תקציר ההרצאה בנושא מתכות וסגסוגות. סגסוגות ברזל

תקציר ההרצאה בנושא מתכות וסגסוגות. סגסוגות ברזל מתכות וסגסוגות השימוש במתכות טהורות הוא מוגבל יחסית וזה עקב שלוש סיבות שונות: על פי רוב, בנוסף למתכת היעד, עופרות מכילות מספר יסודות נוספים. למרות שבתהליך ייצור מתכת משתדלים להיפטר מאי-ניקיונות, לא ניתן להיפטר מהם מאופן מושלם. מעשית, קיימת רמת טוהר מסוימת של מתכת, כאשר לא מעשי להמשיך לטהר מתכת. זאת אומרת, בכל מתכת טכנולוגית קיימים שיעורים מסוימים של אי-ניקיונות הנובעים מעופרה. המשך טיהור מתכת מייקר את המוצר הסופי. תכונות טכנולוגיות של מתכת טהורה יכולות להיות טובות פחות ממתכת בעלת רמה מסוימת של אי- ניקיונות מסוימים. על כן, יש מקרים כאשר לא כדאי להמשיך לטהר מתכת..1.2.3 תכונות טכנולוגיות של מתכת ניתן לשפר באמצעות סגסוג, כלומר הכנסה למתכת בעודה נוזלית תוספים שונים. היות וכל מתכת טכנולוגית מכילה יסודות נוספים, קשה מאוד להגדיר גבול בין מתכת לסגסוגת והמתכת מוגדרת )ונמכרת( כטהורה בעיקר מסיבות היסטוריות. מבנה סגסוגות בסגסוגת יכולים להיווצר מספר מבנים שונים. 1. תערובת מכנית בתערובת מכנית המרכיבים אינם קשורים זה עם זה ע''י קשר כימי, כל אחד מהם נוצר גבישים עצמאיים )פאזה עצמאית( המעורבים בגוש אחד. בתמונה מטה ניתן לראות מבנה של פלדה פירליטית steel( )Pearlite שבה קיימות שתי פאזות שונות )ברזל וצמנטית( בצורת "סיבים" עדינים מאוד. ברור כי היחס בין הפאזות יכול להשתנות בגבולות די נרחבים בלי לשנות את הסגסוגת באופן מהותי.

2. תרכובת לתרכובת יש נוסחה כימית והרכב קבוע, בין אטומי המרכיבים קיימים קשרים כימיים. סגסוגת יכולה להיות מורכבת מתרכובת כימית אחת, או בסגסוגת יכולות להתקיים מספר תרכובות שונות בו-זמנית. כל תרכובת מרביכה פאזה נפרדת בעלת תכונות ספציפיות. בתמונה משמאל ניתן לראות את דיאגרמת הפאזות של מגנזיום עופרת ובה תרכובת.Mg 2 Pb תרכובת היא מצב יציב ותכונות המערכת משתנות בקפיצה חדה כשנוצרת תרכובת. 3. תמיסה מוצקה תמיסה מוצקה היא "מקרה-ביניים" בין תערובת לתרכובת. כמו עבור תערובת, הרכב של תמיסה מוצקה יכול להשתנות בטווח מסוים. כמו תרכובת, יוצרת תמיסה מוצקה פאזה עצמאית. בין אטומים של האי-ניקיון לאלה של יסוד הבסיס קיים קשר כימי מסוים. קיימות שני סוגים של תמיסות מוצקות:.3.2 תמיסות )מוצקות( החלפה תמיסות )מוצקות( חדירה.3.1 בתמיסות אלה אטום זר מחליף אחד או יותר אטומי מתכת בסיסית בתא היחידה שלה. ברור כי הדבר יהיה אפשרי רק אם אטומים מחליפים אינם שונים מדי מאטומים בסיסיים בגודל ובתכונות כימיות בתמיסות אלה אטומים של אי ניקיון נמצאים בחללים בסריג של יסוד הבסיס. בדיאגרמות פאזות ובתיאור סגסוגות נהוג לסמן תמיסות מוצקות ע''י אותיות יווניות: γ β, α, וכו'. סגסוגות ברזל סגסוגות ברזל תמיד מכילות פחמן C, מנגן,Mn סיליקון,Si זרחן P וגופרית S בגלל נוכחותם של יסודות אלה בעופרות ובקוק )סוג מיוחד של פחם שבו משתמשים בתהליך ייצור ברזל(. לאי-ניקיונות אלה יש השפעה על תכונות הסגסוגת, אך בקירוב אפשר להתעלם מהם ולראות סגסוגות ברזל כמערכות של שני יסודות, ברזל ופחמן. אז אפשר לתאר את התופעות החשובות ביותר בדיאגרמת פאזות "ברזל-פחמן":

