alaşım - Alloy

Wood'un metali , ötektik , düşük erime noktalı bir bizmut , kurşun , kalay ve kadmiyum alaşımıdır . Bireysel taneler, kristallerin düz yüzeyleri olarak görülür.

Bir alaşım , metallerin bir karışımı veya bir veya daha fazla başka elementle birleştirilmiş bir metaldir . Örneğin, metalik elemanlar birleştiren altın ve bakır üreten kırmızı altın , altın ve gümüş olur beyaz altın, bakır ile birleştirildi ve gümüş üreten gümüş . Birleştiren demir metalik olmayan ile karbon veya silikon adı alaşımlar elde çelik ya da silikon çelik . Elde edilen karışım, artan mukavemet veya sertlik gibi saf metallerden genellikle farklı özelliklere sahip bir madde oluşturur. Alüminyum oksit (safir), berilyum alüminyum silikat (zümrüt) veya sodyum klorür (tuz) gibi metalik bazlar içerebilen ancak metal gibi davranmayan diğer maddelerin aksine , bir alaşım elde edilen malzemede bir metalin tüm özelliklerini koruyacaktır. gibi elektrik iletkenliği , süneklik , donukluk ve parlaklık . Alaşımlar, binalardan otomobillere, cerrahi aletlere kadar her şeyde kullanılan çelik alaşımlarından, havacılık endüstrisinde kullanılan egzotik titanyum alaşımlarına, kıvılcım çıkarmayan aletler için berilyum-bakır alaşımlarına kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır . Bazı durumlarda, bir metal kombinasyonu, önemli özellikleri korurken malzemenin genel maliyetini azaltabilir. Diğer durumlarda, metallerin kombinasyonu, korozyon direnci veya mekanik mukavemet gibi kurucu metal elementlere sinerjik özellikler kazandırır. Alaşım örnekleri çelik, lehim , pirinç , kalay , duralumin , bronz ve amalgamlardır .

Bir alaşım , metal elementlerin katı bir çözeltisi (tüm metalik tanelerin (kristallerin) aynı bileşimde olduğu tek bir faz) veya metalik fazların bir karışımı (metal içinde farklı kristallerin bir mikro yapısını oluşturan iki veya daha fazla çözelti ) olabilir. . Metaller arası bileşikler, tanımlanmış bir stokiyometri ve kristal yapıya sahip alaşımlardır . Zintl fazlar da bazen bağ türlerine bağlı olarak alaşımlar olarak kabul edilir ( ikili bileşiklerde bağların sınıflandırılması hakkında bilgi için Van Arkel-Ketelaar üçgenine bakın).

Alaşımlar, metalik bir bağ karakteri ile tanımlanır . Alaşım bileşenleri genellikle pratik uygulamalar için kütle yüzdesi ve temel bilim çalışmaları için atomik fraksiyon olarak ölçülür . Alaşımlar , alaşımı oluşturan atomik düzenlemeye bağlı olarak genellikle ikame veya ara alaşımlar olarak sınıflandırılır . Ayrıca homojen (tek fazdan oluşan) veya heterojen (iki veya daha fazla fazdan oluşan) veya intermetalik olarak sınıflandırılabilirler .

Tanıtım

Döküm sırasında kalıplara dökülen sıvı bronz .
Bir pirinç lamba.

Bir alaşım, bir metalin özelliklerini koruyan saf olmayan bir madde (katkı) oluşturan kimyasal elementlerin bir karışımıdır . Bir alaşım, saf olmayan bir metalden farklıdır, şu şekilde bir alaşımla, eklenen elementler arzu edilen özellikleri üretmek için iyi kontrol edilirken, dövme demir gibi saf olmayan metaller daha az kontrol edilir, ancak çoğu zaman faydalı kabul edilir. Alaşımlar, en az biri metal olan iki veya daha fazla elementin karıştırılmasıyla yapılır. Bu genellikle birincil metal veya ana metal olarak adlandırılır ve bu metalin adı alaşımın adı da olabilir. Diğer bileşenler metal olabilir veya olmayabilir, ancak erimiş baz ile karıştırıldıklarında çözünür olacak ve karışım içinde çözüleceklerdir. Alaşımların mekanik özellikleri, genellikle tek tek bileşenlerininkinden oldukça farklı olacaktır. Alüminyum gibi normalde çok yumuşak ( dövülebilir ) olan bir metal, bakır gibi başka bir yumuşak metalle alaşım yapılarak değiştirilebilir . Her iki metal de çok yumuşak ve sünek olmasına rağmen , elde edilen alüminyum alaşımı çok daha fazla mukavemete sahip olacaktır . Metalik olmayan küçük bir miktarının ilave edilmesi , karbon için demir bir alaşım olarak adlandırılan daha büyük bir güç için büyük süneklik ticaretini çelik . Çok yüksek mukavemeti, ancak yine de önemli tokluğu ve ısıl işlemle büyük ölçüde değiştirilebilmesi nedeniyle çelik, modern kullanımda en kullanışlı ve yaygın alaşımlardan biridir. Çeliğe krom eklenerek , korozyona karşı direnci artırılabilir, paslanmaz çelik elde edilirken, silikon eklenmesi elektriksel özelliklerini değiştirecek ve silikon çeliği üretecektir .

