مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
در دنیای امروز، مهندسی مواد و متالورژی به عنوان یکی از رشتههای بنیادین علوم مهندسی، نقش اساسی در توسعه فناوریهای نوین ایفا میکند. مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی و تحلیل خواص و رفتار مواد در شرایط مختلف، به طراحان و مهندسان کمک میکند تا مواد مناسب برای کاربردهای خاص را شناسایی و انتخاب کنند. از استخراج فلزات با استفاده از روشهای نوین مانند هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی گرفته تا بررسی انواع خوردگی و روشهای جلوگیری از آن، همگی در این زمینه گنجانده میشوند.
مطالب آموزشی مهندسی مواد و متالورژی شامل طیف وسیعی از فرآیندها و مفاهیم است که درک صحیح آنها میتواند به افزایش عمر مفید تجهیزات صنعتی، بهبود عملکرد مواد و همچنین کاهش هزینهها و آلودگیهای زیستمحیطی منجر شود. در این مقاله، به معرفی روشهای استخراج فلزات، انواع خوردگی، خواص فولادهای زنگ نزن آستنیتی، آلیاژهای مختلف و کاربردهای آنها پرداخته میشود تا تصویر جامعتری از این علم پیشرفته به دست آید. با ما همراه باشید تا با این مباحث جذاب و کاربردی بیشتر آشنا شوید.
1-استخراج فلزات به روشتر یا هیدرومتالورژی
فرآیندی که در آن از کورههای مختلف برای احیاء کانیهای محتوی ترکیبات اکسیدی فلزات استفاده میگردد، در اصطلاح روش پیرومتالورژی یا متالورژی حرارتی نامیده میشود. روش هیدرومتالورژی نسبت به روش پیرومتالورژی مقرون به صرفهتر بوده و میزان مصرف انرژی و نیز آلودگی محیط زیست درآن کمتر میباشد. این روش برمبنای انحلال شیمیایی عناصر از کانیهای معدنی و سپس رسوب کاتیونهای فلز مورد نظر از محلول با استفاده از جریان الکتریکی انجام میشود. به طور معمول استخراج به روش تر بیشتر برای استخراج فلزات غیر آهنی به کار میرود. در حال حاضر درمجتمع مس سرچشمه برای استخراج مس وکارخانه سرب و روی زنجان برای استخراج روی از این روش استفاده میشود.
مراحل استخراج فلز به روش هیدرومتالورژی
این مراحل را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
- استخراج سنگ از معدن و انتقال آنها به محل مناسب
- تزریق حلال مناسب جهت حل کردن عنصر فلزی مورد نظر از ترکیب سنگ معدنهای عنصر مورد نظر
- جمع آوری محلول محتوی کاتیون
- انتقال محلول جمع آوری شده به حوضچههایی جهت رسوب ذرات جامد موجود در محلول و مواد مزاحم دیگر
- افزایش عیار محلول نسبت به یون فلز مورد نظر با استفاده از مواد شیمیایی مناسب
- انتقال محلول پرعیار شده به سلهای الکترووینینگ استفاده از جریان الکتریکی روی سطح الکترودهای کاتد
- جمع آوری ورقهای کاتدی پس از تشکیل رسوب فلزی و تکرار سیکل فوق
انواع خوردگی و معیارهای تقسیم بندی آن در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
اهمیت روزافزون نقش دانش خوردگی در بهبود حفظ تاسیسات صنعتی و کاهش خطرات ناشی از آن، ضرورت آشنایی با مسایل پایهای خوردگی را برای طیف های گوناگون دست اندرکاران صنعتی دو چندان میسازد. مرسومترین طبقه بندی انواع خوردگی بر اساس شکل ظاهری فلز خورده شده است. در این تقسیم بندی هشت نوع خوردگی به شرح زیر به عنوان مهمترین انواع خوردگی برشمرده شدهاند.
خوردگی یکنواخت در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
این نوع خوردگی به عنوان نوعی از خوردگی که به صورت یکنواخت از ضخامت ماده کم میکند تعریف شده است.
خوردگی شیاری
این نوع خوردگی در بیشتر مواقع در شیارهایی که در معرض محیط خورنده قرار دارند منجر به خوردگی موضعی شدیدی میشود.
