آلیاژها ترکیبی از فلزات با سایر عناصر هستند که خواص جدیدی مانند استحکام و مقاومت در برابر خوردگی به مواد می‌دهند. این مقاله به چیستی آلیاژ و انواع و کاربردهای آن می‌پردازد.
- آلیاژ چیست؟ ترکیبی از فلز پایه با یک یا چند عنصر فلزی یا غیرفلزی برای تقویت خواص.
- ویژگی‌ها: استحکام بیشتر، قابلیت تنظیم خواص با سرد کردن و حرارت‌دهی کنترل‌شده.
- کاربردها: در ساخت خودروها، هواپیما، ابزارآلات و لوازم خانگی به‌طور گسترده استفاده می‌شوند.
آلیاژ چیست ؟
آلیاژ چیست؟ این لغت از یک واژه ی فرانسوی گرفته شده. آلیاژ یا هم‌جوشه، مخلوط یا محلول جامد فلزی متشکل از یک فلز اصلی که آن را فلز پایه می‌گویند با یک یا چند عنصر فلزی یا غیرفلزی است.در واقع آلیاژ، مخلوطی از یک فلز با یک یا چند عنصر دیگر است. برای مثال فولاد، آلیاژ آهن با کربن است.
آلیاژ معمولاً خواصی متفاوت از عناصر تشکیل دهنده خود دارد. بسته به میزان همگنی در اختلاط عناصر، هم‌جوشه می‌تواند تک فاز یا چند فازی باشد. هدف از هم‌جوشه‌سازی، تغییر و بهبود خواص ماده مانند استحکام، سختی و غیره‌ست. ویژگیهای فیزیکی هم‌جوشه با نمودار فازی توصیف میشود.
معمولاً آلیاژ ها (هم‌جوشه ها) بر اساس درصد وزنی عناصر موجودشان گزارش می‌شوند. بر اساس تعداد عناصر، هم‌جوشه را دوتایی، سه‌تایی و غیره می‌نامند.
برای بیان یک هم‌جوشه مشخص با دامنه متغیر از درصد عناصر، اصطلاح سیستم بکار می‌رود؛ مثلاً، فولاد سیستم آلیاژی دوتایی از آهن و کربن است که در این سیستم آلیاژی دامنه کربن بین ۰٫۰۲ تا ۲٫۱۴ درصد قابل‌تغییر است.
به محلول جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها فلز بوده و خواص فیزیکی و شیمیایی فلزی داشته باشند، آلیاژ فلزی و به محلول‌های جامدی که حداقل یکی از اجزای آنها سرامیکی بوده و خواص سرامیکی داشته باشند، آلیاژ سرامیکی گفته میشود.
ویژگیهای آلیاژها
- در آلیاژها دو یا چند ماده را با هم ترکیب می کنند تا محصولی با خواص بهتر مثل عدم زنگ زدگی فلزات ایجاد کنند. در برخی از آلیاژها پس از آمیخته شدن عناصر تشکیل دهنده آلیاژ، خواص تمام عناصر تشکیل‌دهنده در آلیاژ تشکیل شده مشاهده میشود. درست مانند حل شدن نمک در آب، یکی از عناصر در دیگری فقط حل میشود.
اما در برخی از آلیاژها، فلزها چنان در هم می‌آمیزند که آرایش ذرات آنها دگرگون شده و یک ترکیب شیمیایی به دست می‌آید. آلیاژها از ذرات بسیار کوچکی تشکیل شده‌اند. برخی از این ذرات به هم می‌پیوندند و مجموعه‌هایی پدید می‌آورند که به آنها دانه گفته میشود. - اندازه این دانه‌ها در خواص بعدی آلیاژها بسیار تاثیرگذارند. همچنین اندازه دانه‌ها به عواملی همچون میزان حرارت داده شده به مواد تشکیل‌دهنده و سرعت سرد کردن آنها بستگی دارد؛ در حقیقت هرچه مواد را سریع‌تر سرد کنیم، اندازه دانه‌ها ریزتر میشود. به این ترتیب، ریزی و درشتی دانه‌ها، در خواص بعدی آلیاژها تاثیرگذار است و از راه تنظیم میزان حرارت داده شده و سرعت سرد کردن می‌توان خواص مورد نظر را در آلیاژ ایجاد کرد.