Yağ ve su gibi, erimiş bir metal her zaman başka bir elementle karışmayabilir. Örneğin, saf demir bakır ile neredeyse tamamen çözünmez . Bileşenler çözünür olsa bile, her birinin genellikle daha fazla bileşen eklenemeyeceği bir doyma noktası olacaktır. Örneğin demir maksimum %6.67 karbon tutabilir. Bir alaşımın elementleri genellikle sıvı halde çözünür olmaları gerekse de, katı halde her zaman çözünür olmayabilirler . Metaller katı haldeyken çözünür kalırsa, alaşım katı bir çözelti oluşturur ve faz adı verilen özdeş kristallerden oluşan homojen bir yapı haline gelir . Karışım soğudukça bileşenler çözünmez hale gelirse, iki veya daha fazla farklı kristal türü oluşturmak üzere ayrılabilirler ve bazıları bir bileşenden diğerinden daha fazla olan farklı fazlardan oluşan heterojen bir mikro yapı oluştururlar. Bununla birlikte, diğer alaşımlarda, çözünmeyen elementler, kristalleşme meydana gelene kadar ayrılmayabilir. Çok hızlı soğutulursa, önce homojen bir faz olarak kristalleşirler, ancak ikincil bileşenlerle aşırı doygun hale gelirler . Zaman geçtikçe, bu aşırı doymuş alaşımların atomları kristal kafesten ayrılabilir, daha kararlı hale gelir ve kristalleri dahili olarak güçlendirmeye hizmet eden ikinci bir faz oluşturur.

Bir gümüş ve altın alaşımı olan elektrum gibi bazı alaşımlar doğal olarak oluşur. Meteoritler bazen doğal olarak oluşan demir ve nikel alaşımlarından yapılır , ancak Dünya'ya özgü değildir. İnsanlar tarafından yapılan ilk alaşım biri, bronz metal bir karışımı olan, kalay ve bakır . Bronz, eskiler için son derece faydalı bir alaşımdı, çünkü her iki bileşeninden de çok daha güçlü ve daha sertti. Çelik başka bir yaygın alaşımdı. Bununla birlikte, eski zamanlarda, demir üretimi sırasında yalnızca demir cevherinin yangınlarda ısıtılması ( ergitme ) sonucu tesadüfi bir yan ürün olarak oluşturulabilirdi . Diğer eski alaşımlar arasında kalay , pirinç ve pik demir bulunur . Modern çağda çelik birçok biçimde oluşturulabilir. Karbon çeliği , yalnızca karbon içeriği değiştirilerek, yumuşak çelik gibi yumuşak alaşımlar veya yay çeliği gibi sert alaşımlar üretilerek yapılabilir . Alaşımlı çelikler , krom , molibden , vanadyum veya nikel gibi diğer elementler eklenerek yapılabilir ve bu da yüksek hız çeliği veya takım çeliği gibi alaşımlarla sonuçlanır . Az miktarda manganez , alaşım üzerinde zararlı etkileri olabilecek fosfor , kükürt ve oksijen gibi istenmeyen safsızlıkları giderme kabiliyeti nedeniyle çoğu modern çelikle genellikle alaşımlanır . Bununla birlikte, çeşitli alüminyum, titanyum , nikel ve magnezyum alaşımları gibi çoğu alaşım 1900'lere kadar oluşturulmamıştı . Bazı modern süper alaşımlar gibi, inkoloyun , Inconel ve hastelloy , farklı elemanların bir çok oluşabilmektedir.

terminoloji

Inconel'den yapılmış sürgülü vana .

Bir isim olarak alaşım terimi, birincil bileşeninin bir metal olduğu bir atom karışımını tanımlamak için kullanılır. Bir fiil olarak kullanıldığında, terim, bir metalin diğer elementlerle karıştırılması eylemini ifade eder. Birincil metal, baz , matris veya çözücü olarak adlandırılır . İkincil bileşenlere genellikle çözünenler denir . Bakır-nikel alaşımı gibi yalnızca iki tür atomun (safsızlıklar hariç) karışımı varsa, buna ikili alaşım denir . Karışımı oluşturan demir, nikel ve krom gibi üç tür atom varsa buna üçlü alaşım denir . Dört bileşenli bir alaşım dörtlü bir alaşımdır, beş parçalı bir alaşım ise beşli alaşım olarak adlandırılır . Her bir bileşenin yüzdesi değişebildiğinden, herhangi bir karışımla, olası varyasyonların tamamına sistem denir . Bu bağlamda, demir ve karbon gibi sadece iki bileşen içeren bir alaşımın çeşitli biçimlerinin tümüne ikili sistem denirken, demir, karbon ve krom alaşımları gibi üçlü bir alaşımla mümkün olan tüm alaşım kombinasyonları, üçlü sistem denir .

Bir alaşım teknik olarak saf olmayan bir metaldir, ancak alaşımlara atıfta bulunulduğunda, safsızlıklar terimi genellikle istenmeyen elementleri belirtir. Bu tür safsızlıklar, ana metallerden ve alaşım elementlerinden eklenir, ancak işlem sırasında çıkarılır. Örneğin, kükürt çelikte yaygın olarak bulunan bir safsızlıktır. Kükürt , çok kırılgan olan ve çelikte zayıf noktalar oluşturan demir sülfürü oluşturmak üzere demirle kolayca birleşir . Lityum , sodyum ve kalsiyum , alüminyum alaşımlarında yaygın olarak bulunan ve dökümlerin yapısal bütünlüğü üzerinde olumsuz etkileri olabilen safsızlıklardır . Tersine, yalnızca istenmeyen safsızlıklar içeren saf metaller genellikle "saf olmayan metaller" olarak adlandırılır ve genellikle alaşım olarak anılmaz. Havada bulunan oksijen, metal oksitleri oluşturmak için çoğu metalle kolayca birleşir ; özellikle alaşımlama sırasında karşılaşılan daha yüksek sıcaklıklarda. Alaşımlama işlemi sırasında, flukslar , kimyasal katkı maddeleri veya diğer ekstraktif metalurji yöntemleri kullanılarak fazla safsızlıkları gidermek için genellikle büyük özen gösterilir .

