پروژه و مقاله های رشته های مکانیک-ساخت و تولید و ماشین افزار

پروژه , تحقیق و مقاله های رشته مکانیک - ساخت و تولید و ماشین افزار

عملیات حرارتی و جوشکاری

کروم فلز سخت و درخشان با قابلیت پولیش بالا است و بی بو بدون مزه است.این فلز با ترکیب با اکسیژن و تشکیل فیلم اکسید بر روی سطح فولاد،از اکسیداسیون سطوح زیرین جلوگیری می کند.

در بیست وششم جولای 1761،یوهان گوتلب لمان(Johann Gottlob Lehmann) در کوهستان های اورال ماده معدنی نارنجی رنگی را پیدا کرد که وی آن را سرب قرمز سیبریه ای (Sibrain red lead)  نام نهاد.با وجوداینکه این ماده با ترکیب سرب با سلنیم به اشتباه گرفته شد،ولی در واقع اینترکیب کرومات سرب با فرمول PbCrO4 بود که اکنون به نام کروکویت معدنی (Crocoite) شناخته می شود.

در سال 1770، پیتر سیمون پالاس(Peter Simon Pallas) در همان محلی که لمان به کاوش پرداخته بود،ماده معدنی سرب مانند به رنگ قرمز را یافت که خواص عالی در ساخت رنگدانه های رنگ از خود نشان میداد.استفاده از سرب قرمز سیبریان به عنوان رنگدانه گسترش فراوانی یافت.رنگ زردروشن که از کروکویت ساخته می شد،به صورت رنگ مدل نیز شناخته شد.

در سال 1797، لویس نیکلاس ون کولین(Louis Nicolas Vauquelin) نمونه های از سنگ معدنی کروکویت بدست آورد.وی توانست که از طریق مخلوط کردن کروکویت با اسید هیدروکلریک ،اکسید کروم با فرمول CrO3 را تولید کند.در سال 1798،ون کولین کشف کرد که با حرارت دادن این اکسید در کوره زغالی می توان کروم فلزی را تولید نمود.

در طی سال 1800، کروم یکی از عناصر اصلی رنگ ها را تشکیل می داد و در نمک های چرم سازی استفاده می شد ولی کاربرد اصلی آن در تولید آلیاژها بودکه 85 درصد کاربرد آن را به خود اختصاص می داد.

کروم سه ظرفیتی (Cr(III),Cr3+) به مقدار کم در متابولیسم شکر در انسان نیاز است و فقدان آن ممکن است سبب بیماری به نام فقدان کروم شود.برخلاف آن،کروم شش ظرفیتی بسیار سمی است.اخیرا دیده شده است که مکمل های غذایی پیکولینات کروم باعث آسیب های کروموزمی در انسان می شود که از اینرو در ایالات متحده ،رژیم غذایی روزانه برای تامین کروم از مقدار 200-50 میکروگرم برای بزرگسالان تا 35 میکروگرم(برای بزرگسالان مرد) و 25 میکروگرم (برای بزرگسالان زن) کاهش داده شده است.

 

کروم عنصر اصلی در فولادهای زنگ نزن است.علل اصلی در افزودن کروم به ترکیب فولاد را می توان در عوامل زیر دانست:

·        افزایش سختی پذیری فولاد

·        حفظ استحکام و سختی فولاد در دماهای بالا و شرایط کاری

·        افزایش مقاومت خوردگی در محیط های اکسید کننده

وزن اتمی کروم 52 بوده و نقطه ذوب آن 1875 C است. و در هر دو حالت مایع و جامد بهر نسبتی در آهن حل می شود.در بررسی رفتار کروم به عنوان عنصر آلیاژی سه عامل زیر را باید در نظر گرفت:

·        کروم تمایل زیادی به ترکیب با کربن دارد و لذا ذرات کاربیدی همان کاربیدهای کمپلکس آهن-کروم هستد.

·        کروم با اکسیژن ترکیب شده و ترکیب دیرگداز غیرفلزی اکسید کروم تشکیل می دهد که نقش فیلم سطحی محافظ در سطح فولاد را بازی می کند.

·        کروم فریت زای بسیار قوی است.

در حدود 13% کروم در ترکیب فولاد باعث محدود شدن فاز آستنیت در ریزساختار می شود. با افزایش درصد کروم، مقاومت خوردگی فولاد زیاد می شود. وهم چنین در دماهای بالا مقاومت به اکسیداسیون آنها زیاد خواهد شد.

حضور کروم باعث می شود دماغه های نمودار TTT به سمت راست تغییر مکان دهند و سختی پذیری افزایش یابد. با این وجود با افزایش درصد کروم جوشکاری آنها مشکل خواهد شد.به ازای افزایش یک درصدی کروم در ترکیب فولاد استحکام کششی فولاد از 80 تا 100Mpa  افزایش می یابد.

کروم مقاومت خوردگی و استحکام فریت را شدیدا افزوده ولی تاثیر متوسطی بر سخت گردانی فاز آستنیت دارد.در فولادهای پرکربن ، مقاومت به سایش را افزایش میدهد.

افزودن کروم به آهن خالص گستره پایداری فاز گاما را محدود کرده و در درصدهای 13 % پایداری فاز فریت دلتا را تا دمای اتاق افزایش می دهد.افزودن بیش از 30 %  کروم به ترکیب، فاز بین فلزی سیگما FeCr را تشکیل می دهد.لازم است یادآوری شود که حضور عناصر دیگر بر تشکیل فاز سیگما تاثیر دارند بطوریکه با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد می تواند در درصد های پایین کروم نیز تشکیل شود.به عنوان مثال ، فولاد زنگ نزن 18/8 که عناصر کاربید زایی مثل 3 %  مولیبدن و 1 % تیتانیوم دارد، با عملیات حرارتی در دمای 850 C فاز سیگما در ساختار ظاهر می شود.علاوه بر آن، در درصدهای کروم کمتر از  20 % و در حضور عنصر کبالت در مقادیر 7-10 % چنین تردی ناشی از حضور فاز سیگما مشهود است.

 وجود کروم در ترکیب آلیاژهای آهن – کربن بالاخص در درصدهای کربن زیاد تشکیل کاربیدها را می افزاید.در سیستم آلیاژی آهن-کربن-کروم چهار نوع کاربید کمپلکس اصلی وجود دارند: سمنتیت رومبیک (FeCr)3C  در درصدهای کروم تا 15 % ،کاربید کروم تریگونال (CrFe)7C3 در درصدهای آهن 55 % ،کاربید کروم کوبیک(CrFe)4C  که در آن کروم تا 24 %  جایگزین آهن می شود و کاربید کروم اورتورومبیک (CrFe)2C3 که درصد کمی از آهن را داراست ولی فقط در فولادهایی یافت می شود که تقریبا 9 %  کربن داشته باشند.کروم اضافی از مقدار لازم برای تشکیل کاربید وارد محلول جامد می شود.

برخلاف کبالت، درصدی از کروم که در محلول جامد وجود دارد، تاثیر کمی بر قابلیت سخت گردانی در مقایسه با سایر عناصر آلیاژی دارد.کرومی که در محلول جامد است ، زمان استحاله ایزوترمال آستنیت در فولاد های با 0.3 % کربن و  بیشتر از 2 %  کروم را زیادتر می کند.و در سرعتهای سردکردن عادی پرلیتی در ساختار تشکیل نمی شود.ولی اگربتوان  شرایط را طوری فراهم آورد که با نرخ سرد کردن عادی از استحاله مارتنزیتی جلوگیری شود ، در ریزساختار بینیت ریز تشکیل خواهد شد.

افزودن کروم به فولاد درصد کربن پرلیت یوتکتوئید را کاسته و دمای استحاله آستنیت را می افزاید. در فولاد 12 % کروم و0.35 %  کربن، استحاله یوتکتوئید در 0.35 %  کربن و دمای یوتکتوئید  800 C   رخ می دهد.

فولادی با 0.25 تا 0.45 درصد کربن و1.5 درصد کروم استحکام کششی و داکتیلیتی خوبی داشته ولی باید در برابر رشد دانه و تردی احتیاط های لازم را بعمل آورد.بعد از کوئنچ، این فولاد در برابر برگشت مقاومت خوبی از خود نشان می دهد فولاد با 1 درصد کروم مقاومت خوبی در برابر خوردگی اتمسفری عادی از خود نشان می دهد. وجود 0.5 درصد مولیبدن  استحکامهای کششی را تضمین می کند.

قطعات فورج تحت کشش بالا و بزرگ از فولادهای کروم دار 3 تا 3.5 درصد کروم  همراه با 0.5 درصد مولیبدن تولید می شوند که استحکام بالای آنها ناشی از ریزساختار بینیتی است که در حین سرد کردن آرام تشکیل شده است.

افزایش درصد کروم تا 5-6 % همراه با درصد کمی از مولیبدن یا نیوبیوم مقاومت خوردگی نسبتا خوب همراه با مقاومت خوب به خزش در دماهای نسبتا بالا را در پی دارد. این چنین فولادهایی در صنایع پالایش نفت کاربرد پیدا کردند. سایر فولاد های کم کربن که در این حوزه کاری استفاده می شوند دارای درصد کم کروم0.5-2.5 %  همراه با درصد کمی از مولیبدن هستند.البته مقاومت خوبی در برابر خزش در دماهای متوسط دارند و درصورتیکه درصد کربنشان از 0.3 فراتر نرود، قابلیت جوشکاری خوبی نیز خواهند داشت.

عنصر اصلی در فولادهای آلیاژی کم کروم نیکل است. این نوع فولادها دارای 1% کروم و 1.5-4.5 %  نیکل هستند.فولادهای با نیکل پایین و کربن 0.3 % در روغن سرد می شوند ولی کوئتچ فولادهای با 1.2 % Cr  و 4 % Ni در هوا حتی در مقاطع بزرگ سختی بالایی را در پی دارد.در شرایط کوئنچ و تمپر،فولادهای نیکل-کروم استحکام خوبی داشته وبرای تولید مقاطع بزرگ مناسب هستند.برای کاهش حساسیت به تردی تمپر به ترکیب این فولادها مولیبدن اضافه می شود.

فولادهای نیکل – کروم و نیکل – کروم-مولیبدن برای کاربردهایی استفاده می شوند که نیاز به سختی سطحی باشد.بخاطر تمایل زیاد کروم با تشکیل کاربید ،سختی لایه سطحی را افزایش می دهد.فولادهای کربنی ساده برای کاربردهای سختی سطحی شونده Case Hardening مناسب نیستند چرا که با وجود سخت بودن سطح،ترد بوده و تمایل به جدا شدن Spall دارد.