خوردگی دوفلزی
زمانی که دو فلز غیر همجنس که در تماس الکتریکی با یکدیگر هستند و در معرض یک محلول هادی قرار میگیرند، فلز مقاومتر خورده نمیشود اما آهنگ خوردگی فلز فعالتر که مقاومت خوردگی کمتری دارد، افزایش مییابد. به علت وجود جریانهای الکتریکی بین فلزات غیرهمجنس، این نوع خوردگی، گالوانیک یا دو فلزی نامیده میشود.
خوردگی بین دانه ای
در این نوع خوردگی مرزدانه نسبت به خود دانه از سطح انرژی بالاتری برخوردار بوده و در نتیجه از نظر شیمیایی فعالتر و نسبت به خوردگی حساستر است. خوردگی موضعی و متمرکز در مرز دانهها یا نواحی نزدیک به آنها در حالیکه خود دانهها خورده نشدهاند یا اینکه به مقدار اندکی خورده شدهاند، را خوردگی بین دانهای مینامند.
جدایش انتخابی در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
جدایش انتخابی نوعی خوردگی است که در آن عناصر خاصی از آلیاژ، حل شده و از آن جدا میشوند. روی، آلومینیوم، کبالت، نیکل و کروم از معمولترین عناصری هستند که به این طریق از آلیاژ جدا میشوند.
خوردگی سایشی
خوردگی سایشی عبارت است از افزایش سرعت خوردگی یا از بین رفتن یک فلز در اثر حرکت نسبی بین یک مایع خورنده و سطح فلز. در این فرایند یونهای فلزی حل شده روی سطح فلز، در اثر حرکت سیال روی سطح باقی نمانده و یا محصولات جامد حاصل از خوردگی از سطح فلز به طریق مکانیکی جدا میشوند.
خوردگی توأم با تنش
این پدیده عبارت است از ترک خوردن در اثر خوردگی توأم با تنش که نتیجه اعمال همزمان تنشهای کششی و محیط خورنده روی فلز است. در این شرایط ترکهایریزی که ناشی از فرایندهای خوردگی موضعی هستند، به داخل فلز یا آلیاژ پیشرفت میکنند.
خسارت هیدروژنی در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
خسارت هیدروژنی یک اصطلاح کلی است که دلالت بر خسارت مکانیکی وارد شده به فلز در اثر وجود یا واکنش با هیدروژن دارد که خود به سه گروه تاول زدن هیدروژنی، تردی هیدروژنی و خوردگی هیدروژنی تقسیم بندی میشود. ترک خوردگی ناشی از هیدروژن نوعی از ترک است که توسط اتمهای هیدروژن که به داخل فولاد نفوذ کرده و در داخل ساختار فلز ترکیب شده و مولکولهای هیدروژن تشکیل دادهاند، ایجاد میشود.
عوامل موثر در خوردگی فلزات و روشهای جلوگیری از آن
موثرترین و مهمترین عوامل، در خوردگی فلزات به عبارت زیر است.
- درجه خلوص فلز: هر چه فلز خالصتر باشد، دیرتر خورده میشود.
- تغییرات فیزیکی و مکانیکی فلز.
- غلظت ماده مؤثر و جنس آن (عامل خورنده).
- مقدار اکسیژن.
- PH محیط.
- درجه حرارت.
- روش هایکنترلخوردگی
از اصلیترین روشهای کنترل خوردگی میتوان به موارد زیر اشاره داشت:
- انتخاب صحیح آلیاژ
- بکارگیری پوششهای مقاوم
- بکارگیری بازدارندههای خوردگی
- حفاظت کاتدی و آندی
متالورژی و خواص فولاد زنگ نزن آستنیتی در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
فولادهای زنگ نزن آستنیتی تقریباً ۸۰ تا ۹۰ درصد فولادهای زنگ نزن را تشکیل میدهند. این کلاس فولادهای زنگ نزن شامل آلیاژهای گروه ۲۰۰ و ۳۰۰ میشود که میتوان آنها را با کار سرد، سخت کرد. آلیاژهای سری ۲۰۰ برای صرفه جویی در مصرف نیکل با جایگزینی آن با منگنز به وجود آمدند به شکلی که به ازای هر یک درصد نیکل، دو درصد منگنز جایگزین شود.