Uygulamada, bazı alaşımlar, esas metallerine göre o kadar ağırlıklı olarak kullanılır ki, birincil bileşenin adı aynı zamanda alaşımın adı olarak da kullanılır. Örneğin, 14 ayar altın , diğer elementlerle altın alaşımıdır. Benzer şekilde takılarda kullanılan gümüş ve yapısal yapı malzemesi olarak kullanılan alüminyum da alaşımdır.

"Alaşım" terimi bazen günlük konuşmada belirli bir alaşımın eşanlamlısı olarak kullanılır. Örneğin, bir alüminyum alaşımından yapılmış otomobil tekerlekleri , aslında çelikler ve pratik kullanımdaki diğer metallerin çoğu da alaşım olmasına rağmen , yaygın olarak " alaşımlı tekerlekler " olarak adlandırılır . Çelik o kadar yaygın bir alaşımdır ki, ondan yapılan tekerlekler , variller veya kirişler gibi birçok öğe , çelikten yapıldığı varsayılarak, öğenin adıyla anılır. Diğer malzemelerden yapıldıklarında, tipik olarak bu şekilde belirtilirler (yani: "bronz tekerlek", "plastik fıçı" veya "ahşap kiriş").

teori

Bir metalin alaşımlanması, bir veya daha fazla başka elementle birleştirilmesiyle yapılır. En yaygın ve en eski alaşımlama işlemi, ana metalin erime noktasının ötesinde ısıtılması ve ardından çözünen maddelerin erimiş sıvı içinde çözülmesiyle gerçekleştirilir; bu, çözünen maddenin erime noktası bazınkinden çok daha büyük olsa bile mümkün olabilir. Örneğin, sıvı halde titanyum , çoğu metali ve elementi çözebilen çok güçlü bir çözücüdür. Ayrıca oksijen gibi gazları kolayca emer ve nitrojen varlığında yanar. Bu, temas eden herhangi bir yüzeyden kontaminasyon olasılığını arttırır ve bu nedenle vakumlu indüksiyonla ısıtma ve özel, su soğutmalı, bakır potalarda eritilmelidir . Bununla birlikte, demir ve karbon gibi bazı metaller ve çözünen maddeler çok yüksek erime noktalarına sahiptir ve eski insanların erimesi imkansızdı. Bu nedenle, alaşımlama (özellikle ara alaşımlama), pik demir (sıvı gaz), nitrürleme , karbonitrürleme veya diğer sertleştirme formlarını yapmak için bir yüksek fırında bulunan gibi gaz halindeki bir veya daha fazla bileşenle de gerçekleştirilebilir. (katı gaz) veya kabarcıklı çelik (katı gaz) yapmak için kullanılan sementasyon işlemi . Aynı zamanda, eski model kaynak yöntemlerinde (katı-katı), kesme çeliği (katı-katı) veya pota çeliği üretiminde ( katı-katı) bulunan katı haldeki bileşenlerin bir, daha fazlası veya tümü ile yapılabilir. sıvı), elementlerin katı hal difüzyonu yoluyla karıştırılması .

Bir metale başka bir element ekleyerek, atomların boyutundaki farklılıklar metalik kristallerin kafesinde iç gerilimler yaratır; genellikle özelliklerini artıran vurgular. Örneğin, karbonun demirle birleşimi , birincil elementi olan demirden daha güçlü olan çeliği üretir . Elektrik ve ısı iletkenliği alaşımları saf metallerin genellikle daha düşüktür. Bir alaşımın yoğunluk , reaktivite , Young modülü gibi fiziksel özellikleri, temel elementininkinden çok farklı olmayabilir, ancak çekme mukavemeti , süneklik ve kesme mukavemeti gibi mühendislik özellikleri , oluşturan malzemelerinkinden önemli ölçüde farklı olabilir. Bu bazen alaşımdaki atomların boyutlarının bir sonucudur , çünkü daha büyük atomlar komşu atomlar üzerinde bir sıkıştırma kuvveti uygular ve daha küçük atomlar komşularına bir çekme kuvveti uygulayarak alaşımın deformasyona direnmesine yardımcı olur. Bazen alaşımlar, küçük miktarlarda bir element mevcut olduğunda bile davranışta belirgin farklılıklar gösterebilir. Örneğin, yarı iletken ferromanyetik alaşımlardaki safsızlıklar , ilk olarak White, Hogan, Suhl, Tian Abrie ve Nakamura tarafından tahmin edildiği gibi farklı özelliklere yol açar. Bazı alaşımlar, iki veya daha fazla metalin eritilip karıştırılmasıyla yapılır. Bakır ve kalay alaşımı olan bronz , şimdi Bronz Çağı olarak bilinen tarih öncesi dönemde keşfedilen ilk alaşımdı . Saf bakırdan daha sertti ve başlangıçta alet ve silah yapımında kullanılıyordu, ancak daha sonra yerini daha iyi özelliklere sahip metaller ve alaşımlar aldı. Daha sonraki zamanlarda bronz, süs eşyaları , çanlar , heykeller ve yataklar için kullanılmıştır . Pirinç , bakır ve çinkodan yapılmış bir alaşımdır .