بیشترین سختی در سطح را می توان در فولادهای نیتریده شونده حاوی کروم بدست آورد.کروم تمایل قوی به ترکیب با نیتروژن دارد.ازمشهورترین فولادهای این نوع،می توان به فولادهای نیتروآلوی با 1.5 % Cr و 1% Al اشاره کرد.فولاد با کاربرد زیاد در این سری ،فولاد حاوی 3% Cr و 0.5 % Mo می باشد.

کروم مقاومت به سایش فولادهای کربنی ساده را افزایش می دهد. موادی که دارای کروم هستند در صورتیکه صحیح آبکاری شوند(1%C,1.5 % Cr)دارای سختی سطحی بالا، اندازه دانه ریز و مقاومت سایشی بالایی خواهند داشت. این مواد را می توان قبل از آبکاری برای سهولت در ماشینکاری نرم کرد.فولادهای مشابه که در آب کوئنج می شوند، دارای سختی سطحی بسیار بالا و مرکز نرم خواهند بود.

مقادیر مشخصی از کروم در فولادهای قالب گرم موجود است و در فولادهای خاصی که برای این منظور استفــاده می شود، دارای 2 % C و 12 % Cr هستند. در این فولادها، کاربیدهای آزاد دیده می شوند که مقاومت سایشی را بالا می برند.این فولادها در حین حرارت دهی در محدوده 500-600 C سختی ثانویه از خود نشان می دهند.کیفیت بالای این نوع فولاد مربوط به حفظ شکل و پروفیل قالب است که مربوط به مقاومت عالی کاربید های کروم در برابر دکربوریزاسیون می شود.

فولاد های تندبر که حاوی تنگستن و مولیبدن با 1% V یا انواع پرکربن و پروانادیم هســـتند دارای درصـــــــــــدی از کروم (3.5-5.5 %)بوده تا کاربیدها در ریزساختار پایدار باشند.

کروم عنصری است که مصرف بیشتری در تولید فولادهای زنگ نزن دارد.در کل فولادهای زنگ نزن به سه دسته مارتنزیتی،آستنیتی و فریتی گروه بندی می شوند.اولین گروهیکه از این فولادها تولید شده ند ، فولادهای مارتنزیتی با 13 % کروم و 0.3 % کربن بودند.کروم عامل اصلی در افزایش مقاومت خوردگی این فولادها بوده و کربن یوتکتوئید را می کاهد. در شرایط آبکاری و برگشت،فولادهای با 13 % Cr دارای سختی 530 HB  خواهند بود.جوشکاری این فولادها باعث تردی آنها شده و نیاز به عملیات حرارتی بعدی خواهند داشت.قابلیت فورج پذیری در محدوده دمایی 1100-900 C خوب بوده بعد از آنیل در دمـای 750 C قابلیت ماشینکاری خواهد داشت.هرچند که خواص پرسکاری سرد آنها ضعیف است.

در فولاد مشابه با 13 % Cr و تنها با کربن 0.1 % ،سختی پذیری کمتر بوده و در شرایط آبکاری در روغن و بعد از تمپر کامل، سختی 150 HB خواهد داشت.این نوع فولادهای زنگ نزن در تیغه های توربین استفاده می شوند.با عملیات حرارتی این نوع فولادها برای جلوگیری از تردی ، می توان جوشکاری را انجام داد.فورج پذیری آنها بصورت گرم بوده ولی خواص پرسکاری سردآنها کم است.

با افزایش درصد کروم ،مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی بیشتر می شود اما در درصدهای 17 % Cr و کربن 0.07 درصد ،بدلیل اینکه کروم فریت زاست، سختی پذیری کمتری خواهند داشت.این نوع فولادها در گروه فولادهای فریتی قرار می گیرند.علیرغم اینکه جوشکاری وخواص پرسکاری سرد آنها خوب است، اما جوشکاری آنها را ترد می کند.افزودن 2.5 درصد نیکل بهمراه افزایش درصد کربن تا 0.15 درصد ، باعث افزایش سختی پذیری فولاد بدلیل پایداری بیشتر آستنیت می شود. این نوع فولادها کاربرد وسیعی بعنوان شیر در صنایع شیمیایی دارند.

فولاد با درصد کربن 0.1 %  ویا کمتر و کروم بالای 20 %  فریتی بوده ولذا قابلیت سختی پذیری ندارند.درصد کروم بالا باعث مقاوم شدن فولاد در برابر اسیدهای اکسید کننده و اسید نیتریک می شود وخاصیت مهم دیگر که در حضور کروم بالا می توان بدان دست یافت ، مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و کنده شدن سطحی در دماهای بالا می باشد.

برای کار در دماهای بالا، فولادهای با 20-27% کروم مناسب هستند. فولاد با 27 % Cr را می توان در 1000 C نیز استفاده کرد. اگر چه در این دما خواص مکانیکی این فولادها پایین است. این نوع فولاد در اتمسفرهای گوگرد دار نیز قابل استفاده هستند.

افزودن نیکل به ترکیب فولادهای کروم بالا باعث افزایش مقاومت خوردگی ، مقاومت اکسیداسیون وپوسته برداری در دماهای بالا می شود.فولاد کم کربن با 18% Cr-8% Ni در حین سرد کردن تا دمای زیر دمای اتاق کاملا آستنیتی بوده و لذا با کوئنچ نمی توان سخت کاری روی آنها انجام داد. تنها راه افزایش استحکام این نوع فولادها انجام کار سرد است.نرمترین حالت این فولادها وقتی است که در دمای 1050-1100 C عملیات حرارتی شوند.مقاومت خوردگی در اسیدهای غیراکسیدی مثل اسید سولفریک ،اسید هیدروکلریک زیاد بوده و با افزودن 3% Mo  بالاخص همراه درصدی از مس مشابه ، مقاومت خوردگی را نیز افزایش می دهد.

اعتقاد بر اینست که علت اصلی محافظ بودن فولادهای زنگ نزن، وجود فیلم اکسیدی بسیار نازک در سطح فولاد است که این فیلم در اولین تماس فولاد با محیط تشکیل می شود.این فیلم بقدری نازک است که اصلا دیده نمی شود.و در آب و بسیاری از محیط ها قابل حل نمی باشد.

با حرارت دادن فولاد 18/8 در محدوده دمایی 650-850 C مقاومت به شیمیایی در مرز دانه شدیدا کاهش می یابد.این چنین حالتی در مناطق HAZ  بسیار خطرناک است و ناشی از خالی شدن مناطق مجاور مرزدانه از کروم است.که در این دما کاربید کروم رسوب می کند.وقتی کربن 0.04-0.05 % باشد این افت مقاومت خوردگی زیاد خواهد بود.برای حذف و یا کمتر کردن این حالت ، بهتر است درصد کربن حداکثر 0.03 % باشد بطوریکه کاربید کمتری تشکیل شود یا عنصری اضافه کنیم که تمایل به ترکیب آن با کربن نسبت به کروم بسیار بیشتر باشد تا کاربید کروم تشکیل نشود و کروم در محلول جامد باقی بماند.

فولاد آستنیتی کروم-نیکل در دماهای بالا استحکام خوبی داردولی با این وجود برای بهتر کردن کارآیی  آن  عناصر دیگر اضافه شود.به عنوان مثال ،فولاد 18 % Cr  و 12 % Ni  همراه با نیوبیوم دردماهای بین 600-650 C مقاومت خزشی خوبی دارد.برای کاربردهای کمی بالاتر از این دما ، افزودن عناصری چون کبالت، تنگستن و مولیبدن لازم است. ولی اگر محـــــــــدوده دمایی 750-800 C  باشد،مواد پایه کبالتی و یا نیکلی گزینه بهتری خواهند بود.

درصدهای بالای کروم و نیکل باعث افزایش مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا می شود.در برخی کاربردها که نیاز به این است که مقاومت پوسته برداری خوبی نیز داشته باشیم،درصد سیلیس بالا بهمراه مولیبدن انتخاب می شود.یک ترکیب نمونه از این نوع فولاد 19% Cr,8% Ni, 3% W, 2 % Si   می باشد.اگر هدف این باشد که مقاومت حرارتی استثنایی داشته باشیم، آلیاژهای پایه نیکلی مثل Nichrome  با ترکیب 65 % Ni,15 % Cr ,20 % Fe  و یا آلیاژ نیکل – کروم 80/20  استفاده می شود.

در سالهای اخیر نوعی از فولادها آستنیتی معرفی شده اند که توسط فرآیند رسوب سختی کنترل می شوند.این فولادها هنگام سرد کردن از دمای بالای آستنیتی بوده و با عملیات در دمای زیر صفر و یا تمپر در دمای 750 C  آستنیت به مارتنزیت دگرگون می یابد.پیرسازی بعدی در دمای 450-600 C افزایش زیاد در خواص مکانیکی همراه با مقاومت خوردگی خوب در پی دارد.مثالی از این نوع فولادها 16 % Cr, 5% Ni , 2% Cu, 2 % Mo می باشد. مس و مولیبدن در بهبود مقاومت خوردگی سهیم هستند . مس مکانسیم رسوب سختی را بهبود می بخشد.

کروم کاربید ساز قوی بوده و در ترکیب چدنها تشکیل کاربیدهایی می دهد که خیلی پایدارتر از کاربید آهن هستند. اگر درصد کمی از کروم در فولاد باشد، تشکیل سمنتیت پرویوتکتوئید و پرلیت در هنگام سرد کردن آرام و عملیات حرارتی کند می شود.حداکثر کروم در چدنهای چکش خوار 0.03 %  می باشد.

در هر دو نوع چدنهای معمولی و آلیاژی ، درصدهای 0.5-1.0 %  کروم برای بهبود خواص مکانیکی بکار می رود.این درصد کروم با حذف فریت آزاد در ریزساختار باعث پایداری پرلیت می شود. در نتیجه استحکام و سختی افزایش می یابد.چدنهای با کروم بالا پایداری عالی دردماهای بالا دارند و برای کاربردهای دمای بالا معمولا دو گروه از چدنــــها بیشتر استفاده می شوند: چدنهای 17 % Cr   و چدنهای 30 % Cr  و بالاتر. هر دونوع از چدنها مقاومت حرارتی خوبی دارند اما دومی دارای مقاومت خوردگی بالاتری است.

کروم در بسیاری از چدنهای آلیاژی وجود دارد.وجود کروم در چدن نایهارد باعث تبدیل این چدن به چدن سفید می شود.در چدنهای Niresist  و Nicrosil  تقریبا 1.5 درصد کروم می باشند تا خاصیت مقاومت خوردگی و پوسته برداری ارتقاء یابد و زمینه آستنیتی تشکیل شود. با این وجود بدلیل اینکه وجود مقادیر زیاد کاربید چندان مطلوب نمی باشد، مقدار کروم در این چدنها محدود می شود.