- بیشتر آلیاژها از فلزات تشکیل‌دهنده‌شان سخت‌ترند. به همین دلیل از شکل‌پذیری کمتری برخوردارند. همین‌طور بیشتر آلیاژها در دمایی کمتر از دمای ذوب فلزات تشکیل‌دهنده ذوب می‌شوند و رسانایی الکتریکی ضعیف‌تری دارند.
طبقه‌بندی آلیاژها
آلیاژها را با پیوندهای فلزی تعریف و برای استفاده از آلیاژها، آنها را به صورت درصد جرمی بیان می‌کنند. دسته‌بندی‌های مختلفی برای آلیاژها در نظر گرفته شده است. آنها را می‌توان در دو دسته آلیاژهای «جانشینی» (Substitutional) و «درون شبکه‌ای» (Interstitial) طبقه‌بندی کرد. البته بر اساس نوع آرایش اتمی در آلیاژها، آنها را می‌توان به همگن، ناهمگن و میان‌فلزی تقسیم‌بندی کرد.
همانطور که در بالا اشاره شد، خواص مکانیکی آلیاژ با عناصر سازنده آن متفاوت است. به طور مثال در ترکیب دو فلز نرم و چکش‌خوار آلومینیوم و مس، آلیاژی بدست می‌آید که استحکام بسیار بالایی دارد یا اضافه کردن مقداری کربن به آهن، تولید آلیاژ مستحکم فولاد را به همراه دارد. همچنین، با اضافه کردن عنصر کروم به فولاد، می‌توان خوردگی آن را کنترل کرد و به «فولاد ضد زنگ» (Stainless Steel) دست پیدا کرد.
انواع آلیاژ
آلیاژها را می‌توان به دو دسته فلزی و غیرفلزی تقسیم بندی نمود. از سویی دیگر خود آلیاژ فلزی به دو دسته آهنی (آلیاژهایی که بر پایه آهن هستند) و غیرآهنی (آلیاژهایی که بر پایه فلز آهن نیستند و موجب خوردگی فلزات می‌شوند) تقسیم می گردد.
- آلیاژ غیر فلزی
- آلیاژ فلزی
آلیاژ غیرآهنی
آلیاژهای غیرآهنی، آلیاژهایی هستند که فلز پایه آن ها آهن نیست و به جای آهن از فلزاتی مانند نیکل، کروم، مس، آلومینیوم استفاده میشود. این نوع از آلیاژها به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و اکسایش در صنایع مختلفی همانند خودروسازی و هوافضا کاربرد بسیاری دارند. از معروف‌ترین آلیاژهای غیرآهنی می‌توان برنج و برنز را نام برد که هزاران سال پیش کشف شدند.
در ادامه مقاله، دسته‌بندی آلیاژهای فلزی به صورت کامل توضیح می دهیم .
انواع آلیاژهای فلزی
بطور کلی اکثر فلزهایی که در صنعت استفاده می شود آلیاژ ها هستند. برای تولید آلیاژها یک فلز پایه را با عناصر دیگر ترکیب می کنند تا ترکیب آن را تغییر دهند و خواص ذاتی آن را تقویت کنند. انواع مختلفی از آلیاژهای فلزی وجود دارد و ترکیبات درون آن تقریباً بی پایان است. در اینجا تعدادی از محبوب ترین آلیاژها و کاربردهای آنها آورده شده است.
آلیاژهای فولاد ضد زنگ
فولاد ضد زنگ آلیاژی است که از آهن و کربن تشکیل شده است. بین آلیاژهای فولاد ضد زنگ و آلیاژهای فولادی مختلف که با افزودن عناصر دیگری مانند نیکل، مس یا منگنز تولید می شوند، تفاوت وجود دارد.
فولاد ضد زنگ در تولید لوازم آشپزخانه، ظروف آشپزی و کارد و چنگال معروف است. روکش های خیره کننده آن از مات تا براق متغیر است، و فوق العاده بادوام است و تمیز کردن آن آسان است. خواص ضد خوردگی آن نیز آن را در کاربردهای ماشینی مفید می کند.
آلیاژهای آلومینیوم
آلومینیوم به خودی خود قوی ترین فلز نیست، اما وقتی عناصری مانند آهن، مس یا روی را به آن اضافه می کنید، استحکام و دوام آن را افزایش می دهید.