Saf metallerin aksine, çoğu alaşımın tek bir erime noktası yoktur , ancak malzemenin katı ve sıvı fazların bir karışımı olduğu bir erime aralığı vardır (bir sulu kar). Erimenin başladığı sıcaklığa solidus , erimenin tamamlandığı sıcaklığa ise likidüs denir . Birçok alaşım için, ötektik karışım veya peritektik bileşim olarak adlandırılan ve alaşıma benzersiz ve düşük bir erime noktası veren ve sıvı/katı sulu kar geçişi olmayan belirli bir alaşım oranı (bazı durumlarda birden fazla) vardır .

Isıl işlem görebilen alaşımlar

Demirin allotropları , ( alfa demir ve gama demir ) atom dizilimindeki farklılıkları gösterir.
Çeliğin fotomikrografları . Üstteki fotoğraf: Tavlanmış (yavaşça soğutulmuş) çelik, sementit (açık) ve ferrit (koyu) fazlarından oluşan, perlit adı verilen heterojen, katmanlı bir mikro yapı oluşturur . Alt fotoğraf: Söndürülmüş (hızlı soğutulmuş) çelik , martensit adı verilen ve karbonun kristaller içinde sıkışıp kaldığı ve iç gerilimler oluşturduğu tek bir faz oluşturur.

Alaşım elementleri, sertlik , tokluk , süneklik veya istenen diğer özellikleri indüklemek için bir baz metale eklenir . Çoğu metal ve alaşım, kristal yapılarında kusurlar yaratarak işlenerek sertleştirilebilir . Bu kusurlar, plastik deformasyon sırasında çekiçleme, bükme, ekstrüzyon vb . ile oluşturulur ve metal yeniden kristalleştirilmedikçe kalıcıdır . Aksi takdirde, bazı alaşımların özellikleri ısıl işlemle de değişebilir . Neredeyse tüm metaller , alaşımı yeniden kristalleştiren ve kusurları onaran tavlama ile yumuşatılabilir , ancak kontrollü ısıtma ve soğutma ile pek çoğu sertleştirilemez. Alüminyum , bakır , magnezyum , titanyum ve nikelin birçok alaşımı bazı ısıl işlem yöntemleriyle bir dereceye kadar güçlendirilebilir, ancak çok azı buna çelikle aynı derecede yanıt verir .

Çelik olarak bilinen demir-karbon alaşımının ana metal demiri, belirli bir sıcaklıkta (genellikle 1.500 °F (820 °C) ile 1.600 °F arasında) kristal matrisinin atomlarının dizilişinde ( allotropi ) bir değişikliğe uğrar. 870 °C), karbon içeriğine bağlı olarak). Bu, daha küçük karbon atomlarının demir kristalinin boşluklarına girmesine izin verir. Bu difüzyon gerçekleştiğinde, karbon atomlarının demirde çözelti halinde olduğu ve östenit adı verilen belirli bir tek, homojen, kristal faz oluşturduğu söylenir . Çelik yavaşça soğutulursa, karbon demirden difüze olabilir ve yavaş yavaş düşük sıcaklık allotropuna geri döner. Yavaş soğutma sırasında karbon atomuna artık gibi olacaktır çözünebilir demir ve zorunda olacak çökeltilmesi , çözeltiden çekirdekleştirme demir karbür daha konsantre bir halde (Fe olarak 3 saf demir kristalleri arasında boşluklar C). Çelik daha sonra heterojen hale gelir, çünkü sementit (veya karbür ) olarak adlandırılan demir-karbon fazı ve saf demir ferrit olmak üzere iki fazdan oluşur . Böyle bir ısıl işlem, oldukça yumuşak bir çelik üretir. Bununla birlikte, çelik hızlı bir şekilde soğutulursa, karbon atomlarının karbür olarak difüze olmak ve çökelmek için zamanları olmayacak, ancak demir kristalleri içinde tutulacaklar. Hızla soğutulduğunda, karbon atomlarının çözelti içinde tutulduğu difüzyonsuz (martensit) bir dönüşüm meydana gelir. Bu, kristal yapı düşük sıcaklık durumuna geçmeye çalışırken demir kristallerinin deforme olmasına neden olur ve bu kristalleri çok sert ama çok daha az sünek (daha kırılgan) bırakır.

Çeliğin yüksek mukavemeti, difüzyon ve çökelme önlendiğinde (martenzit oluşturarak) sonuçlanırken, ısıl işlem görebilen alaşımların çoğu , mukavemetlerini elde etmek için alaşım elementlerinin difüzyonuna bağlı olan çökelme ile sertleşen alaşımlardır. Bir çözelti oluşturmak için ısıtıldığında ve daha sonra hızla soğutulduğunda, bu alaşımlar difüzyonsuz dönüşüm sırasında normalden çok daha yumuşak hale gelir, ancak yaşlandıkça sertleşir. Bu alaşımlardaki çözünenler zamanla çökerek ana metalden ayırt edilmesi zor olan intermetalik fazlar oluşturur . Katı çözeltinin farklı kristal fazlarına (karbür ve ferrit) ayrıldığı çeliğin aksine, çökelmeyle sertleşen alaşımlar aynı kristal içinde farklı fazlar oluşturur. Bu intermetalik alaşımlar kristal yapıda homojen görünürler, ancak heterojen davranmaya, sertleşmeye ve biraz kırılgan olmaya eğilimlidirler.