تاثیر مس در فولادها

مس فلزی با رنگ مایل به قرمز است که رسانایی حرارتی و الکتریکی بالایی دارد.آلیاژهای مختلف مس به نامهای متفاوتی شناخته می شوند.برنز ها آلیاژهای مس و قلع می باشند.برنج ها آلیاژهای مس و روی هستند.فلز مونل که به نام کوپرونیکل نیز معروف هستند،آلیاژی از مس و نیکل است.با وجود اینکه معمولا آلیاژ برنز به آلیاژ مس و قلع اطلاق می شوند،ولی تبدیل به یک واژه کلی شده است مثل برنز آلومینوم،برنز منگنز .

مصری ها به این نکته پی برده بودند که افزودن مقدار کمی قلع سبب می شود ریخته گری فلز راحت تر شود.استفاده از مس در چین باستان به2000 م ق بر میگردد.در آن دوران برنزهای با کیفیت عالی می ساختند.توجه کنید که این تاریخ ها بیشتر تحت تاثیر جنگ ها پیروزیها بودند.در اروپا،تبرهای با نوک مسی پیدا شده اند که به تاریخ 3200 م ق بر میگردند که خلوص 99.7 درصد داشتند.برنجها،آلیاژ مس و روی،ابتدا در یونان شناخته شدند ولی نخست توسط رومی ها به طور وسیعی استفاده شدند.

صنایع دستی در سومر به 3000 م ق بر میگردند و صنایع دستی پیدا شده در مصر به همان تاریخ مربوط می شوند.در یکی از هرم ها ،سیستم لوله کشی مسی کشف شده است که قدمتش مربوط به 5000 م ق است.

در یونانی،واژه chalkos به معنای فلز است.در یونان و روم،مس منبع بسیار مهمی برای آنها بود.در روم،واژه aeo Cyprium همان معنی را می داد.به تدریج این واژه ساده تر شد و به صورت copper وارد زبان انگلیسی شد. در اسطوره شناسی،مس همراه الهه و رب النوع عشق و ونوس بود. در علم کیمیاگری،علامت فلز مس مشابه سیاره ونوس بود.

مس را می توان جزو اندک فلزاتی دانست که در طبیعت به صورت غیرترکیبی وجوددارد.این فلز یکی از ارکان اصلی تمدن بوده و تاریخچه آن به 10000 سال قبل می رسد.در شمال عراق یک طناب مسی پیدا شده است که قدمتش به 8700 م ق می رسد.در سال 5000 م ق ،نشانه های مبنی بر ذوب و تصفیه مس از ترکیبات ساده مس دار مثل مالاکیت یا آزوریت یافت شده است.در میان مکان های باستانی در آناتولیا،چاتال هویوک (Çatal HöyüK) در تقریبا 6000 م ق ابزاری از صنایع دستی مسی پیدا شده است که البته در آنها مسی ذوب نشده بود اما در Can Hasan تقریبا در 5000 م ق ابزاری پیدا شده اند که از مس ذوب شده تولید شده بودند.

ذوب مس در نقاط مختلف جهان بطور مستقل گسترش یافته اند.علاوه بر گسترش صنایع مسی در آناتولیا در 5000 م ق ،این صنایع در چین قبل از 2800 م ق ،در آمریکای مرکزی در 600 میلادی و در آفریقای غربی در 900 میلادی نیز گسترش یافته بود.

مس در همه گیاهان و حیوانات وجود دارد.مس در جریان خون بر روی پروتئین پلاسمایی به نام سرول پلاسمین(Ceruloplasmin) حرکت می کند. وقتی مس برای اولین بار در روه جذب می شود،به کبد انتقال داده می شود.در بسیاری از آنزیم ها مس وجود دارد که شامل مراکز مسی سیتوکروم سی اکسیداز و آنزیم دیسموتاز سوپراکسید می باشد.علاوه بر نقش آنزیمی؛مس برای انتقال بیولوژیکی الکترون نیز استفاده می شود.پروتئین های مس آبی که از انتقال الکترون رسوب می نماید،شامل آزورین(Azurin) و پلاستوسیانین(Plastocyanin) است.

میزان 30 گرم سولفات مس برای سلامتی انسان بالقوه کشنده است.میزان مجاز مس در آب نوشیدنی برای انسان با توجه به نوع منبع تامین آب متغیر است و از 1.5 تا 2 میلی گرم در هر لیتر تغییر می کند.از سوی دیگر،مقدار مس بالای آب برای جاندارن آبی نیز خطرناک است.اثرات مشاهده شده غلظت بالای مس در ماهی ها و سایر جانداران عبارت از آسیب دیدن سیست تنفسی،جگر،کلیه و سیستم عصبی می باشند.

 

مس با وزن اتمی 64 و نقطه ذوب 1083 C بشکل fcc  متبلور می شود. مس وآهن در حالت مذاب بهر نسبتی در هم حل می شوند  ولی در حالت جامدحلالیت آن تا 0.1 % نیز کاهش می یابد.در سرد کردن آهسته ،مس بصورت فاز آهن-مس در می آید.ولی در سرد کردن سریع،مقدار مس بیشتری در محلول جامد باقی می ماند.مس معمولا آستنتیت زای ضعیف است.

تاریخچه مس در طول ادوار گذشته مراحل مختلفی را طی کرده است.قبل از 1900 بخاطر ترک ها و پارگی های سطحی در قطعات فورج و نورد به خاطر وجود مس ،یک عنصر مزاحم بشمار می رفت.بهمین دلیل تمام تلاش فولادسازان براین بود که درصد مس را تا حد امکان کاهش دهند.ولی بدلیل روش فولادسازی ، عملا درصد مس در فولادها تا 0.4 % نیز می رسید.

مکانیسم متالورژیکی تاثیر مس بر عیوب کارگرم را می توان به اکسیداسیون انتخابی آهن ربط داد.در این حالت، مس در نزدیکی سطح پوسته جمع می شود. با بیشتر شدن دمای کار گرم از دمای ذوب مس ،مس مذاب در بین دانه های فولاد نفوذ کرده و کرنش پلاستیک مرزدانه ها را از هم می گسلد. افزودن نیکل با توجه به میزان مس،دمای محلول نیکل-مس را بالا برده و از ذوب مس جلوگیری می کند. درصد نیکل افزوده شده در حدود نیم برابر مس باقیمانده است.

مس مقاومت خوردگی در محیط های اسیدی را افزایش می دهد. از توانایی مس در سیستمهای آلیاژی رسوب سختی شونده بیشتر استفاده می کنندبرای این منظور حداقل مس 1.25 % می باشد و درصد مشابهی از نیکل را نیز در بردارد.قابلیت جوشکاری تحت تاثیر مس نمی باشد.در فولادهای پرآلیاژی ضد اسید، درصد مس بالای 1 % باعث بهبودی مقاومت در برابراسید کلریدریک و اسید سولفریک می شود.در جوشکاری فولادهای کم آلیاژی رسوب سختی شونده حاوی مس نیازی به پیش گرم نبوده و از دماهای بین پاسی بالا باید جلوگیری کرد.

مس در فولاد فقط در محلول جامد قرار می گیرد و تمایلی به تشکیل هیچگونه ترکیب بین فلزی با آهن ندارد.اکثر فولادهایی که بیشتر از 0.35 % مس دارند، قابلیت رسوب سختی دارند. از این ویژگی در فولادهای زنگ نزن با استحکام کششی بالا استفاده می شود.

افزودن 2 %  مس به فولادهای کم کربن باعث افزایش استحکام تسلیم این فولادها بدون افت قابل ملاحظه در داکتیلیتی در حالت نرمال و رسوب سختی می شود.سرد کردن در هوا از دمای انحلال سبب باقی ماندن مس در محلول جامد شده وبا حرارت دادن دوباره در دمای  450 C ، رسوبات غنی از مس و بالا رفتن سختی تشکیل می شود.رسوب سختی فولادهای کم کربن با 1-1.5 %  مس باعث افزایش استحکام کششی به اندازه 9  تن بر اینچ مربع و افزایش استحکام تسلیم به مقدار 11  تن بر اینچ مربع می شود. التبه این افزایش استحکام، کاهش داکتیلیتی را در پی دارد. در چنین فولادهایی که قابلیت رسوب سختی دارند ، با زیاد شدن درصد کربن ، این توانایی کاهش می یابد.

مس و سمنتیت با همدیگر آلیاژی تشکیل نمی دهند و مس موجود در آهن هیچگونه تاثیری بر روی نرخ انحلال کاربیدها در آستنیت در حین آستنیته کردن ندارد هرچند که تا حد کمی نرخ جوانه زنی و رشد پرلیت را می کاهد.

در فولادهایی که دارای درصد متوسطی از مس هستند، درصدهای مس اضافی که در محلول جامد قرار نمی گیرند، بصورت ذرات بسیار ریز غنی از مس در ساختار در می آیند. ولی اگر این درصد از 8 %  فراتر رود ذرات درشت غنی از مس در مرزدانه ها تشکیل می شود.

خوردگی اتمسفری  فولاد با افزودن مقادیر کمی از مس در حدود 0.15-0.25 %  کاهش می یابد.مس مقاومت خوردگی فولاد در برابر اسید سولفریک را زیاد کرده وافزودن 0.75-3.0 %  به فولاد زنگ نزن 18/8  نرخ خوردگی در محیط اسید سولفریک جوشان را شدیدا کاهش می دهد.بهبود مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا تنها با افزودن 0.25-0.5 % مس حاصل می شود.علت را می توان در تشکیل فیلم سطحی محکم بر روی فولاد جستجو کرد که در برابر اکسیداسیون مقاومت خوبی دارد.

مس در فولادهای ساختمانی کم آلیاژی با استحکام بالا که داکتیلیتی و شکل پذیری مشابهی داشته ولی از استحکام تسلیم بالاتری از فولادهای ساختمانی معمولی برخوردارند، استفاده می شود.مس موجود در این فولادها مقاومت خوردگی را افزایش داده و در موارد مشخصی تا 0.75 %  به منظور افزایش استحکام تسلیم و استحکام کششی بدون تاثیر منفی بر قابلیت جوشکاری بکار می رود.

در چدنها،بمنظور پایدارسازی پرلیت در مقاطع نازک و ضخیم به ترکیب اضافه می شود و یکنواختی ساختار را ارتقاء می دهد.چنین اثری می تواند بر افزایش سختی تاثیر مثبتی داشته باشد.

اعتقاد بر این است که قابلیت انحلال مس در چدنها 3.5 % است. مس اضافی بصورت کره های ریز از محلول جدا میشود. البته درصد مس در چدنهای کروی بسیار پایین بوده و معمولا در این نوع چدنها یک عنصر نامطلوب محسوب می شود.

