیت باقی می‌ماند. تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.

تیتانیوم

تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیومی آلفا و شبه آلفا به طور کلی نشان داده اند که مقاومت خوبی در مقابل خوردگی دارند . آنها جزء این دسته از آلیاژهای تیتانیوم هستند که قابلیت جو شکاری دارند. تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین‌‌نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است. آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می‌شوند. ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است .( آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید. اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ، ایجاد می کند.‌‌نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است. آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می‌شوند. ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است .( آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید. اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ، ایجاد می کند.

آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند ، به این منظور که تمایل به تغییر فاز برای یک حالت تعادلی یا بالانسی از ساختارها دارند. آلیاژهای بتا استحکامی به واسطه ، استحکام ذاتی‌شان ، ناشی از ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها از آلیاژها در طراحی فرآیندهای عملیاتی حرارتی به دست می آورند. با اهمیت ترین فایده و مزیت بدست آمده از ساختارهای بتا ، افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارهای هگزاگونال از جمله آلفا و آلفا – بتا است. تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند. تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت .

درمورد آلیاژهای تیتانیموم بیشتر بدانیم

تیتانیوم وآلیاژهای آن پتانسیل بالایی در خیلی از کاربردهای خاص دارند ولی بایستی قبل از طراحی و استفاده از آن ، برخی از واقعیتها را درمورد آن مطلع بوده و مد نظر داشت که بیشتر آن در ادامه آورده شده است . محصولات شکل داده شده تیتانیوم به راحتی در دسترس می باشند ولی ریخته گری شده آن محدودتر است. آلیاژهای شکل داده شده از فاکتورهای تجربی خوبی برخوردار می باشند. هر چند که آلیاژهای ریخته‌گری از لحاظ وزن و قیمت مقرون به صرفه هستند . ریخته‌گری تحت فشار ایزواستاتیک گرم می تواند محصولاتی در مقایسه با استحکام کاربردی محصولات شکل داده شده را برای بیشتر فلزات حاصل کند. آلیاژهای پودری خیلی بیشتر مورد قبول هستند . همچنین فرآیندهای پودر ( متالورژی پودر ) امکان ترکیب آلیاژهای نا‌متعارف‌تری را نسبت به هم می دهد. اگر در این فرآیند به واسطه بر هم کنش تیتانیوم با گازهای بین شبکه همچون N2 و O2 ، روشهای پیچیده بایستی اتخاذ شود. بنابراین آلیاژهای پودری تیتانیوم بایستی بسیار گران و پر هزینه در کاربردهای مختلف باشند سطح خواص آلیاژهای پودر ممکن است به حد انتظار ترکیبات شیمیایی نرسد. با این حال با متالورژی پودر این امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولی ترکیبی به شکل نهایی محصول مورد نظر امکان جبران قیمت تمام شده باشد و دلیلی بر اینکه حداقل یک پتانسیل برای هزینه های پایین تر هنگامی که در طی پروژه منظور می‌شود وجود داشته باشد.

آلیاژهای ریخته‌گری شده یا پودری تیتانیومی همیشه امکان انتخاب در کاربردهای سازه را دارا می باشند. اما بایستی برنامه ریزی برای این قبیل استفاده ها در همان مراحل اولیه طراحی مد نظر قرار گیرد نه اینکه تلاش شود تا مواد به دست آمده پودری یا ریخته گری شده در مراحل نهایی کار به جای مواد شکل داده شده قرار گیرند. این معقول به نظر می رسد که موقع انتخاب آلیاژهای تیتانیومی از عمومی ترین آلیاژِها استفاده شود مگر در مواقعی که خاصیت خاصی از این فلز مد نظر باشد تا یک آلیاژ خاص در نظر گرفته شود مثلاً Ti-6AL- 4v دارای خواص متعدد و زیادی است ) اما مصارف خاصی دارد .(

Handbook ها و مراجع مربوط به مواد و از این قبیل کتابها برای طراحی بسیار با ارزش هستند. اما هیچ جانشینی را برای تماس با تأمین کننده و سازنده وجود ندارد. خواص و ویژگیهای از این قبیل شرایط فرم دهی غیر معمول و یا فرآیند غیر ایده آل ریخته‌گری را برای این فلز نبایستی عملیات سرد کردن و گرم کردن غیر‌معمولی را برای خواص در نظر گرفت . خواص مواد ریخته گری شده و پودری در محدوده پایین تر نسبت به آلیاژهای شکل داده شده قرار دارد . به طوری که خواص مشترک آنها به سختی به همدیگرقابل مقایسه هستند .‌معمولی را برای خواص در نظر گرفت . خواص مواد ریخته گری شده و پودری در محدوده پایین تر نسبت به آلیاژهای شکل داده شده قرار دارد . به طوری که خواص مشترک آنها به سختی به همدیگرقابل مقایسه هستند .