İkame ve interstisyel alaşımlar

Saf metal, ikame, ara yer ve ikisinin bir kombinasyonunu gösteren alaşım oluşumunun farklı atomik mekanizmaları.

Erimiş bir metal başka bir madde ile karıştırıldığında, bir alaşımın oluşmasına neden olabilen atom değişimi ve arayer mekanizması adı verilen iki mekanizma vardır . Karışımdaki her bir elemanın göreceli boyutu, hangi mekanizmanın oluşacağını belirlemede birincil rol oynar. Atomlar boyut olarak nispeten benzer olduğunda, genellikle, metalik kristalleri oluşturan atomlardan bazılarının diğer bileşenin atomları ile ikame edildiği atom değiştirme yöntemi gerçekleşir. Buna ikame alaşımı denir . İkame alaşımlarının örnekleri arasında , bakır atomlarından bazılarının sırasıyla kalay veya çinko atomları ile ikame edildiği bronz ve pirinç bulunur.

Arayer mekanizması durumunda, bir atom genellikle diğerinden çok daha küçüktür ve ana metalin kristallerinde diğer tip atomun yerini başarılı bir şekilde alamaz. Bunun yerine, daha küçük atomuna kristal matris atomları arasında sıkışan hale olarak adlandırılan boşlukları . Buna interstisyel alaşım denir . Çelik, arayer alaşımına bir örnektir, çünkü çok küçük karbon atomları demir matrisinin boşluklarına sığar.

Paslanmaz çelik , arayer ve ikame alaşımlarının bir kombinasyonunun bir örneğidir, çünkü karbon atomları boşluklara sığar, ancak demir atomlarından bazıları nikel ve krom atomları ile ikame edilir.

Tarih ve örnekler

meteorik demir

Bir göktaşı ve meteorik demirden dövülmüş bir balta .

Alaşımların insanlar tarafından kullanımı, doğal olarak oluşan bir nikel ve demir alaşımı olan meteorik demirin kullanımıyla başlamıştır . Demir meteoritlerin ana bileşenidir . Demiri nikelden ayırmak için herhangi bir metalurjik işlem kullanılmadığından, alaşım olduğu gibi kullanıldı. Meteorik demir, aletler, silahlar ve çiviler gibi nesneler yapmak için kırmızı bir ısıdan dövülebilir. Birçok kültürde, bıçak ve ok uçlarına soğuk dövülerek şekillendirildi. Genellikle örs olarak kullanıldılar. Meteorik demir çok nadir ve değerliydi ve eski insanların çalışması zordu .

bronz ve pirinç

Bronz balta MÖ 1100
bronz kapı tokmağı

Demir genellikle bulunursa demir cevheri biri depozito hariç, yeryüzünde doğal demirin içinde Grönland tarafından kullanılmıştır, Eskimo insanlar. Bununla birlikte, Neolitik zamanlardan beri alet, mücevher ve diğer nesneleri yapmak için kullanılan gümüş , altın ve platin ile birlikte yerli bakır dünya çapında bulundu . Bakır bu metallerin en sertiydi ve en yaygın olanıydı. Eskiler için en önemli metallerden biri haline geldi. Yaklaşık 10.000 yıl önce dağlık Anadolu (Türkiye), insanlar için öğrenilmiş kokusu bakır gibi metaller kalay gelen cevher . MÖ 2500 civarında, insanlar , bileşenlerinden çok daha sert olan bronz oluşturmak için iki metali alaşımlamaya başladılar . Kalay nadirdi, ancak çoğunlukla Büyük Britanya'da bulunuyordu. Orta Doğu'da insanlar pirinç oluşturmak için bakırı çinko ile alaşımlamaya başladılar . Eski uygarlıklar, karışımı ve onun ürettiği sertlik , tokluk ve erime noktası gibi çeşitli özellikleri , çeşitli sıcaklık ve sertleştirme koşulları altında hesaba katmış ve modern alaşım faz diyagramlarında yer alan bilgilerin çoğunu geliştirmiştir . Örneğin, Çin Qin hanedanlığından (MÖ 200 civarında) ok uçları genellikle sert bir bronz başlı, ancak daha yumuşak bir bronz tang ile inşa edildi ve kullanım sırasında hem matlaşmayı hem de kırılmayı önlemek için alaşımları birleştirdi.

Amalgamlar

Merkür binlerce yıldır zinoberden eritilmiştir . Civa, altın, gümüş ve kalay gibi birçok metali amalgamlar (ortam sıcaklığında yumuşak bir macun veya sıvı formdaki bir alaşım) oluşturmak için çözer . Amalgamlar MÖ 200'den beri Çin'de zırh ve ayna gibi nesneleri değerli metallerle yaldızlamak için kullanılmaktadır . Eski Romalılar, zırhlarını yaldızlamak için genellikle cıva-kalay amalgamları kullandılar. Amalgam bir macun olarak uygulandı ve daha sonra cıva buharlaşıp altın, gümüş veya kalay bırakana kadar ısıtıldı. Cıva genellikle madencilikte, altın ve gümüş gibi değerli metalleri cevherlerinden çıkarmak için kullanıldı.