در چدن های Ni-Resist  کروی ، با ترکیب استاندارد 14 % Ni,7 %Cu ، مس بجای نیکل می نشیند. هرچند که چنین درصدی بالایی از مس در این نوع چدنها وجود ندارد بلکه معمولا 21 %   نیکل داشته و مس ندارند.

تاثیر سیلیس در فولادها

سیلیس در طبیعت به شکل آزاد نیست بلکه بیشتر به صورت دی اکسید سیلیس خالص و سیلیکات ها می باشد.کانی های حاوی سیلیس را می توان در خاک رس،ماسه و انواع مختلف گرانیت ها و سنگ ها پیدا کرد.سیلیس قسمت اصلی نیمه هادی ها بوده و نیز در شکل سیلیکات و سیلیکا در شیشه ها ،سیمان و سرامیک کاربرد فراوانی دارد.

سیلیس در حالت بلوری به رنگ خاکستری تار بوده و جلای فلزی دارد.با اینکه سیلیس یک عنصر نسبتا خنثی است،ولی با هالوژن ها و مواد قلیایی واکنش می دهد و بیشتر اسید ها بجز ترکیبی از اسید نیتریک و اسید هیدروفلوریک بر آن تاثیری ندارند.سیلیس عنصری بیشتر از 95 درصد از طول موج های امواح ماورای بنفش را انتقال میدهد.

سیلیس از واژه لاتین silex به معنای سنگ چخماق گرفته شده است و اولین بار توسط آنتوین لاوازیه در سال 1787 شناسایی شد و سپس به اشتباه توسط همفری دوی( Humphry Davy) در سال 1800 به عنوان یک ترکیب طبقه بندی شد.در سال 1811،گی لوساک (Gay-Lussac) و تنارد(Thenard) توانستند که سیلیس آمورف و ناخالص را از حرارت دادن پتاسیم در کنار تترافلوراید سیلیس بدست آورند.در سال 1824 میلادی،برزیلیوس سیلیس آمورف را تقریبا با روش مشابه با روش لوساک بدست آورد و سپس با شستن مکرر آن توانست به سیلیس با خلوص بالا دست یابد.

با توجه به اینکه سیلیس با کربن شباهت دارد ،برخی این احتمال را می دهند که حیاتی براساس سیلیس وجوددارد .اما این بیشتر به یک داستان تخیلی و علمی شباهت دارد.   افترای اصلی که درمورد حیات پایه سلیس داده می شود،این است که سیلیس برخلاف کربن تمایل ندارد که پیوندهای دوتایی و سه تایی تشکیل دهد.

با وجوداینکه هنوز حیاتی بر پایه سیلیس پیدا نشده است،ولی کانی های سیلیس وجود دارد که کاربردهای خاصی دارند.بعضی از باکتریها و اشکال دیگر حیات مثل رادیولاریا پروتوزا(Radiolaria ptotoza) اسکلت دی اکسید سیلیسی دارند.این نوع از حیات با نام سیلیکای بیوژنیک معروف است.باکتریهای سیلیکاتی از سیلیس در متابولیسم استفاده می کنند.

زندگی که ما بر روی زمین می شناسیم،بر اساس بیوشیمی سیلیسی گسترش نیافته است.دلیل اصلی این ادعا این است که حیات در روی زمین بستگی به چرخه کربنی دارد؛موجودات اوتوتروفیک(موجوداتی که غذایشان را خود تولیدمی کنند مثل گیاهان) (autotrophic) از دی اکسید کربن برای سنتز ترکیبات آلی با کربن استفاده می کنند و موجودات هتروتروفیک (موجوادتی که غذایشان را از موجودات دیگر تامین می کنند مثل حیوانات)(Heterotrophic) از این ترکیبات انرژی و دی اکسید کربن تولیدمی کنند.حال اگر سیلیس بتواند جایگزین کربن شود،در این صورت است که به چرخه سیلیس نیاز خواهد بود.البته دی اکسید سیلیس در سیستم های آبی رسوب می کند و نمی تواند در دستگاه های حیاتی انتقال یابد.

 

سیلیس را می توان در ترکیب همه فولادها دید.علت اینست که کانه های آهن حاوی درصدهایی از سیلیس است و نیز در حین فولادسازی ،از جداره های نسوز کوره وارد ذوب آهن می شود.سیلیس اکسیژن زدای قوی است و آخالهای اکسیدی را نیز حذف می کند.

وزن اتمی سیلیس 28 و نقطه ذوبش 1427 C است.ساختار کریستالی آن مکعبی الماسی است. سیلیس فلز نیست بلکه یک شبه فلز metalloid است . سیلیس در آهن مذاب بهر نسبتی حل می شود. ولی در آهن جامد حداکثر تا 15 % حل می شود.سیلیس دمای استحاله دلتا به آستنیت را کاسته و از طرفی دمای استحاله فریت به آستنیت را افزایش می دهد و منطقه پایداری آستنیت را می کاهد. در واقع فریت زای قوی است.

سیلیس به عنوان عنصر آلیاژی در مقادیر بیش از 0.3 % اثرات مفیدی دارد. استحکام فریت را افزایش می دهد و سختی پذیری را زیاد می کند. وجود سیلیس در فولادهای الکتریکی که جهت گیری دانه ها مطرح است بسیار مهم است. هم چنین سیالیت ذوب را نیزافزایش می دهد.

حضور سیلیس ، راسب شدن گرافیت را تشویق میکند و مقاومت سایشی را افزایش می دهد. به علت افزایش استحکام تسلیم ، عنصر اصلی در فولادهای فنر است.به علت افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و پوسته دار شدن در فولادهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود.برای اینکه مقاومتشان در محیط های اسیدی نیز زیاد شود، درصد سیلیس تا 12% باید باشد که در اینصورت فقط باریخته گری قابل تولید بوده و برای رسیدن به ابعاد فقط سنگ زنی قابل انجام است.

در مقادیر بالای سیلیس ، سختی پذیری و استحکام فولاد افزایش می یابد ولی این افزایش همراه با کاهش داکتیلیتی و انرژی ضربه است.از اینرو درصد سیلیس در اکثر فولادها به 0.35 % محدود می شود.در فولادهای کربن متوسط و پرکربن ، باافزودن سیلیس سختی پذیری زیاد می شود. درصد کربنی که یوتکتیک در آن رخ می دهد کاسته می شود و دمای آستنیته را می افزاید.افزودن  سیلیس به فولادهای کوئنچ و تمپر با 0.5 %  کربن ، سختی حاصل از سخت کاری و فریت حاوی کاربید را افزایش می دهد.

در فولادهای فنر کربنی و سیلیس – منگنز دار ، میزان سیلیس بیش از حد طبیعی است و در محدوده1.5 -2 %  می باشد و درصد منگنز بین 0.6-1.0 %  است.با ازدیاد درصد سیلیس ، حساسیت به تردی تمپر افزایش می یابد. هرچند ، منگنز این حساسیت را بیشتر از سیلیس افزایش می دهد ولی در فولادهای سیلیس – منگنز دار حاوی 1%  منگنز، اگر درصد سیلیس بین 1.5-2  درصد باشد ، تردی تمپر بسیار جدی خواهد بود.اگر فولاد تنها0.6 %  منگنز داشته باشد سیلیس تا3 % می تواند در ترکیب فولاد حضور داشته باشد بدون اینکه بر افزایش تردی تمپر تاثیر جدی داشته باشد.

سیلیس در فولادهای مقاوم به حرارت ، نیکل-کروم ، کروم دار و کروم-تنگستن  برای افزایش مقامت به اکسیداسیون در دماهای بالا بکار می رود.فولادهای شیر کروم-سیلیس تا 3.75 % سیلیس و فولادهای پرنیکل –کروم-تنگستن در محدوده 1-2.5 %  سیلیس دارند. این چنین فولادهایی در شیرهای اگزوز موتورهای درون سوز استفاده می شود.

افزودن تقریبا 2 %  سیلیس به فولادهای زنگ نزن 18/8  مقاومت به پوسته برداری در دمای 980 C را افزوده و فولادهای تجارتی از این نوع در حدود 2-3 % سیلیس دارند.

سیلیس در فولاد با تشکیل محلول جامد جانشینی باعث می شود کربن بصورت گرافیت رسوب کند. فلذا چنین شکلی از کربن در حین نورد گرم بصورت لایه دکربوریزه شده حذف خواهد شد.بنابر این میزان کربن تا حد امکان کم نگهداشته می شود تا میزان اکسید و کربنی که خواص مغناطیسی فولاد را کاهش می دهد ، کمتر شود.از اینرو ورقهای فولاد سیلیس دار که 2.5-5 %  سیلیس دارند، افت جریان ادی و هیسترزیس کمتری در مقایسه با آهن دارند. فلذا در میدان جریان مستقیم، قابلیت نفوذ مغناطیس در آنها برای اکثر کاربردها مفید ومناسب بوده که باعث شده در صنایع الکتریکی کاربرد زیادی پیدا کرده است.

ورقهای الکتریکی از فولادهای سیلیس دار 4-4.75 %  سیلیس ساخته می شوند. چون در درصدهای سیلیس بالای 2.5 % آستنیتی وجود ندارد فلذا می توان آنها را عملیات حرارتی کرد.این عملیات تنها برای بازیابی و آزادسازی کرنش های مکانیکی و نفوذ ناخالصی ها و آخالها و رشد کریستالهای بزرگ اکوکسی بزرگ و به دنبال آن بهبود خواص مغناطیسی بکار می رود.یک روش برای آنیل ، عملیات حرارتی فولاد در دمای 800-1000 C در شرایط احیایی و سپس آهسته سرد کردن است.در روش دیگر که برای تولید ورقهای با جهت گیری دانه ای استفاده می شود، شامل پوشش دادن اولیه ورقهای نورد گرم شده و سپس نورد سرد با پودرهای دیرگداز و به دنبال آن آنیل در دمای 1200 C بمدت60  ساعت در اتمسفر هیدروژن دار می باشد. با این عملیات درصد زیادی از دانه ها در راستای ترجیحی جهت دار می شود. ورق با چنین شبکه فریت جهت دار و یکنواخت باعث افزایش راندمان ترانسفورماتور و کاهش افت وات می شود.در عوض مقدار گرمای تولید شده در طی کار ترانسفورماتور را کاسته و هزینه اولیه را کم کرده و سیستم خنک کن دستگاه را ساده تر کرده است.

سیلیس در چدن ها همیشه وجود داشته و یک عنصر گرافیت زاست و پایداری کاربیدهای یوتکتیک و پرلیتی را کاهش  می دهد.درصد سیلیس در چدنهای سفید بسیار کم بوده ولی در چدنهای خاکستری حداقل تا 1.5 درصد نیز وجود دارد.

تاثیر گوگرد و سلینیم

گوگرد ماده بی بو و بدون مزه است که در طبیعت بیشتر به صورت ماده جامد زرد رنگ است که البته کانی های سولفیدی و سولفاتی نیز به وفور دیده می شوند.