آلیاژهای سری ۳۰۰ فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای کم کربن آهن-کروم هستند که با نیکل هم همراه هستند و گاهی اوقات منگنز یا نیتروژن هم دارند یا حاوی مجموعهای از این عناصر هستند تا در اثر سرد کردن سریع در دمای اتاق به آستنیت تبدیل شوند. مقدار کروم در محدوده ۱۵ تا ۳۲ درصد، مقدار نیکل در محدوده ۸ تا ۳۷ درصد و مقدار کربن به کمتر از ۰٫۰۳ درصد محدود شده است. کروم مقاومت به اکسیداسیون و مقاومت به خوردگی در محیط خاص را ایجاد میکند.
استحکام آلیاژ ۳۰۴ و مقاومت به خوردگی آن متوسط و چقرمگی آن عالی است. برای بهبود مقاومت به خوردگی حفرهدار شدن در برابر کلراید باید به آن مولیبدن اضافه کرد که به این ترتیب آلیاژهای ۳۱۶ و ۳۱۷ پدید میآیند. فولاد زنگ نزن ۳۱۶ (۱۸ درصد کروم، ۱۲ درصد نیکل، ۲٫۵ درصد مولیبدن) و ۳۱۷ (۱۸ درصد کروم، ۱۵ درصد نیکل، ۳٫۵ درصد مولیبدن) در محیطهای کلریدی مقاومت بیشتری نسبت به ۳۰۴ از خود نشان میدهند.
خواص فولادهای زنگ نزن آستنیتی عبارت است از: غیر مغناطیسی (نگیر)، داکتیل، کارسخت (با عملیات حرارتی سخت نمیشوند.)، تک فاز از صفر کلوین تا دمای ذوب، ساختار کریستالیFCC، جوشکاری آسان، عدم ایجاد تردی ۴۷۵ درجه سانتی گراد و تردی هیدروژنی و عدم وجود دمای انتقال نرمی به تردی.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی و کاربرد آنها | نامگذاری فولادهای زنگ نزن
بدلیل وجود عناصر کروم و نیکل در ساختمان فولادهای آستنیتی زنگ نزن این فولادها دارای قابلیت جوشکاری بسیار عالی میباشند. به هر حال بدلیل خواص مکانیکی مخصوص نظیر قابلیت هدایت حرارتی کم و بالا بودن ضریب انبساط حرارتی نیاز به دقت و کنترل حرارتی هنگام جوشکاری دارد. وجود مقدار کمی فریت در فلز جوش خواص آستنیتی را بهبود میبخشد و از ایجاد ترک گرم جلوگیری میکند.
منحنی شفلر مشخصکننده ساختار میکروسکپی فلز جوش بر روی فلز پایه میباشد. این منحنی علاوه بر مشخص کردن نقش کروم و نیکل نقش عناصری نظیر کربن، سیلیسیم، منگنز، مولیبدن، نیوبیم را مورد بررسی قرار میدهد. این منحنی برای بـررسی ساخـتار میکروسـکپی در محدوده حرارتی مشخصی طراحی شده است. هدف اصلی دیاگرام محاسبه مقدار فریت در فلز است که این مقدار توسط عنـاصر فریت زا مانند مولیبدن، سیلیسیم و کروم افزایش یافته و توسط عناصر آستنیت زا مانند منگنز، نیکل و کربن کاهش مییابد. بعلاوه این منحنی اطلاعات ارزشمندی را در زمینه ساختار میکروسکوپی حاصل شده از جوشکاری الکترود آستنیتی بر روی فولاد کربنی ساده به دست میدهد که این اطلاعات در مورد جوشکاری دو فولاد غیرهم نام با پوشش دادن فولادها حائز اهمیت است.
این منحنی همچنین تمام نواحی بحرانی را برای فولادهای مقاوم ضدزنگ که در حین جوشکاری بوجود میآید مشخص میکند؛ نظیر رشد دانه در دمای بالاتر از ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد، تمایل به ایجاد ترک در اثر افزایش سختی در زیر دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد، تمایل به ترکهای گرم در بالاتر از ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد و شکنندگی فاز سیگما در دامنه حرارتی بین ۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد با انتخاب الکترود مناسب میتوان مقاومت در برابر زنگ زدگی را کنترل کرد.