Değerli metal alaşımları

Doğal bir gümüş ve altın alaşımı olan Electrum , genellikle madeni para yapmak için kullanıldı.

Birçok eski uygarlık, metalleri tamamen estetik amaçlarla alaşımlandırdı. Eski Mısır ve Miken'de , altın genellikle kırmızı-altın üretmek için bakırla veya parlak bir bordo-altın üretmek için demirle alaşımlanırdı. Altın genellikle çeşitli renkli altın türleri üretmek için gümüş veya diğer metallerle alaşım halinde bulunurdu . Bu metaller, daha pratik amaçlar için birbirlerini güçlendirmek için de kullanıldı. Som gümüş yapmak için genellikle gümüşe bakır eklenir , bu da tabaklarda, gümüş eşyalarda ve diğer pratik eşyalarda kullanım gücünü arttırır. Oldukça sık, değerli metaller, alıcıları aldatmak için daha az değerli maddelerle alaşımlandırıldı. MÖ 250 civarında, Arşimet , Syracuse Kralı tarafından bir taçtaki altının saflığını kontrol etmenin bir yolunu bulması için görevlendirildi ve bu , ünlü hamamın "Eureka!" Diye bağırmasına yol açtı. Arşimet ilkesinin keşfi üzerine .

Kalaylı

Terimi, kalay , öncelikle kalay içeren alaşımların çeşitli kapsar. Saf bir metal olarak kalay, çoğu pratik amaç için kullanılamayacak kadar yumuşaktır. Bununla birlikte, Tunç Çağı boyunca kalay, Avrupa ve Akdeniz'in birçok yerinde nadir bulunan bir metaldi, bu nedenle genellikle altından daha değerliydi. Kalaydan mücevher, çatal-bıçak takımı veya diğer nesneler yapmak için, işçiler genellikle mukavemeti ve sertliği artırmak için diğer metallerle alaşım yaptılar. Bu metaller tipik olarak kurşun , antimon , bizmut veya bakırdı. Bu çözünen maddeler bazen farklı miktarlarda tek tek ilave edildi veya bir araya getirilerek tabaklar, cerrahi aletler, şamdanlar veya huniler gibi pratik nesnelerden küpe ve saç tokası gibi dekoratif öğelere kadar çok çeşitli nesneler yapıldı.

En eski kalay örnekleri, MÖ 1450 civarında eski Mısır'dan gelmektedir. Kalay kullanımı, Fransa'dan Norveç'e ve İngiltere'den (eski kalayların çoğunun çıkarıldığı) Yakın Doğu'ya kadar tüm Avrupa'da yaygındı. Alaşım ayrıca Çin'de ve Uzak Doğu'da kullanıldı, MS 800 civarında Japonya'ya geldi ve burada tören kapları, çay kutuları veya şinto mabetlerinde kullanılan kadehler gibi nesnelerin yapımında kullanıldı .

Çelik ve pik demir

Çin'de su birikintisi, yaklaşık 1637. Çoğu alaşımlama işleminin aksine, sıvı pik demir bir yüksek fırından bir kaba dökülür ve karbonu çıkarmak için karıştırılır, bu da havaya dağılır ve karbon dioksit oluşturur ve geride yumuşak bir çelikten dövme demire dönüşür .

Bilinen ilk demir eritme işlemi Anadolu'da MÖ 1800 civarında başladı . Bloomery işlemi olarak adlandırılan çok yumuşak ama sünek ferforje üretti . MÖ 800'e gelindiğinde, demir yapma teknolojisi Avrupa'ya yayılmış ve MS 700 civarında Japonya'ya ulaşmıştı. Pik demir , demir ve çok zor ama kırılgan alaşım karbon , üretilen ediliyordu Çin'de erken MÖ 1200 gibi, ama Ortaçağ'a kadar Avrupa'da gelmedi. Pik demir, demirden daha düşük bir erime noktasına sahiptir ve dökme demir yapımında kullanılmıştır . Bununla birlikte, bu metaller, MÖ 300 civarında pota çeliğinin tanıtımına kadar çok az pratik kullanım buldu . Bu çelikler kalitesizdi ve MS 1. yüzyılda model kaynağının tanıtılması, daha sert bir metal oluşturmak için alaşımların aşırı özelliklerini lamine ederek dengelemeye çalıştı. MS 700 civarında, Japonlar, kılıçlarının gücünü artırmak için, cüruf ve yabancı maddeleri çıkarmak için kil akıları kullanarak, çiçekli çelik ve dökme demiri değişen katmanlarda katlamaya başladılar . Japon kılıç ustalığının bu yöntemi , antik dünyanın en saf çelik alaşımlarından birini üretti.