گوگرد یکی از عناصر اصلی در ساختمان سلول زنده است.گوگرد یک منبع غذایی شیمیایی برای برخی از ارگان ها می تواند باشد:بعضی از باکتری ها از سولفید هیدروژن بجای آب به عنوان الکترون ده در فرآیندهای شبیه فوتوسنتز استفاده می کنند.گوگرد غیرآلی بخشی از کلاسترهای آهن-گوگرد را تشکیل می دهد و گوگرد یک لیگاند(Ligand) اتصالی در محل CuA در اکسیدایز سیتوکروم سی می باشد که این آخری ماده اصلی در استفاده از اکسیژن درتمام زندگی هوازی می باشد.

در نباتات و حیوانات،سیستئن (cysteine) آمینو اسید و متونین(Methionine) شامل گوگرد می باشند.هوموسیستئن و تاورین(Taurine) از انواع اسیدهای گوگرد داری هستند که ساختار مشابهی داشته ولی به وسیله DNA کد گذاری نمی شوند و بخشی از ساختار اولیه پروتئین محسوب نمی شوند.

پیوندهای دی سولفیدی (S-S) که بین اجزای سیستئن در زنجیرهای پپتید تشکیل می شوند،در ساختار پروتئین بسیار مهم هستند.این پیوندهای کووالانت قوی بین زنجیرهای پپتید باعث می شوند که پروتئین ها از چقرمگی و جهندگی بالایی برخوردار باشد.به عنوان مثال،استحکام بالای پرها و مو به دلیل مقدار بالای اتصال S-S و هم چنین مقدار زیاد سیستئن و گوگرد است.

گوگرد از زمانهای قدیم مورد استفاده بوده و در کتب عهد قدیم به کرات بدان اشاره شده است.احتمالا گوگرد از کلمه عربی sufra به معنی زرد گرفته شده است که ناشی از رنگ درخشانی است که در طبیعت از خود نشان می دهد،با این وجود نام سانسکریت گوگرد بنام sulvari است که به معنای دشمن مس می باشد.

ترجمه های انگلیسی از کتب عهد قدیم،از گوگرد بنام Brimstone یادکرده است که نشـات گرفته از خطابه آتش و گوگرد (Fire and brimstone)  بوده که در آن مستمعان به حالت لعن جاوید و ازلی باقی می ماندند بطوریکه منتظر بی اعتقادی و عدم پشیمانی بودند.در این بخش از کتب عهد قدیم،Hell به بوی گوگرد اشاره می کند،که در بالا گفته شد گوگرد بی بو است.بوی  گوگرد معمولا مشابه بوی سولفید هیدروژنی است که از تخم مرغ گندیده به دماغ می رسد.سوختن گوگرد دی اکسید گوگرد تولید می نماید که بویی شبیه سوختن کبریت دارد.

هومر در قرن هشتم قبل از میلاد و نیز 424 م ق از گوگرد عامل جلوگیری از طاعون نام می برد و بوئیتا (Boeotia)  دیواره های شهر را با به آتش کشیدن مخلوطی از زغال سنگ،گوگرد و قیرخراب نمود.در قرن دوازدهم،چینی ها تفنگی را اختراع کردند که نیروی پرتابی آن از مخلوط نیتزات پتاسیم (KNO3) ،کربن و گوگرد تامین می شد.در اواخر سال 1770 میلادی ، آنتوین لاوزیه (Antoine Lavoisier) موفق شد که گوگرد را به عنوان یک عنصر به جامعه علمی معرفی نماید.در 1867 میلادی،گوگرد در رسوبات زیرزمینی در لویزیانا و تگزاس کشف شد.

گوگرد عنصری معمولا در نواحی آتش فشانی یافت می شود.هم چنین رسوبات گوگرد عنصری در خلیج مکزیک،اروپای شرقی و آسیای غربی وجوددارد.اعتقاد بر این است که گوگرد موجوددر این رسوبات از واکنش باکتریایی بی هوازی بر روی کانی های سولفاتی بالاخص سنگ گچ بدست آمده است.

سلنیم عنصر شیمیایی بوده که در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود و معمولا در مقادیر زیادش سمی بوده ولی مقدار کم آن در در برخی از آنزیم ها بسیار موثر است.

سلنــــــــــیم از واژه یونانی selene به معنی ماه گرفته شده است و در سال 1817 توسط جـــــــــونز یاکــــــوب برزیلیوس (Jons Jakob Berzelius) کشف شد.رشد استفاده از سلنیم به لحاظ تاریخی حالت یکنواخت و متناسب با کاربردهای جدید بوده که می توان به ترکیبات کائوچو،عناصر آلیاژی در فولاد و یکسوکننده های سلنیم اشاره نمود.در سال 1970،سلنیم در یکسوکننده ها جایگزین سیلیس شدند ولی کاربرد اصلی آن در هادی های حساس به نور در صفحات ساده کپی است.در طی سال 1980، استفاده از سلنیم به عنوان هادی حساس به نور در این صفحات نیز رو به کاهش رفت.در حال حاضر،استفاده گسترده از سلنیم در صنایع شیشه سازی و رنگ دانه ها می باشد.

در سال 1996،تحقیقات ادامه دار نشان داد که رابطه مستقیمی بین مکمل های سلنیم و جلوگیری از حمله قلبی وجود دارد.در اواخر سال 1990،استفاده از سلنیم به عنوان یک نوع افزودنی به لوله های برنجی برای برآورده ساختن استانداردهای زیست محیطی بدون سرب از اهمیت قابل توجهی برخوردار شد.

با وجود اینکه مقادیر زیاد سلنیم سمی است،ولی یکی از ریزمغذی های اصلی در حالت های مختلف حیات است.سلنیم یکی از اجزای اصلی آمینو اسیدهای کمیاب سلنوسیستئن (selenocysteine) و سلنومتوئین(selenomethionine) است.در انسانها،سلنیم ماده ریزمغذی است که به عنوان کوفاکتور برای احیای آنزیم های آنتی اکسیدان مثل پروکسیدازهای گلوتاتئیون (Glutathione peroxidases)  یا ردوکتازتیرودوکسین(Thioredoxin reductase) عمل می کند.هم چنین سلنیم در عملکرد غده تیروئید به عنوان  یک کوفاکتور برای هورمون تیروئید نقش اصلی ایفاء می کند.

همانطوریکه در بالا بدان اشاره شد،مقدار زیاد سلنیم سمی است. مقدار بیش از حد بالایی پذیرش مجاز بیشتر از 400 میکروگرم در هر روز می تواند موجب سلنوسیس (Selenosis)  شود.علایم این بیماری شامل بوی سیر در دم بیمار،اختلالات معده ای،ریزش مو،پوسته پوسته شدن ناخن ها،خستگی، کج خلقی و  حملات عصبی می باشد.مقدار خیلی زیادی آن می تواند منجر به تسمع جگر و ورم ریوی و در نهایت مرگ می شود.

آنچه که در مورد سلنیم جالب است که بدان اشاره شود، رابطه آن با گسترش بیماری HIV است.تحقیقات زمین شناسی در مناطقی که بیماری ایدز در آن گسترش یافته است، و مقایسه آن با مناطقی که بیماری ایدز در آنها دیده نشده است،نشان دهنده این مطلب مهم است که در خاک مناطقی که ایدز در آنجا شیوع یافته است،حاوی مقادیر کمتری از عنصر سلنیم است.به عنوان مثال،درصد شیوع بیماری ایدز در مناطق پایین تر از آفریقای شمالی که سلنیم کمتری در خاک آن اندازه گیری شده است،بالا است در حالیکه در سنگال این درصد خیلی پایین تر است .خاک سنگال درصد بالاتری از عنصر سلنیم را دارد.

اما در فولاد گوگرد وسلنیم رفتار مشابهی در دارند.گوگرد در ترکیب هر فولادی وجود دارد ولی سلنیم بطور عمدی به فولاد افزوده می شود.وزن اتمی گوگرد32 با نقطه ذوب 119 C ، وزن اتمی سلنیم 79 با دمای ذوب 217 C است.هر دو قابلیت یکسانی در فولاد دارند و به علت کم بودن نقطه جوش ، در مذاب پایداری زیادی ندارند.

مشکل اصلی فولادسازان مربوط به پدیده ترک برداری گرم یا سرخ شکنندگی است. فلذا سعی می کنند تا حد امکان در صد گوگرد را کمتر کنند. گوگرد با آهن ترکیب شده و تشکیل FeS  میدهد که دارای نقطه ذوب کمتری است.FeS با آهن یوتکتیکی تشکیل می دهد که از نقطه ذوب پایینتری تا 988 C برخوردار است.این ترکیب در دماهای بالا بصورت مذاب در آمده  ودرمرزدانه ها تجمع می کندفلذا باعث ترک برداری گرم یا سرخ شکنندگی Hot cracking یا Hot Shortness می شود.شکل آخالهای سولفید آهن در شمش ها کروی بوده و در مقاطع کار شده کشیده ودراز است.این سبب می شود خواص قطعه آنیزوتروپ شود.همانطوریکه قبلا اشاره شد،Mn  تمایل زیادی به ترکیب با گوگرد و تشکیل سولفید منگنز دارد.بنابر این، از این خاصیت برای حذف گوگرد استفاده می شود.با این حال درصد بسیار  کمی FeSتشکیل می شود که قابلیت انحلال در MnS را دارد.با این وجود تاثیری بر روی دمای ذوب سولفید منگنز ندارد.میزان منگنز اضافه شده تقریبا چهار برابر درصد گوگرد است. بیشتر فولادهای کم آلیاژی و کربنی حداکثر درصد گوگرد 0.04% دارند.

وجود درصد زیاد MnS بر کارآیی فولاد تاثیر منفی دارد.علیرغم این موضوع، در فولادهای خوش تراش وجود گوگرد عامل مهمی است.در واقع ، یکی از راههای افزایش قابلیت ماشینکاری ،اضافه کردن گوگرد به ترکـــیب فولاد است.بیشتر این نوع فولادها،0.10-0.30 % گوگرد دارند.وقتی ابزار برش روی سطح قطعه کار می کنند،به علت وجود MnS طول پلیسه ها کوتاهتر می شوند و نقش روانکار را نیز ایفا می کنند و در نتیجه صافی سطح بیشتر می شود.

شکل،اندازه و توزیع نامطلوب آخالهای غیر فلزی تاثیر نامطلوبی بر روی خواص فولاد دارند.آخالهای غیر فلزی کشیده شده قابلیت کار سرد فولاد ورق در کشش عمیق را می کاهد و چقرمگی شکست را شدیدا کاهش می دهد.خواص فولاد را آنیزوتروپ می کند وحساسیت به پارگی داغ را افزایش می دهد.وجود چنین مشکلات برای فولادسازان، افزودن عناصری مثل کلسیم،منیزیم،زیرکنیم و عناصر نادر خاکی (سدیم) به ذوب را در پی داشته است.در این روش مقدار گوگرد پس ماند به 0.001و 0.005 درصدنیز می رسد.