اما داده های بدست آمده پراکنده در ریخته گری و همچنین متالورژی پودر ممکن است پایین تر از حداقل های طراحی را نتیجه بدهد. اگر یک طراحی پذیرفته شود بدون هیچ انعطافی با رعایت سطح خواص آن مشخص شده ، این طراحی ممکن است به صورت غیر قابل برگشت پذیری بعداً مورد سؤ ظن و گمان باشد. صنایع فضایی به دنبال بهترین خصوصیت وبهینه ترین آنها هستند. هنگامی که تیتانیوم در کاربردهایی با بحرانیت کمتر استفاده می شود ، دقت کمتری در خواص بایستی در نظر گرفته شود و این امکان وجود دارد تا هزینه و زمان کاهش داده شود .

امروزه در ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود که این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی ابن فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیومی در ایران می گردد .

ساختار تیتانیوم به طور کلی نقطه ذوب تیتانیوم در حدود 1660 درجه سانتیگراد می‌باشد. اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد کاربرد دارند. تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است ، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکزدار( bcc ) قرارگرفته اند و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی که تیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده است .

دو ساختار کریستالی تیتانیوم به عنوان ساختارهای aوb شناخته می شوند. ساختار a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است . ساختارهای aوb در بعضی مواقع به عنوان سیستم ها یا نوع هایی از سیستم شناخته می شوند که آن را به چهار دسته آلیاژهای a و شبه a یا نزدیک به a و a / b و a تقسیم بندی می کنند .

این ترکیبات نشان دهنده تمامی عناصر آلیاژی تیتانیوم نیست اما بیشتر عناصر استفاده شده در طراحی آلیاژهای تیتانیوم را شامل می شود .

اطلاعات بیشتری در مورد ساختار تیتانیوم

تیتانیوم خالص تجاری به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخی از عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص تجاری محدوده را برای ریز ساختارهای آلیاژی ایجاد می کند . با داشتن سطح مطلوبی از عناصر آلیاژی b ، فاز b در طول گرم کردن تولید می‌شود و در حین فرآیند سرد کردن در ادامه یک فرآیند گرم به ساختار دیگر منتقل می شود . ساختار حاصله در این مورد را آلیاژهای b ، a می نامند ) فاز b به a تبدیل می‌شود ولی فاز باقی مانده هم خواهیم داشت ) تغییرات در آلیاژهای متمایز می شود با محدوده وسیعی از ساختار وخواص شیمیایی آلیاژ که لازمه یک آلیاژ a می باشد . این تغییرات به صورت ترم ساختاری near - a ) ساختارهای شبه a یا نزدیک به a هستند ) . ساختار را بایستی به طور کلی به عنوان نیمه پایدار شناخت . آلیاژها با ساختار b در حین سرد کردن تا دمای اتاق به دست می آیند .

آلومیندهای تیتانیومی ترکیبات بین فلزی هستند که از تیتانیوم وآلومینیوم ( به همراه یک یا بیشتر از عناصر آلیاژی ) به دست می آیند.

گوگرد
گوگرد که لاتین آن Sulpur میباشد از زمانهای باستان شناخته شده بود. این عنصر با نام Brimstone در افسار پنجگانه کتاب مقدس آمده است . هومر نیز گوگرد حشره کش را در قرن 9 قبل از میلاد ذکر کرده بود. در سال 424 قبل از میلاد قبیله Bootier دیوارهای یک شهر را با سوزاندن مخلوطی از ذغال و گوگرد سوزانیده و خراب کردند. زمانی نیز در قرن 12 در چین باروت که مخلوطی از نیترات پتاسیومKNO3 کربن و گوگرد بود کشف شد. کیمیا گران اولیه برای گوگرد نماد مثلثی که در بالای یک خط قرار داشت در نظر گرفته یودند. این کیمیا گران از روی تجربه می دانستند که عنصر جیوه میتواند با گوگرد ترکیب شود. در اواخر دهه 1770 Antoine Lavoaisier توانست مجامع علمی را متقاعد کند که گوگرد یک عنصر است نه یک ترکیب.