Demirin kullanımı MÖ 1200 civarında, esas olarak kalay ticaret yollarındaki kesintiler nedeniyle daha yaygın hale gelirken, metal bronzdan çok daha yumuşaktı. Bununla birlikte, çok az miktarda çelik (bir demir alaşımı ve yaklaşık %1 karbon), her zaman çiçeklenme sürecinin bir yan ürünüydü. Çeliğin sertliğini ısıl işlemle değiştirme yeteneği, MÖ 1100'den beri biliniyordu ve nadir bulunan malzeme, alet ve silah üretimi için değerliydi. Eskiler, demiri tamamen eritecek kadar yüksek sıcaklıklar üretemedikleri için , Orta Çağ'da kabarcıklı çeliğin ortaya çıkmasına kadar uygun miktarlarda çelik üretimi gerçekleşmedi . Bu yöntem, karbonu, uzun süreler boyunca dövülmüş demiri odun kömürü içinde ısıtarak tanıttı, ancak bu şekilde karbonun emilmesi son derece yavaştır, bu nedenle penetrasyon çok derin değildi, bu nedenle alaşım homojen değildi. 1740 yılında, Benjamin Huntsman , karbon içeriğini eşitlemek için bir pota içinde blister çeliği eritmeye başladı ve takım çeliğinin seri üretimi için ilk süreci yarattı . Huntsman'ın süreci, 1900'lerin başına kadar alet çeliği imalatında kullanıldı.

Orta Çağ'da Avrupa'ya yüksek fırının girmesi, insanların ferforjeden çok daha yüksek hacimlerde pik demir üretebilecekleri anlamına geliyordu . Pik demir eritilebildiğinden, insanlar çelik oluşturmak için sıvı pik demirdeki karbonu azaltmak için süreçler geliştirmeye başladılar . Puddling , Çin'de birinci yüzyıldan beri kullanılıyordu ve Avrupa'da, karbonu oksidasyon yoluyla uzaklaştırmak için erimiş pik demirin havaya maruz bırakılırken karıştırıldığı 1700'lerde tanıtıldı . 1858'de Henry Bessemer , karbon içeriğini azaltmak için sıvı pik demirden sıcak hava üfleyerek bir çelik üretim süreci geliştirdi. Bessemer işlem çelik ilk büyük üretimi ile çözülmüştür.

Alaşımlı çelikler

Çelik, bir demir ve karbon alaşımıdır, ancak alaşımlı çelik terimi genellikle yalnızca, vanadyum , molibden veya kobalt gibi diğer elementleri , baz çeliğin özelliklerini değiştirmeye yetecek miktarlarda içeren çelikleri ifade eder . Eski zamanlardan beri, çelik öncelikle alet ve silahlar için kullanıldığında, metali üretme ve işleme yöntemleri genellikle yakından korunan sırlardı. Akıl Çağı'ndan çok sonra bile , çelik endüstrisi çok rekabetçiydi ve üreticiler, yöntemlerini ortaya çıkaracağı korkusuyla malzemeyi bilimsel olarak analiz etme girişimlerine direnerek, süreçlerini gizli tutmak için büyük çaba harcadılar. Örneğin, İngiltere'de bir çelik üretim merkezi olan Sheffield halkının, endüstriyel casusluğu caydırmak için ziyaretçilerin ve turistlerin şehre girmesini rutin olarak engellediği biliniyordu . Bu nedenle, 1860'a kadar çelik hakkında neredeyse hiçbir metalurjik bilgi yoktu. Bu anlayış eksikliğinden dolayı, çelik, 1930 ve 1970 arasındaki on yıllara kadar (esas olarak William Chandler Roberts-Austen , Adolf Martens gibi bilim adamlarının çalışmaları nedeniyle) genellikle bir alaşım olarak kabul edilmedi. , ve Edgar Bain ), bu nedenle "alaşımlı çelik" üçlü ve dörtlü çelik alaşımları için popüler bir terim haline geldi.

Benjamin, Huntsman onun geliştirdikten sonra pota çelik 1740 yılında, o benzeri elemanların eklenmesi ile denemektedir manganez (yüksek mangan dökme demir adı şeklinde aynalı fosfor ve oksijen gibi kaldırma safsızlıkları yardımcı); Bessemer tarafından benimsenen ve hala modern çeliklerde kullanılan bir süreç (yine de karbon çeliği olarak kabul edilecek kadar düşük konsantrasyonlarda olsa da). Daha sonra pek çok kişi çeşitli çelik alaşımlarını denemeye başladı ve pek başarılı olamadı. Ancak, 1882 yılında , çelik metalurjisinde öncü olan Robert Hadfield , ilgilendi ve yaklaşık %12 mangan içeren bir çelik alaşımı üretti. Mangalloy olarak adlandırılan , aşırı sertlik ve tokluk sergileyerek ticari olarak geçerli ilk alaşımlı çelik oldu. Daha sonra silikon çeliği yarattı ve diğer olası çelik alaşımlarını aramaya başladı.

Robert Forester Mushet , çeliğe tungsten ekleyerek yüksek sıcaklıklarda sertliğini kaybetmeye karşı koyabilecek çok sert bir kenar üretebileceğini buldu. "R. Mushet'in özel çeliği" (RMS) ilk yüksek hız çeliği oldu . Mushet'in çeliği, 1900'de Taylor ve White tarafından geliştirilen, tungsten içeriğini iki katına çıkardıkları ve az miktarda krom ve vanadyum ekleyerek torna tezgahlarında ve işleme aletlerinde kullanım için üstün bir çelik ürettikleri tungsten karbür çeliği ile hızla değiştirildi . 1903'te Wright kardeşler uçak motorlarının krank milini yapmak için krom-nikel çelik kullanırken, 1908'de Henry Ford , Model T Ford'un krank milleri ve valfler gibi parçalar için vanadyum çeliklerini kullanmaya başladı , çünkü daha yüksek mukavemetleri ve yüksek dirençleri nedeniyle. sıcaklıklar. 1912'de Almanya'daki Krupp Ironworks, %21 krom ve %7 nikel ekleyerek paslanmaya dayanıklı bir çelik geliştirdi ve ilk paslanmaz çeliği üretti .