نامگذاری فولادهای زنگ نزن در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
در این فولادها بدلیل استفاده از آلیاژ کروم در آنها و تشکیل لایهی محافظ، چسیبنده و متراکم اکسید کروم (Cr2O3) مقاومت به خوردگی بالا میرود که به چندین دسته تقسیم میشوند از جمله خانوادههای زیر:
- سری xx2
- سری xx3
- سری xx4
- سری xx6
معرفی آلیاژ آلومینیوم ۲۰۲۴ / آلیاژهای سریxxx2 (Al-Cu) / آلیاژهای Al2024
آلیاژهای سری xxx2 در هوافضا و دیگر کاربردهای ساختاری مورد استفاده قرار میگیرند. مس عنصر آلیاژی عمده است که در آلیاژ به صورت Al2Cu یا Al2CuMg در صورت وجود Mg وجود دارد. در بسیاری از آلیاژهای تجاری، مس به عنوان عنصر آلیاژی اصلی یا در میان عناصر آلیاژی دیگر، در غلظتهای ۱ تا ۱۰% اضافه میشود. به دلیل وجود عناصر آلیاژی، لازم است که این آلیاژهای در دمای نزدیک به دمای انجماد تعادلی عملیات حرارتی شوند. این منجر به تمایل بیشتر مرز دانهها به ذوب اولیه میشود.آلیاژهای Al2024ترکیب اسمی آلیاژهای Al2024 به صورت Al-4.6Cu-1.5Mg-0.6Mn(%Wt) است.
این آلیاژ حاوی آلومینیوم، مس، منیزیم، منگنز، آهن و سیلیسیم بوده، و یک ساختار چند فازی دارد که شامل Al2CuMg، CuA12 Mg2Si، Al12Si3 (Mn،Fe)
در برخی موارد Al(Fe،Mn) یا Al6(Mn،Fe) است. حرارت دادن باعث حل شدن بیشتر مس و منیزیم شده اما مقداری A12CuMg و شاید CuA12 به صورت حل نشده، خارج از محلول جامد باقی میمانند. تمام فازهای آهنی به Al7Cu2Fe تبدیل میشوند و ممکن است همراه با دیگر فازهای جزئی باشند. به طور همزمان منگنز از محلول جامد به صورت Al20Cu2Mn3 رسوب میکند. سرد کردن آهسته باعث رسوب گذاری A12CuMg به صورت ویدمن اشتاتن میشود. مراحل رسوب گذاری در آلیاژ Al2024 عبارت است از: محلول جامد فوق اشباع، مناطق همبسته صفحهای شکل //GP Al{1 0 0}، فاز همبسته صفحهای شکل “//θ Al{1 0 0}، فاز نیمه همبسته صفحهای شکل //θ’ Al{1 0 0}، فاز نا همبسته.
کاربرد فرایند لحیم کاری در صنعت اتومبیلسازی، هوافضا و صنایع نظامی
لحیم کاری در کاربردهای هوا و فضایی برای اجزای سوپرآلیاژ مورد استفاده قرار میگیرد. آنها معمولاً توسط فرایند لحیم کاری با فلزات پرکننده پایه نیکل و کبالت حاوی مواد با نقطه ذوب کمتر مانند بور و سیلیکون اتصال پیدا میکنند. لحیم کاری هوا و فضایی در کورههای خلاء با نگه داشتن قطعات برای یک دوره طولانی از زمان به منظور نفوذ بور و سیلیکون انجام میشود.طراحی و ساخت هواپیمای مافوق صوت، موشکها و وسایل نقلیه فضایی به دلیل کمبود مواد مقاوم به درجه حرارت بالا محدود شده است. مشکل ابتدا در تولید هواپیماهای جت کارآیی بالا در اگزوز موتور در موادی که توسط گرمایش آیرودینامیکی تحت درجه حرارت بالا قرار گرفتند، جدی شد. مواد نسوز برای چنین کاربردهایی در نظر گرفته شد و با استفاده از آنها تا حدی مشکلات مرتفع شدند.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی و کاربرد آنها
بدلیل وجود عناصر کرم ونیکل در ساختمان فولادهای آستـنیتی زنگ نزن این فولادها دارای قابلیت جوشکاری بسیار عالی میباشند. به هر حال بدلیل خواص مکانیکی مخصوص نظیر قابلیت هدایت حرارتی کم و بالا بودن ضریـب انبساط حرارتی نیاز به دقت و کنترل حرارتی هنگام جوشکاری دارد. وجود مقدار کمی فریت در فلز جوش خواص آستنیتی را بهبود میبخشد و از ایجاد ترک گرم جلوگیری میکند. منحنی شفلر مشخصکننده ساختار میکروسکوپی فلز جوش بر روی فلز پایه میباشد. این منحنی علاوه بر مشخص کردن نقش کرم و نیکل نقش عناصری نظیر کربن، سیلیسیم، منگنز، مولیبدن، نیوبیم را مورد بررسی قرار میدهد.