خواص فیزیکی :

گوگرد عدد اتمی ۱۶ جرم اتمی ۰۶/۳۲ آرایش الکترونی [Ne]۳s۲۳d۴ انرژی یونش ۲۳۹ شعاع اتمی ۱٫۲۷ شعاع یونی ۱٫۸۴(-۲) الکترونگاتیوی ۲٫۵ نقطه جوش ۴۴۴٫۶ نقطه ذوب ۱۱۹٫۰ حالت اکسایش +- ۲٬۴,۶ چگالی ۲٫۰۷ کشف قبل از تاریخ کشف شد گوگرد یک از عنصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن S و عدد اتمی آن ۱۶ میباشد. گوگرد یک نافلزفراوران بی بو بی مزه و چند ظرفیتی است که بیشتر به شکل کریستالهای زرد رنگ که در کانی‌های سولفید و سولفات بدست می‌آید شناخته شده می باشند. گوگرد یک عنصر حیاتی و لازم برای تمامی موجودات زنده می باشد که مورد نیاز اسید آمینوها و پروتئین‌ها است. این عنصر به صورت اولیه در کودها استفاده می شود ولی بصورت گسترده تر در باروت ملین‌ها کبریت‌ها و حشره کش‌ها بکار گرفته می شود.

۱۰ ایزوتوپ از سولفور شناخته شده ‌است. هیچ یک از ایزوتوپهایش رادیواکتیو نیستند. چهار ایزوتوپ آن در طبیعت وجود دارد . ویژگیها گوگرد نقطه ذوب cْ ۸/۱۱۲ ، نقطة جوش cْ۶۷۴/۴۴۴، جاذبه مخصوص۰۷/۲۲۰) با ظرفیت ۲- و ۴ یا ۶ دارد(. دارای شعاع اتمی pm۱۰۴، انرژی نخستین یونش ۹۹۵ و الکترونگاتیوی ۵/۲ می‎باشد. گوگرد یک ماده جامد ، بی‎بو و زرد کمرنگ است. گوگرد غیر قابل حل در آب می‎باشد ولی محلول در دی سولفات کربن می‎باشد. مجموعه چند شکلی از گوگرد شناخته شده‌است . ‎باشد ولی محلول در دی سولفات کربن می‎باشد. مجموعه چند شکلی از گوگرد شناخته شده‌است .

وزن اتمی ۳۲٫۰۶۵ amu شعاع اتمی (calc.) ) ۱۰۰ ( ۸۸pm شعاع کووالانسی ۱۰۲ pm شعاع وندروالس ۱۸۰ pm ساختار الکترونی [Ne]۳s۲ ۳p۴ e- بازای هر سطح انرژی ۲, ۸, ۶ درجه اکسیداسیون «اکسید) ±۲٬۴,۶ «اسیدقوی ) ساختار کریستالی اورتورومبیک خواص فیزیکی حالت ماده جامد نقطه ذوب ۳۸۸٫۳۶ K (۲۳۹٫۳۸ °F) نقطه جوش ۷۱۷٫۸۷ K (۸۳۲٫۵ °F) حجم مولی ۱۵٫۵۳ ש»۱۰-۶ ««متر مکعب بر مول گرمای تبخیر اطلاعات موجود نیست گرمای هم جوشی ۱٫۷۱۷۵ kJ/mol فشار بخار ۲٫۶۵ E-۲۰ Pa at ۳۸۸ K
سرعت صوت __ m/s at ۲۹۳٫۱۵ K متفرقه الکترونگاتیویته ۲٫۵۸ «درجه پائولینگ« ظرفیت گرمایی ویژه ۷۱۰ J/kg*K) ) رسانائی الکتریکی ۵٫۰ E-۲۲ ۱۰۶/m اهم رسانائی گرمایی ۰٫۲۶۹ W/«m*K) ۱st پتانسیل یونیزاسیون ۹۹۹٫۶ kJ/mol ۲nd پتانسیل یونیزاسیون ۲۲۵۲ kJ/mol ۳rd پتانسیل یونیزاسیون ۳۳۵۷ kJ/mol ۴th پتانسیل یونیزاسیون ۴۵۵۶ kJ/mol ۵th پتانسیل یونیزاسیون ۷۰۰۴٫۳ kJ/mol ۶th پتانسیل یونیزاسیون ۸۴۹۵٫۸ kJ/mol پایدارترین ایزوتوپها ایزو NA نیمه عمر DM DE MeV DP ۳۲S ۹۵٫۰۲٪ S با۱۶نوترون پایدار است
۳۳S ۰٫۷۵٪ Sبا۱۷ نوترون پایدار است ۳۴S ۴٫۲۱٪ S با۱۸نوترون پایدار است ۳۵S {syn.} ۸۷٫۳۲ d β- ۰٫۱۶۷ ۳۵Cl ۳۶S ۰٫۰۲٪ S با۲۰ نوترون پایدار است.