آلیاژها آلومینیوم، سبک وزن و در برابر خوردگی مقاوم هستند و اغلب نسبت به سایر آلیاژها مقرون به صرفه تر هستند. آنها همچنین دمای بالا را به خوبی تحمل می کنند. آلیاژهای آلومینیوم در مهندسی مکانیک و ساخت هوافضا رایج هستند.
آلیاژهای برنز
برنز حاوی مس و سایر مواد افزودنی است. ماده اضافی ممکن است قلع، سیلیکون، آلومینیوم، منگنز، فسفر یا عناصر مختلف دیگر باشد. رنگ برنز در مدال ها، مجسمه ها و آلات موسیقی قابل تشخیص است. سختی و مقاومت آن در برابر خوردگی نیز باعث محبوبیت آن در کشتی ها و سایر کاربردهای دریایی شده است.
آلیاژهای نیکل
آلیاژهای نیکل یکی از پرکاربردترین فلزات هستند. این آلیاژها اغلب ترکیبی از نیکل و آهن، مس، مولیبدن یا کروم هستند.
این آلیاژها به خوبی در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاومت می کنند و طیف گسترده ای از ترکیبات، آنها را در چندین صنعت قابل استفاده می کند. این موارد شامل سیستم های لوله کشی دریایی، شیرهای فشار یا شفت پمپ می شود. آنها همچنین در توربین های گاز یا بخار و تجهیزات پزشکی رایج هستند.
منگنز
فلزی است که معمولا برای بهبود استحکام آلیاژ میشود. منگنز به تنهایی به عنوان یک عنصر آلیاژی تحت تاثیر عملیات حرارتی قرار نمی‌گیرد و آن را برای کاربردهای دمای بالاتر مناسب می‌کند.
تنگستن
یک عنصر آلیاژی فلزی است که برای بهبود مقاومت در برابر سایش (به ویژه در دماهای بالا)، سفتی و استحکام استفاده میشود.
کروم
از کروم معمولا برای افزایش خاصیت مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود البته بسته به نوع فلزهای دیگر ترکیب شونده با کروم . از کروم می توان برای افزایش استحکام فلزات و آلیاژ ها نیز استفاده کرد.
مس
ترکیب مس با آلومینیوم منجر به قابلیت پیر سختی می شود و از طرفی منجر به کاهش مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ می شود . اما مس در فولاد منجر به افزایش مقاومت در برابر خوردگی می شود.
سیلیسیوم
از جمله عناصر غیرفلز پرکاربرد در ترکیب آلیاژ ها است که به عنوان اکسیژن زدا در فلزات عمل می کند و دمای ذوب فلزها را کاهش و استحکام فلزها را افزایش می دهد.
کربن
کربن نیز مانند سیلیسیوم از عناصر غیر فلزی پرکاربرد در ساخت آلیاژ ها است. استفاده از کربن برای تولید فولاد ضروری است. کربن منجر به افزایش سختی در فلزات مثل فولاد و چدن می شود.
کاربرد آلیاژ چیست؟
آلیاژها کاربردهای گسترده‌ای در زندگی روزمره ما دارند. برخی از رایج‌ترین کاربردهای روزمره آلیاژها به شرح زیر است:
- مجسمه‌های کوچک، مدال‌ها و برخی آلات موسیقی که از برنز ساخته شده‌اند.
- از فولاد برای ساخت راه‌آهن، پل، جاده، فرودگاه و غیره استفاده میشود. همچنین برای ساخت ظروف خانگی و سایر محصولات به کار می‌رود.
- قفل، دستگیره در، لوازم برقی، زیپ، آلات موسیقی، وسایل تزئینی و هدیه از برنج ساخته شده‌اند.
- آهنرباهای دائمی از آلنیکو ساخته می‌شوند.
- از نقره استرلینگ برای ساخت ابزار جراحی، آلات موسیقی، کارد و چنگال و قطعات جواهرات به کار می‌رود.
- آلیاژهای آلومینیوم سبک وزن‌اند، بنابراین برای ساخت بدنه هواپیما و قطعات آنها استفاده میشود.
- آلیاژهای تیتانیوم به دلیل مقاومت در دمای بالا و رفتار فوق‌پلاستیک به طور گسترده در صنعت هوافضا به کار می‌رود.
- آمالگام که آلیاژی از جیوه است، جهت فعالیت‌های پزشکی استفاده میشود. همچنین برای پر کردن حفره‌های دندان کاربرد دارد.
- آلیاژهای خاصی از طلا مانند رزگلد، برای ساخت جواهرات استفاده میشود.