در جوشکاری فولادهای خوش تراش که گوگرد زیادی دارند ،وجود سولفیدها بر جوشکاری قوسی بسیار مضر بوده و در هنگام رسوب فلز جوش از الکترودهای فولادهای نرم ، حفره و ترک تشکیل می شود.ولی استفاده از الکترودهای مصرفی با هیدروژن پایین ، نتایج قابل قبولی را در پی دارد.نسبت آهک به سیلیس این الکترود ها در حدی نگه داشته می شوند که تاثیر مخربی بر روی نتایج جوشکاری نداشته باشند.

در چدنها ، منابع متعددی برای حضور گوگرد در ترکیب موجودند.در صورتیکه منگنزی وجود نداشته باشد،گوگرد در ساختار بصورت سولفید های آهن با شکل آخالهای قهوه ای خاکستری ظاهر می شوند ولی با افزودن منگنز ، به لحاظ تمایل ترجیحی به ترکیب با گوگرد،سولفید مگنز تشکیل خواهد شد.میزان منگنز طبیعتا باید بیشتر باشد و از فرمول تجربی زیر استفاده می شود:

%Mn = 1.7 * %S+0.3

اگر دمای ریخته گری پایین باشد، مقادیر اضافی اکسید منگنز بصورت عیوب حفره ای در قطعه د رمی آید.در درصدهای بالاتر از 0.18 % گوگرد، سختی چدنهای خاکستری را افزایش می دهد ولی بر ماشینکاری چدنهای خاکستری تاثیر منفی دارد.

تاثیر فسفر

فسفر (که در یونانی نام قدیمی ستاره زهره است) در سال 1669 توسط شیمیدان آلمانی به نام هنیگ براند(Hennig brand) از آماده سازی زهرآب کشف شد.براند سعی داشت که نمکها را از تقطیر زهرآب بدست آورد که در طی این فرآیند ماده سفیدرنگی بدست آورد که در تاریکی می درخشید.از آن زما به بعد،فسفرسانس ماده ای را می گویند که در تاریکی بدون سوختن می درخشید.

فسفر آلوتروپهای مختلفی دارد.فسفر سفید تنها چهار اتم دارد و خیلی ناپایدار است.فسفر سفید در تاریکی می درخشد و بسیار قابل اشتعال است و در به محض تماس با هوا آتش گرفته و سمی است.فسفر قرمز شکل شبکه ای دارد و از پایداری بیشتری برخوردار است.فسفر قرمز تا دمای زیر 240C در تماس با هوا آتش نمی گیرد ولی فسفر سفید در دمای 40 C آتش می گیرد.فسفر سیاه آمورف بوده و فعالیت زیادی ندارد.

در ابتدا،فسفر در قرن 19 در صنایع کبریت سازی استفاده شد که از تقطیر بخار فسفر از رسوب فسفات هایی که در دستگاه تقطیر حرارت داده شده است،تولید شد.رسوب فسفاتها  از خردایش استخوانها تهیه شده و سپس چربی زدایی شده و با اسیدهای قوی واکنش می دهند.در سال 1890 با اختراع کوره های الکتریکی قوسی ،این فرآیند دیگر منسوخ شد.

کبریت های موجوددر بازار حاوی فسفر سفید هستند که سمی می باشد.علاوه برآن،تماس زیاد کارگران کبریت سازی با بخارات فسفر باعث می شد که آنها مبتلا به فساد و پوچ شدن استخوان آرواره شوند.با کشف فرآیند امن تر استفاده از فسفر قرمز،به خاطر قابلیت آتش گیری کم آن و سمی نبودن آن،قوانینی وضع شد که بدان وسیله استفاده از این فرآیند تولید امن الزامی شد.

روش کوره الکتریکی که برای تولید زیاد فسفر بکار گرفته شد،در مهمات جنگی نیز استفاده شد.در جنگ جهانی اول،فسفر به عنوان ماده آتش زا،درگلوله های رسام بکار برده شد.در جنگ جهانی دوم،کوکتل مولوتف بنزین و فسفر در بین شهروندان انگلیسی برای دفاع از خود توزیع شدند و در نتیجه استفاده از بمب های فسفری در جنگ جهانی دوم گسترش یافت.تشخیص سوختگی فسفر بسیار مشکل است و در صورتیکه بر روی پوست انسان پاشیده شود،اثرات بسیار خطرناکتری خواهد داشت.

فسفر را به جرات می توان یکی از اصلی ترین عناصر در اشکال گوناگون حیات به شمار آورد.فسفر جامد به شکل فسفات PO4-3  نقش اصلی در ساختار ملکولهای بیولوژیکی مثل DNA و RNA  را دارد.سلول های زنده از فسفات برای انتقال انرژی سلولی با آدنوزین تری فسفات (Adenosine triphosphate)( ATP)  استفاده می کنند.تقریبا تمام فرآیندهای سلولی از این شکل انرژی ATP  استفاده می کنند.از طرفی ATP نقش اصلی در فرآیند فسفردار شدن (Phosphorylation) را دارد.فسفولیپیدها قسمت اصلی ترکیبات  غشاء های سلولی هستند. نمک های فسفات کلسیم برای سفت کردن استخوان های حیوانات استفاده شده است.هر شخص به طور متوسط کمتر از 1 کیلوگرم فسفر که معادل سه چهارم آنچه که در استخوانها و دندانهای وی به شکل آپاتیت (Apatit) است،دارد.در جوامع صنعتی امروزه،هر شخص بالغ تقریبا 1 تا 3 گرم فسفر در هر روز از شکل های مختلف فسفر استفاده می کند.

پدیده درخشندگی فسفر تقریبا در سال 1669 میلادی کشف شد ولی مکانیسم آن بطور کامل توضیح داده نشد.در سال 1680 توسط روبرت بویل (Robert Boyle)  این پدیده به ضعیف شدن هوا نسبت داده شد.در قرن هیجدهم ،مشاهده شد که در اکسیژن خالص ،فسفر هرگز نمیدرخشد.بلکه تنها در محدوده ای از فشار جزیی است که نرخ آن زیاد یا کم  یا واکنش متوقف می شود.در فشارهای بالا ،گرما نیز می توان باعث انجام واکنش شود.در سال 1974،پدیده درخشندگی فسفر توسط زی(R.J.van Zee) و کان (A.U.Khan) توضیح داده شد.در سطح فسفر جامد (یا مایع) ،بااکسیژن واکنش می دهد و ملکول های با حیات کوتاه HPO و P2O5 تشکیل می دهد که هردو نورهای مریی از خود ساطع می کنند.واکنش آهسته است.

در فولادها ،فسفر عنصر ناخواسته ای است که در ترکیب هر فولادی میتوان آن را مشاهده کرد.ساختمان مکعبی شکل و نقطه ذوب 45 C دارد. وزن اتمی آن 31 است. فسفر تمایل قوی به ترکیب  با اکسیژن داشته و باید از رطوبت و اکسیژن محافظت شود. برای افزودن به مذاب آهن ،از فروفسفاتهای با 20% فسفر استفاده می شود.

در حالت جامد ،آهن و فسفر تشکیل Fe3P می دهند. فسفر در دمای اتاق در حدود 0.1% حل می شود و فسفر اضافی در زمینه باقی می ماند. در کل فسفر فریت زای ضعیفی است . لذا با توجه به درصد کم فسفر در فولاد ،تاثیر این عنصر بسیار ناچیز است.

فسفر جدایش در ریزساختار را تشدید میکند. مناطق حاوی فسفر مناطقی هستند که در آخرین مرحله انجماد ، منجمد می شود و باعث می شودکه کربن از این مناطق پس زده شود.در نتیجه بعد از انجماد،این مناطق سمنتیت کمتری داشته و در عوض فریت بیشتری خواهد داشت.به این پدیده Ghost bond اطلاق می شود.هم چنین به خاطر ضریب دیفوزیون پایین این عنصر،امکان یکنواخت کردن ریزساختار بسیار مشکل است.

در عملیات حرارتی فولادها ،فسفر چقرمگی را می کاهد.به همین خاطر درصد فسفر باید از 0.04% فراتر نرود.فسفر سختی پذیری را می افزاید فلذا کاهش چقرمگی و افزایش تردی را در پی خواهد داشت.فسفر با تشکیل محلول جامد جانشینی، تمایل بالقوه ای در افزایش استحکام فریت دارد.

اثر ترد کنندگی به میزان کربن فولاد بستگی دارد. در گریدهای پر کربن ،تاثیر فسفر معکوس می شود.در بسیاری از فولادهای کم کربن درصد فسفر می تواند در محدوده 0.04-0.15 %  باشد. در فولادهای HSLA که کربن کمتری دارند، جهت افزایش استحکام و مقاومت خوردگی از فسفربا درصد بالا  استفاده می کنند.فولادهای بسمر به خاطر ماهیت تولید دارای فسفر زیادی هستند. تردی حاصل از فسفر با افزایش کربن ،دمای آبکاری ،اندازه دانه و کاهش درصد تغییر شکل در فورج افزایش می یابد.این تردی بصورت سردشکنندگی و حساس شدن در تنش های ضربه ای ظاهر می شود.

فسفر اندازه دانه های آهن را افزایش داده و لذا باعث تشکیل ترکیبات حجیم و نامطلوب می شود. افزودن فسفر به فولادهای کم کربن ،ازدیاد استحکام و مقاومت خوردگی را در پی دارد. هم چنین قابلیت ماشینکاری فولادهای خوش تراش را بهبود می بخشد.تا 0.07 % به فولادهای کم کربن خاص با 0.3 % مس افزوده شده تا مقاومت اتمسفری آنها بسیار خوب شود. در چدن ، نقطه انجماد اولیه چدن را کاهش داده فلذا سیالیت و قابلیت ریخته گری آن را می افزاید.

 

تاثیر منگنز در فولادها

منگنز فلزی سفید –خاکستری رنگ است که شباهت هایی با آهن دارد.فلزی سخت و بسیار ترد می باشد که به راحتی ذوب نمی شود ولی بسیار آسان اکسید می شود.منگنز تنها بعد از عملیات خاصی فرومغناطیس می شود.اکسید منگنز IV در سلول های باطری خشک استفاده می شود.اکسید منگنز در شیمی آلی نقش واکنش گر برای اکسیداسیون الکل بنزیلیک را ایفا می کند.در شیشه سازی برای حذف رنگ استفاده می شود و اگر مقدارش زیادباشد،رنگ شیشه را به بنفش تغییر می دهد.اکسید منگنز رنگدانه قهوه ای است که در رنگ سازی بکار می رود.پرمنگنات پتاسیم اکسید کننده بالقوه ای است که در صنایع شیمیایی و پزشکی به عنوان ماده ضدعفونی کننده بکار میرود.