این نافلز به رنگ زرد کمرنگ می باشد که بسیار سبک و نرم است. این عنصر به هنگام ترکیب با هیدروژن بوی مشخصی دارد که مشابه بوی تخم مرغ فاسد شده می‌باشد. گوگرد با شعله آبی رنگ می سوزد و بوی عجیبی از خود ساتع میکند. گوگرد در آب حل شدنی نیست ولی در دی سولفید کربن حل میشود. حالتهای معمول اکسیداسیون این عنصر -۲و+۲و+۴ و +۶ می باشد. گوگرد در تمام حالتهای مایع جامد و گاز شکلهای چند گانه دارد که ارتباط بین آنها هنوز کاملا درک نشده ‌است. گوگرد کریستالی به صورت حلقه گوگردی S۸ نشان داده می شود. نیترید گوگرد پولیمری خواص فلزی دارد و این در حالی است که هیچ گونه اتم فلزی در خود ندارد. این عنصر همچنین خواص نوری و الکتریکی غیر معمولی نیز دارد . گوگرد غیر‌متبلور یا پلاستیک با عمل سرد کردن سریع کریستال گوگرد حاصل می شود. مطالعات در زمینه اشعه ایکس نشان می دهد که گونه غیر متبلور و بی نظم ممکن است که ۸ اتم در هر ساختار پیچشی ستاره مانند داشته باشد. گوگرد می تواند به دو حالت کریستالی بدست آید Orthorhombic octahedral یا بلور مونو کلینیک که اولی در دماهای معمولی پایدارتر می باشد کاربردها گوگرد یکی از اجزای باروت می‎باشد. همچنین گوگرد برای جوشکاری لاستیک به کار می‎رود. گوگرد به عنوان ماده از بین برنده قارچ و همچنین ضدعفونی کننده و کود به کار می‎رود گوگرد برای تهیه اسید سولفوریک مورد استفاده قرار می‎گیرد. گوگرد همچنین برای ساختن چندین نوع کاغذ ، ماده سفیدکننده و به عنوان عایق الکتریکی به کار می‎رود. گوگرد عنصری است که برای زندگی لازم است. ترکیبات گوگرد بسیار سمی است ، برای مثال مقدار کمی سولفید هیدروژن می‎تواند متابولیز بدن را دگرگون کند اما مقادیر بیشتر آن می‎تواند بسرعت باعث مرگ از راه فلج تنفسی شود . سولفید هیدروژن با سرعت حس بویایی را از بین می‎برد. دی‏اکسید گوگرد آلوده‎کننده مهم جوی می‎باشد این عنصر برای استفاده‌های صنعتی مانند تولید ) ۴SO ۲H (اسید سولفوریک برای باطریها تولید باروت و حرارت دادن لاستیک تولید می شود. گوگرد در فرایند تولید کودهای فسفاتی به عنوان ماده ضد قارچ عمل می کند. سولفاتها در کاغذهای شستشو و خشکبار نیز کاربرد دارند. همچنین گوگرد در ساخت کبریت و آتش بازی نیز بکار گرفته می شود. تیوسولفات آمونیوم یا سدیم به عنوان عامل ثابت کننده در عکاسی کاربرد دارد. سولفات منیزیم می‌تواند به عنوان ماده ضد خشکی و ملین که یک مکمل منیزیم گیاهی است به کار گرفته شود. منابع گوگرد در سنگ‎های آسمانی ، در مجاورت چشمه‎های جوشان و همچنین آتش‎فشانها یافت می‎شود. گوگرد همچنین در بسیاری از مواد معدنی از جمله سرب معدنی ، سولفید آهن و همچنین سولفات باریم طبیعی یافت می‎شود. گوگرد همچنین در نفت خام و گازهای طبیعی وجود دارد. مرحله فرشْ ممکن است برای به دست آوردن گوگرد تجاری مورد استفاده قرار بگیرد. در این مرحله آب گرم با فشار وارد چاههای پرنمک می‎شود ( به منظور ذوب کردن گوگرد ) آنگاه آب به سطح زمین آورده می‎شود .