این منحنی برای بـررسی ساخـتار میکروسکوپی در محدوده حرارتی مشخصی طراحی شده است. هدف اصلی دیاگرام محاسبه مقدار فریت در فلز است. این مقدار توسط عنـاصر فریت زا مانند مولیبدن، سیلیسیم و کرم افزایش یافته و توسط عناصر آستنیت زا مانند منگنز، نیکل و کربن کاهش مییابد.
بعلاوه این منحنی اطلاعات ارزشمندی را در زمینه ساختار میکروسکوپی حاصل شده از جوشکاری الکترود آستنیتی بر روی فولاد کربنی ساده به دست میدهد که این اطـلاعـات در مورد جوشکاری دو فولاد غیر همنام با پوشش دادن فولادها حائز اهمیت است.
این منحنی همچنین تمام نواحی بحرانی را برای فولادهای مقاوم ضد زنگ که در حین جوشکاری بوجود میآید مشخص میکند؛ نظیر رشد دانه در دمای بالاتر از ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد، تمایل به ایجاد ترک در اثر افزایش سختی در زیر دمای ۴۰۰ درجه سانتیگراد، تمایل به ترکهای گرم در بالاتر از۱۲۵۰ درجه سانتیگراد و شکنندگی فاز سیگما در دامنه حرارتی بین ۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد با انتخاب الکترود مناسب میتوان مقاومت در برابر زنگ زدگی را کنترل کرد.
تنش پسماند و علل به وجود آمدن آن در مطالب آموزشی مهندسی مواد متالوژی
کنترل تنش پسماند یک موضوع اساسی و اولیه در تکنولوژی پوشش دهی سرامیکها است. هر دو فرآیند نشاندن و شرایط کارکرد ممکن است که باعث ایجاد تنش پسماند در کاربردهایی که میزان عدم تطابق زیادی بین ویژگیهای ساختاری، دمایی و مکانیکی لایهها و زیرلایهها به حد بحرانی برسد، شوند.
تنش پسماندها نوعاً در مواد سرامیکی به دلیل عدم تطابق بین ضریب انبساط دمایی دانههای مجاور افزایش مییابد. هنگامی که مواد از دمای ساخت سرد میشوند، نتیجه آن ناهمسانگردی و جهت یابی تصادفی دانهها در فشار دمایی نامناسب است که به نوبه خود باعث افزایش تنشهای میکروساختاری خود تعادلی میشود. در بعضی موارد مقدار این تنشها، به اندازه کافی بزرگ است که میکروترک خوردگیهای قابل ملاحظهای در امتداد مرز دانهها ایجاد کند.
در راستای انجام پروژههای تحقیقاتی در حوزه مهندسی مواد، آشنایی با روشهای نوین استخراج فلزات و تحلیل خوردگیها از اهمیت ویژهای برخوردار است. برای مثال، انجام پایاننامه دکتری در این زمینه میتواند به پروژههای تحقیقاتی در دانشگاههای معتبر کمک شایانی کند. همچنین، انجام مقاله و پذیرش و چاپ مقاله در زمینههای خاص متالورژی مانند روشهای انجام پروژه پژوهشی در صنایع فلزی میتواند به گسترش دانش در این زمینهها و بهبود فرآیندهای صنعتی کمک کند. در کنار این مسائل، آموزشها در حوزههای تخصصی مانند آموزش فتوشاپ و آموزش طراحی سایت میتواند به مهندسان مواد و متالورژی کمک کند تا دادهها و نتایج تحقیقاتی خود را به شکلی بصری و حرفهای ارائه دهند.
با ما همراه باشید.