واژه منگنز از واژه لاتین Magnes به معنای مغناطیس گرفته شده است.استفاده از این عنصر به دوران ماقبل تاریخ برمی گردد که رنگی کردن رنگ ها با دی اکسید منگنز به 17000 سال پیش می رسد.مصری ها و یونانی ها از آن در تولید شیشه ها بهره برده و می توانستند برای رنگی کردن آن و یا زدودن رنگ از آن استفاده کنند.

در قرن 17 میلادی برای اولین بار شیمیدان آلمانی بنام یوهان گلوبر(Johann Glaubar) پرمنگنات پتاسیم را تولید کرد.در اوسط قرن هیجدهم،دی اکسید مگنز در تولید کلرین استفاده شد.شیل (Sheel) شیمیدان سوئدی برای نخستین بار خاطرنشان ساخت که منگنز یک عنصر است و هم دانشگاهی ایشان،یوهان گوتلیب گان(Johan Gottlieb Gahn) در سال 1774 میلادی با احیای دی اکسید توسط کربن توانست منگنز عنصری را بدست آورد.تقریبا اوایل قرن نوزدهم میلادی بود که منگنزدر تولید فولادها بکار گرفته شد.در 1816، به این مهم دست یافتند که افزودن منگنز به فولاد بدون آنکه آن را ترد نماید،باعث افزایش سختی فولاد می شود.

انواع مختلفی از آنزیم ها که دارای کوفاکتورهای منگنزی هستند،بسیار وسیع هستند و شامل انواع مختلفی از اکسیدوردوکتازها (Oxidoredutases) ،ترانفراسز(Transferases)،لیازیزها(Lyases) ،ایزومرازیز(Isomerases)،لستین(Lestins)،لیژاسیسها(Ligases) و انتگرینها(Integrine) می باشند.از مشهورترین پولی پپتدهای(Polypeptides) منگنزدار را می توان به ارگیانز(arginase)،دیسموتاز(Dismutase) و دیفتریا توکسین اشاره نمود.

منگنز معمولا به صورت پیرولوسیت(MnO2)  و تا حد کمی به شکل رودوکروسیت (MnCO3) وجود دارد.منابع زمینی آن معمولا زیاد است اما توزیع آن یکسان نمی باشد.در ایالات متحده ،گریدهای نامرغوب آن وجود دارد که استخراج آن هزینه زیادی را می طلبد. بیش از 80 درصد منابع شناخته شده منگنز در جهان در آفریقای جنوبی و اوکراین قرار دارد.رسوبات مهم دیگر که منگنز دارند،می توان به چین،استرالیا،برزیل ،هندوستان و مکزیک اشاره کرد.

پایدارترین حالت اکسید منگنز ،+2 است  و بسیاری ازاین ترکیبات منگنز II  مثل سولفات منگنز II (MnSO4) و کلرید منگنز II (MnCl2) در این زمره قرار دارند.حالت اکسیدی دیگری برای منگنز وجود دارد که استات منگنز III است که عامل اکسید کننده قوی است.تری کربونیل منگنز متیل سیکلوپنتادنیل به عنوان افزودنی به بنزین بدون سرب اضافه می شود.

  وزن اتمی منگنز 54.9 و نقطه ذوبش    1245 C است.ساختار کریستالی آن دردماهای مختلف متفاوت است.از دمای اتاق تا دمای 710 C ساختار مکعبی ساده داشته و از آن بالاتر تغییر می کند. شعاع اتمی آن 2.24 A بوده در حالیکه شعاع اتمی آهن برابر 2.58 A است.فلذا در آهن تشکیل محلول جامد جانشینی می دهد. هر دو عنصر الکتروپوزیتیو بوده و در لایه ظرفیتشان دو الکترون دارند.

ویژگی های شیمیایی و متالورژیکی این عنصر سبب شده کاربرد وسیعی در فولادسازی پیدا کنند.در مذاب آهن ، منگنز با اکسیژن ترکیب شده و MnO تشکیل می دهد. این واکنش در صد اکسیژن را تا حد تعادلی می کاهد. بنابراین می توان گفت که منگنز یک عنصر اکسیژن زداست . اما در مقایسه با عناصر اکسیژن زدای قوی مثل Al,Si ضعیف بوده و به عنوان یک اکسیژن زدا کاربرد ندارد.آنچه که در فولادهای خوش تراش مهم است، ، تمایل منگنز به تر کیب با گوگرد است.MnS تشکیل شده در مذاب سعی دارد وارد سرباره شود. در حالت جامد،سولفیدهای منگنز موجود در ریزساختار حلالیت کمی داشته و آخالهای غیر فلزی را ایجاد می کند. با حذف سولفید آهن در هنگام ذوب و انتقال آن به سرباره ، منگنز قادر است خطر سرخ شکنندگی را بکاهد.هم با انتقال دماغه منحنی TTT به سمت راست،  باعث کاهش سرعت سرد کردن برای رسیدن به ساختار مارتنزیت می شود.فلذا سختی پذیری را افزایش می دهد.میزان اضافی منگنز با کربن واکنش می دهد و کاربید منگنز Mn3C بوجود می آید.منگنز در تمامی انواع فولادهای کربنی و کم آلیاژی و نیز در جوشکاری به عنوان مواد پرکننده بکار می رود.

در فولادهای زنگ نزن ، منگنز داکتیلیتی در حالت گرم را بهبود می دهد.و تاثیر آن بر توازن  ساختار فریتی و آستنیتی با دما تغییر می کند. در دماهای پایین پایدار کننده آستنیت است ولی در دماهای بالا پایدار کننده فریت خواهد بود.

نمودار های آهن – منگنز نشان دهنده گسترش منطقه پایداری آستنیت با افزایش منگنز است.در برخی از فولادهای پرآلیاژی ، وجود منگنز در حضور کروم زیاد باعث افت  دمای استحاله  دلتا به آستنیت شده فلذا در دمای اتاق نیز می توان درصدی از فریت دلتا را در ریزساختار مشاهده کرد.در فولادهای کربنی درصد منگنز تا 1.5 % است. فولادهای از 1.5 تا 2.5 درصد منگنز جزو فولادهای کم آلیاژ بوده و از 2.5 % بالا ،فولاد پرآلیاژی محسوب می شود.نوع خاصی از فولادهای پرمنگنزی آستنیتی بنام فولاد هادفیلد با در صد منگنز 10-14 % وجود دارد.این فولاد خاصیت کارسختی داشته و سطح آن سخت می شود. در حالیکه مغز آن نرم و چقرمه است.

منگنز کربن یوتکتیک را کم می کند.و تشکیل محصولات آستنیتی در دماهای پایین باعث عمیق تر شدن سخت گردانی می شود.و نیز تشکیل پرلیت ریز در ساختار را در پی دارد.

با افزودن منگنز به فولاد ، داکتیلیتی آن کاهش می یابد ولی با کم کردن میزان کربن می توان این اثر را تا حدی کاهش داد.در فولادهای کربنی که در محدوده 0.25-1.0 %  کربن دارند،منگنز استحکام کششی را بالا برده و داکتیلیتی را بهبود می بخشد. افزودن  منگنز به فولادهای ساده کربنی سختی پذیری و قابلیت ماشینکاری را افزایش میدهد.

فولادهای منگنز دار حساسیت قابل ملاحظه ای نسبت به تردی تمپر بالاخص در مقاطع بزرگ دارند فلذا بعد از تمپر در دمای600 C  باید سریعا سرد شوند.

منگنز با نیتروژن موجود ترکیب شده و نیترید منگنز بسیار سخت را تشکیل داده که در حضور عناصر دیگر مثل Al,Cr,Ti و Mo یکی از اجزای مهم در فولادهای نیتریدی است.

فولادهای حاوی 0.35 % کربن،1.5 % منگنز و 0.35 % مولیبدن استحکام تسلیم بالا همراه با قابلیت جذب ارتعاش بالایی دارند و بدین لحاظ در میل لنگ های موتور کاربرد زیادی دارند.بخاطر افزایش سخت گردانی عمقی با افزایش منگنز ، حساسیت به ترک برداری در حین جوشکاری این فولادها زیاد است فلذا قبل از جوشکاری باید پیش گرم شوند.

وقتی درصد منگنز از  10 % فراتر رود،تغییرات فازی و رسوب کاربید خیلی آهسته می شود بطوریکه در غیاب هرگونه درصد تغییر شکلی می توان درصد آنها را نادیده انگاشت.فولاد های منگنز هادفیلد آستنیتی بوده و دارای 1.0-1.4 %  کربن و 10-14%  منگنز هستند.وقتی این فولاد از دمای 1000 C کوئنچ می شود، منگنز بالای این فولادها از استحاله معمولی سخت گردانی جلوگیری کرده و باعث می شود که آستنیت در دمای اتاق پایدار بماند.علیرغم استحکام بالا و داکتیلیتی خوب این فولاد ها از چقرمگی قابل قبولی نیز برخوردارند.بدلیل کارسختی که در این فولادها اتفاق می افتد،مقاومت به سایش این فولادهازیاد بوده و بیشتر در تیغه های لودر کاربرد دارد.تغییر درصد منگنز در محدوده 10-14 % تاثیر ناچیزی بر استحکام تسلیم داشته ولی در مقادیر پایین تر از 8%  ، تنها تقریبا نصف استحکام کششی فولاد در حالت بالا رادارد.

هر مقداری از منگنز فلزی که در محلول جامد باقی مانده است ، متناسب با درصد کربن فولاد استحکام فولاد را افزایش می دهد.در کربن مشخصی ، افزودن منگنز باعث کاهش داکتیلیتی فولاد می شود که این را می توان با کم کردن درصد کربن اصلاح کرد.فولاد های با 0.25% کربن و 1.0% منگنز دارای استحکام کششی بالا و داکتیلیتی عالی هستند.

فولادهای سیلیکو منگنزی فنر دارای 0.8 تا 0.9 درصد منگنز دارند.فولادهای ابزار منگنز سخت شونده در روغن دارای 0.8 تا 1.0 درصد کربن و 1 تا 2 درصد منگنز هستند. این فولادها دمای استحاله مارتنزیتی پایینی داشته و لذا تمایل به باقی ماندن آستنیت در ریزساختار بیشتر می شود.سختی پذیری این فولادها با تغییر مقدار منگنز و یا افزودن تا 0.5 درصد کروم به ترکیب فولاد کنترل می شود.افزودن تنگستن و وانادیم مقاومت سایشی را بهبود داده و تمایل به رشد ترک در عملیات حرارتی بعدی را می کاهد. این فولادها در ابزار برش سرد استفاده می شوند.