Alüminyum ve diğer demir dışı alaşımlar

Demir dışı alaşımlar kayda değer miktarda demir içermez. İlk alaşımlar, bronz ve pirinç, kurşun alaşımları, kalay ve diğerleri ile birlikte binlerce yıldır kullanılıyordu - ancak bunların tümü, oldukça reaktif olmayan ve açık alev üzerinde eritilebilen metallerden yapılmıştı. 18. yüzyılda, Antoine Lavoisier , Orta Çağ'ın sonlarından beri hüküm süren feshedilmiş flojiston teorisinin yerini alarak oksijen yanma teorisinin kurulmasına yardımcı oldu . Oksijen teorisi , metallerin oksidasyonu (yani pas) ve kayalık cevherlerin ısıtıldıklarında nasıl metallere dönüştüğü gibi fenomenleri doğru bir şekilde açıklamaya yardımcı oldu . Lavoisier bu toprak, birçok tuzu, ve, örneğin alkali-için tahmin edilen alum , olağan yöntemler ile kokusu oksijene çok reaktif olan antik yeten metalik bazlar beri kullanılan bir tuzu. Çalışmaları sonunda , bu "eksik metallerin" varlığını doğrulamaya yardımcı olan periyodik element tablosuna yol açtı .

Yüksek reaktiviteleri nedeniyle çoğu metal 19. yüzyıla kadar keşfedilmedi. Alüminyumun çıkarılması için bir yöntem olup boksit önerdiği Humphry Davy bir 1807'de elektrik arkının . Girişimleri başarısız olmasına rağmen, 1855'te ilk saf alüminyum satışları pazara ulaştı. Bununla birlikte, çıkarma metalurjisi henüz emekleme döneminde olduğu için, çoğu alüminyum çıkarma işlemi, cevherde bulunan diğer elementlerle kirlenmiş istenmeyen alaşımlar üretti; en bol olanı bakırdı. Bu alüminyum-bakır alaşımları (o zamanlar "alüminyum bronz" olarak adlandırılıyordu) saf alüminyumdan önce geliyordu, yumuşak, saf metale göre daha fazla güç ve sertlik sunuyordu ve hafif bir dereceye kadar ısıl işlem görebiliyordu. Bununla birlikte, yumuşaklıkları ve sınırlı sertleştirilebilirlikleri nedeniyle, bu alaşımlar çok az pratik kullanım buldu ve Wright kardeşler 1903'te ilk uçak motorunu yapmak için bir alüminyum alaşımı kullanana kadar daha çok bir yenilikti. 1865 ve 1910 arasındaki süre boyunca, krom, vanadyum, tungsten, iridyum , kobalt ve molibden gibi birçok başka metalin çıkarılması keşfedildi ve çeşitli alaşımlar geliştirildi.

1910'dan önce, araştırmalar çoğunlukla kendi laboratuvarlarında kurcalayan özel kişilerden oluşuyordu. Bununla birlikte, uçak ve otomotiv endüstrileri büyümeye başladığında, 1910'u takip eden yıllarda , arabalardaki pistonlar ve tekerlekler için yeni magnezyum alaşımları , kollar ve düğmeler için pot metal ve alüminyum alaşımları geliştirildiğinden, alaşımlar üzerine araştırmalar endüstriyel bir çaba haline geldi . uçak gövdeleri ve uçak kaplamaları kullanıma sunuldu.

Yağışla sertleşen alaşımlar

1906'da, çökelme sertleştirme alaşımları Alfred Wilm tarafından keşfedildi . Belirli alüminyum , titanyum ve bakır alaşımları gibi çökelme sertleştirme alaşımları, su verildiğinde yumuşayan (hızlı bir şekilde soğutulan) ve daha sonra zamanla sertleşen ısıl işlem görebilen alaşımlardır . Wilm, makineli tüfek kovanlarında kullanılmak üzere alüminyum alaşımlarını sertleştirmenin bir yolunu arıyordu. Alüminyum-bakır alaşımlarının bir dereceye kadar ısıl işlem görebileceğini bilen Wilm, üçlü bir alüminyum, bakır ve magnezyum ilavesi alaşımını söndürmeyi denedi , ancak başlangıçta sonuçlardan hayal kırıklığına uğradı. Ancak Wilm ertesi gün tekrar test ettiğinde alaşımın oda sıcaklığında yaşlanmaya bırakıldığında sertliğinin arttığını ve beklentilerinin çok ötesine geçtiğini keşfetti. Bu fenomen için 1919 yılına kadar bir açıklama yapılmamış olsa da, duralumin kullanılan ilk "yaşla sertleşen" alaşımlardan biriydi ve ilk Zeplinler için birincil yapı malzemesi haline geldi ve kısa süre sonra diğerleri tarafından takip edildi. Genellikle yüksek mukavemet ve düşük ağırlığın bir kombinasyonunu sergiledikleri için, bu alaşımlar, modern uçakların yapımı da dahil olmak üzere birçok endüstri biçiminde yaygın olarak kullanılmaya başlandı .

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

  • Buchwald, Vagn Fabritius (2005). Antik çağda demir ve çelik . Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab. ISBN'si 978-87-7304-308-0.

Dış bağlantılar