במערכת ברזל-פחמן יכולות להתקיים ארבע פאזות עיקריות: 1. פריט ברזל בצורתו האלוטרופית α, בעל מבנה גבישי מתמגנט, מחליד.,BCC יחסית רך, משיך,

2. אוסטניט תמיסת חדירות מוצקה של פחמן בברזל- γ, בעלת מבנה,FCC משיכה, חזקה, יחסית קשה, לא מתמגנטת ומחלידה מעט. מבנה זה אינו יציב בטמפרטורות החדר, אבל המעבר שלו לפריט היותר יציב לוקח זמן ואי ניקיונות מסוימות )לדוגמה, ניקל וכרום( יכולים לייצב את המבנה של אוסטניט. 3. צמנטיט תרכובת של ברזל עם פחמן, מאוד, אך פריך. מתמגנט,Fe 3 C בעל מבנה אורתורומבי, חזק וקשה 4. גרפיט פחמן טהור, בעל מבנה,HCP פריך, קשה.

פאזות אלה נמצאות ביחסים ומבנים שונים בסגסוגות ברזל שונות וקובעים את התכונות שלהן. פלדות פלדות הן סגסוגות ברזל המכילות לא יותר מ- 2% פחמן. פלדת ARMCO פלדת ARMCO מכילה פחמן בשיעור הלא עולה על 2%... )על כן, קוראים לה לפעמים ברזל ולא פלדה(. הברזל נמצא בצורת פריט וכל הפחמן נמצא בפלדה זו בצורת צמנטית. חומר רך מאוד, מחליד בקלות, אבל זול מאוד. היישומים העיקריים של פלדה זו קשורים למכשירים מגנטיים וייצור פח מגולוון. פלדה זו משמשת גם כחומר גלם לייצור סגסוגות שניוניות. פלדות פחמניות רכות בפלדות רכות שיעור הפחמן יכול להגיע עד 2%..-1... מבחינת המבנה והתכונות פלדות רכות אינן שונות מדי מפלדת.ARMCO פלדות אלה מיועדות בעיקר לייצור תיל רך ולשריון בטון. פלדות טרנסמיסיה 0%..-0.. פחמן. יותר חזקות וקשות, אך עדיין די משיכות. במבנה מתחילים להפיפיע קטעים של פירליט,)Pearlite( שבו יותר צמנטיט מין סיבים מקבילים עדינים מאוד )ראה תמונה( הנמצאים בסביבה פריטית. מבנה של פירליט הוא די חזק וככל שיותר פירליט יהיה בסגסוגת, כך תהיה יותר חזקה, אך משיכה. פלדות טרנסמיסיה מיועדות לפחאות של רכבים ומכונות. פלדות טרנסמיסיה ניתן להקשות באמצעות חיסום )אין טעם לחסם פלדות רכות משום שבהם אין מספיק פחמן להיווצרות אוסטניט ומרטנסיט(. פלדת כסף פלדת כסף מכילה %..00-1.. פחמן ומורכבת כמעט מפירליט בלבד. על כן, פלדה זו משלבת חוזק דבוה עם משיכות גבוהה. פלדות בעלות אחוז פחמן גבוה

בפלדות המכילות יותר מ- 1% )ועד 2%( פחמן מתחיל צמנטיט להיות המרכיב הדומיננטי הקובע את התכונות. לפי כך, פלדות אלה חזקות וקשות, אך פריכות, שבירות ולא מתאימות לעיבוד שבבים. לפי תקן ASTM מצוינות פלדות פחמניות בארבע ספרות, כאשר שתי הספרות הראשונות הן ".1" )פלדה פחמנית( ושתי הספרות האחרונות מתאימות לעשיריות אחוז פחמן, לדוגמה, פלדת.1.1 מכילה 1%.. C, פלדת.1.2 מכילה 2%.. C וכו'. ברזלי יציקה irons( )Cast ברזלי יציקה מכילים 2-0.6 אחוזי פחמן. הפחמן יכול להיות נוכל בצורת צמנטיט ובצורת גרפיט. ברזל יציקה הוא חזק, קשה, יחסית שביר )במיוחד בקור(, המסוגל לספוג ולדכא ויברציות, לפזר חום באחידות. בהתאם לכך משמשים בו:

צבעו האפור של ברזל יציקה נובע מנוכחות גרפיט. פלדות מסוגסגות בהרכב פלדות אלה בנוסף לפחמן יש יסודות אחרים המשנים את תכונות הסגסוגת. תוספים מסגסגים יכולים לייצב )ואף לחזק( מבנה אוסטניט, להגן נגד קורוזיה ועוד.