نقش بیولوژیکی اسید آمینوها Cysteine, Methionine, Homocysteine و Taurine و همچنین برخی از آنزیمها حاوی گوگرد می باشند که در واقع گوگرد را به یک عنصر حیاتی برای سلولهای زنده تبدیل کرده‌اند. ترکیبات دیسولفیدی مابین polypeptidها در ساختار پروتئینی بسیار مهم می باشند. برخی از گونه‌های باکتری از سولفید هیدروژن بجای آب در فرایند فتوسنتز خود استفاده می کنند. گوگرد توسط گیاهان بصورت ین سولفات از خاک جذب می شود. گوگرد غیر آلی یک قسمت از کلاسترهای آهن- گوگرد را تشکیل می‌دهد ، و گوگرد لیگاند اتصال دهنده درCuA می‌باشد. تاریخچه گوگرد که لاتین آن Sulpur می باشد از زمانهای باستان شناخته شده بود. این عنصر با نام Brimstone در افسار پنجگانه کتاب مقدس آمده‌است. هومر نیز گوگرد حشره کش را در قرن ۹ قبل از میلاد ذکر کرده بود. در سال ۴۲۴ قبل از میلاد قبیله Bootier دیوارهای یک شهر را با سوزاندن مخلوطی از ذغال و گوگرد سوزانیده و خراب کردند. زمانی نیز در قرن ۱۲ در چین باروت که مخلوطی از نیترات پتاسیومKNO ۳ کربن و گوگرد بود کشف شد. کیمیاگران اولیه برای گوگرد نماد مثلثی که در بالای یک خط قرار داشت در نظر گرفته بودند. این کیمیا گران از روی تجربه می دانستند که عنصر جیوه میتواند با گوگرد ترکیب شود . در اواخر دهه ۱۷۷۰ Antoine Lavoaisier توانست مجامع علمی را متقاعد کند که گوگرد یک عنصر است نه یک ترکیب. پیدایش گوگرد به صورت طبیعی در مقادیر زیاد به صورت ترکیبی با دیگر عناصر به صورت سولفید ( مانند ( pyrite و سولفات ( مانند Gypsum ) یافت می شود و به صورت آزاد نزدیک چشمه‌های آب گرم و مناطق آتش فشانی و معادنی نظیر Cinnabar Galena و Sphalerite بدست می‌آید. این عنصر در مقادیر کم نیز از ذغال سنگ و نفت که در هنگام سوختن دی اکسید گوگرد تولید می‌کنند بدست می‌آید. استانداردهای سوختی بصورت فزاینده‌ای به گوگرد برای استخراج سوختهای فسیلی نیاز دارند. چرا که دی اکسید گوگرد با قطرات آب ترکیب شده و باعث بوجود آمد باران اسیدی می شود. این گوگرد استخراج شده بعد از پالایش یکی از بیشترین ذخایر تولید گوگرد را به خود اختصاص می دهد. این گوگرد در ساحل US Gulf با پمپاژ آب داغ به ذخایر گوگردی باعث ذوب شدن گوگرد می شود.

خواص فیزیکی گوگرد عبارت است از:

§ رنگ : زرد

§ حالت: جامد

§ سختی: شکننده

§ نقطهٔ ذوب: ۱۱۹ درجه

§ نقطهٔ جوش:۴۴۵

§ رسانایی: ندارد

§ انحلال پذیری : ندارد

علم مواد

مطالب مشابه :

لیستی از کتاب های مهندسی متالورژی

جامع ترین بسته مهندسی مواد و متالوژی

مقدمه ای بر شیمی مواد غذایی

دانلود حل المسائل علم مواد کالیستر

معرفي رشته ي علوم تغذيه

هندبوك مهندسي مواد و متالورژي

اصول بهداشت و ايمنی مواد غذایی

علم مواد

معرفی رشته علوم تغذیه