تمایل به پایدارسازی آستنیت متوسط عنصر منگنز همراه با تمایل به ترکیب با نیتروژن، باعث شده در ترکیب فولادهای کروم –نیکل ، این دو عنصر جایگزین درصدی از نیکل شود. به عنوان مثال،فولاد با 0.1 درصد کربن،18 درصد کروم ، 5 درصد نیکل ،8 درصد منگنز و 0.12 تا 0.18 درصد نیتروژن فولادی کاملا آستینتی بوده که مقدار تنش لازم برای شکست بهتری در دماهای بالا در مقایسه با فولادهای 8-18 عادی دارد.استحکام بالا و داکتیلیتی خوب هم دردمای معمولی و هم در دماهای پایین داشته و مقاومت به خوردگی آن در شرایط اکسیدکنندگی قابل مقایسه با فولاد زنگ نزن 8/18 است. قابلیت جوشکاری خوبی نیز دارد.

در فولادهای پرلیتی، منگنز هیچگونه تاثیری بر مقاومت اکسیداسیون،خوردگی و سایش ندارد.

در چدنها، منگنز یکی از عناصر مهم بشمار می رود.که یا بصورت محلول و یا بشکل آخالهای آبی خاکستری سولفید منگنز ظاهر می شود.

کربن

کربن عنصر بسیار مهمی در زندگی انسان است که می توان ادعا کرد بدون آن زندگی داومی نخواهد داشت.شکلهای رایج آن در طبیعت به صورت هیدروکربن و سوخت فسیلی گاز متان و نفت خام است.نام کربن برگرفته از یک واژه فرانسوی بنامCharbone می باشد.

کربن از دوره پیش از تاریخ کشف شده بود و با سوختن مواد آلی بهمراه اکسیژن ناکافی بدست می آید.البته این عنصر در خورشید،ستاره ها،ستاره های دنباله دار و بسیاری از سیاره های دیگر به وفور یافت می شود.کربن به صورت الماس های میکروسکوپی در برخی از شهاب سنگ ها وجود دارد.

اکسید بسیار مشهور آن CO2  است که درصد زیادی از پوسته زمین و سایر وسایل را به خود اختصاص می دهد.دی اکسید کربن به مقداری کمی در آب حل می شود و تشکیل H2CO3 می دهد.از مواد معروف معدنی می توان به کربوناتها بالاخص کلسیت اشاره نمود.

اکسید دیگر آن مونو اکسید کربن CO است .اکسیدهای دیگر که چندان زیادی نیستند عبارتند از: C3O2,C2O . مونواکسید کربن از احتراق ناکامل بوجود می آید و گازی بی رنگ و بی بو است.هر کدام از ملکول ها شامل یک پیوند سه تایی بوده و قطبیت ضعیفی دارند و تمایل دارند که با ملکول های هموگلوبین پیوند تشکیل دهند و جایگزین اکسیژن شوند.سیانید CN-  نیز ساختار مشابهی دارد و همانند هالید ها رفتار می کند.

کربن در کنار فلزات فعال مثل تنگستن، تشکیل کاربیدهای C- یا استیلیدها C2-2 می دهد و آلیاژهای با نقطه ذوب بسیار بالا تشکیل می دهد.این آنیون ها در متان و استیلن وجود دارد و اسیدهای بسیار ضعیفی هستند.در الکترونگاتیویته 2.5 کربن تمایل دارد پیوند کووالانس تشکیل دهد.تعداد کمی از کابیدها مثل SiC شبکه کووالانسی دارند.

کربن قادر است که زنجیر های طولانی از پیوند C-C به اندازه کافی محکم بوده و از پایداری کم و بیشی برخوردار است. این ویژگی مهم کربن به آن اجازه می دهد که ترکیبات زیادی را تشکیل دهد.

ساده ترین شکل ملکولی آلی،هیدروکربن است که بزرگترین خانواده آلی است که بنابه تعریف ترکیبی از اتم های هیدروژن می باشند که به زنجیری از اتمهای کربن متصل شده اند.طول زنجیر ،عرض زنجیر و گروه های تابعه آن بر خواص ملکول های آلی موثرند.

در فولادسازی ،کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی در تولید انواع فولادها می باشد..تغییرات 0.1 درصدی کربن فولاد تاثیرات شگرفی روی خواص فولاد دارد.این عنصر را ارزان کثیف Dirty cheap می نامند و در صد آن در فولاد را باید کنترل کرد.

 وزن اتمی کربن 12 با نقطه ذوب 3300 C است.آلوتروپی های آن عبارتست  از کربن آمورف ، گرافیت و الماس. با افزودن کربن به آهن مذاب ،محلول مایع تشکیل می دهد . رفتار کربن در آهن بصورت محلول جامد بسیار پیچیده است.کربن آستنیت زا ست و منطقه پایداری آستنیت را گسترش می دهد. مقدار قابل ملاحظه ای از کربن بصورت بین نشین در آستنیت حل می شود. در حالی که انحلال آن در فریت بسیار ناچیز است. بنحوی که در دمای 727 C برابر 0.0218 % و در دمای اتاق به 0.008 % کاهش می یابد. میزان کربن اضافی بصورت کاربید آهن و کاربید با عناصر آلیاژی دیگر در می آید.

افزایش میزان کربن ،سختی پذیری فولاد و نیز سختی ان را افزایش می دهد. هم چنین ، هر چقدر سمنتیت در زمینه فریتی بیشتر باشد، سختی نیز زیادتر خواهد بود. در چدنها، کربن بصورت گرافیت در ریزساختار بوده که در سختی پذیری تاثیری ندارد.

در ریزساختار فولاد، کربن و آهن تشکیل کاربیدآهن یا همان سمنتیت می دهند. این کاربید را نمی توان در حضور عناصر آلیاژی دیگر یک کاربید ساده تلقی کرد بلکه کاربید کمپلکسی از آنهاست.سمنتیت و کاربیدهای دیگری که در ریز ساختار وجود دارند بر عوامل زیر تاثیر می گذارند:

·        دما و زمان لازم برای انحلال در هنگام حرارت دادن فولاد

·         دمای برگشت برای دستیابی به میزان سختی لازم

·         وجود سختی ثانویه در حین برگشت ، تنش گیری و کار در دمای بالا

·         چقرمگی فولاد که تحت تاثیر پراکندگی ذرات کاربیدی در ریزساختار است.

افزایش کربن علیرغم ازدیاد سختی و استحکام ،شکل پذیری ،داکتیلیتی و چقرمگی ،قابلیت جوشکاری و ماشینکاری را کاهش می دهد. معمولا مقدار کربن تاثیری بر مقاومت خوردگی فولاد در آب ،اسیدها و گازهای داغ ندارد.

کربن نقطه انجماد آهن را کاهش می دهد. قابلیت انحلال کربن در آهن با افزایش دما افزایش می یابد.بسیاری از فولادهای نورد یا فورج شده در منطقه پایداری آستنیت کار گرم می شوند که به علت یکنواختی ترکیب و اندازه دانه است.

ذرات سمنتیت د ر حین سرد شدن از آستنیت رسوب می کنند. هر چقدر سمنیت بصورت ریز پراکنده باشد، سختی فریت و سمنتیت بیشتر خواهد شد.در فولادهای کربنی ،افزایش کربن تا 0.84 % و تشکیل پرلیت باعث افزایش سریع استحکام تسلیم و کشش خواهد شد ولی همراه با کاهش داکتیلیتی و چکش خواری است.

 با افزایش دما قابلیت انحلال کربن در آهن افزایش یافته و در دمای تشکیل آستنیت سریعا افزایش می یابد.معمولا فولادهای پرکربن در منطقه 0.9 % کربن را همیشه عملیات حرارتی نمی کنند چرا که انحلال کامل کاربید ها همیشه مطلوب نیست.شرایط آستنیتی با یکنواختی در ترکیب و اندازه دانه مشخص می شود.در سرد کردن، آستنیت به فریت و سمنتیت دگرگون می شود و با کنترل و تنظیم دقیق شرایط سرد کردن می توان ریزساختار را کنترل کرد.در واقع عملیات حرارتی وسیله ایست که می توان با آن توزیع ذرات سخت سمنتیت در فاز نرم فریت را کنترل کرد.

آهن

آهن همانند بسیاری از فلزات دیگر به صورتی عنصری در پوسته زمین وجود ندارد.آهن معمولا به شکل ترکیب با اکسیژن و یا گوگرد در پوسته زمین یافت می شود.اکسید آهن به شکل Fe2O3 یا هماتیت و سولفید آهن یا پیریت FeS2 اشکال مرسوم ترکیبی آهن در طبیعت می باشند.اکسیدآهن سنگ نرمی است که کاربرد محدودی دارد.برای استخراج آهن از سنگ معدن آهن،معمولا بوسیله حذف اکسیژن از طریق افزودن برخی از عناصر مثل کربن استفاده می شود.

قبل از اینکه بشر بتواند آهن را ذوب کند،کاربرد آهن در زندگی بشر بسیار محدود بود.اولین آثار از کاربرد آهن مثل نوک نیزه ها که ازشهاب سنگ بدست می آوردند،در حدود 4000 م ق (قبل از میلاد مسیح) در مصر باستان و سومر کشف شده اند.در حدود  6 درصد شهاب سنگ ها آلیاژهای آهن – نیکل هستند که آهن بدست آمده از این سنگها در تولید صنایع دستی کوچک استفاده می شد.

دردوره 3000 تا 2000 م ق ،تعداد قطعات آهنی که آناتولیا (منطقه ای در ترکیه امروزی) ،مصر باستان و بین النهرین) پیدا شده اند،بسیار زیاد بوده اند.قدیمی ترین نمونه های آهنی در محل های ذوب مس در سینای پنینسولا(Sinai Peninsula)  در حدود 3000 م ق کشف شده اند. در آناتولیا ،آهن را درنیزه های تزیینی استفاده می کردند و ابزارهای ماهی گیری با تیغه آهنی و دسته برنزی د رمقبره ای در هاتیک کشف شده اند که مربوط به 2500 م ق می باشند.توتان خامان(Tutankhaman)  حاکم مصر در 1323 ق م بهمراه یک نیزه آهنی با دسته طلایی به خاک سپرده شده بود.در حفاری های منطقه اوگاریت(Ugarit) شمشیری قدیمی با نام فرعون مرمپتاه (Mermeptah) و یک تبر جنگی با تیغه آهنی و دسته برنزی با تزیینی از طلا کشف شده اند.

با این وجود و با توجه به مشکلات تولید آهن ونیاز به کار بیشتر ،آهن نتوانست در تولید ابزارها ونیزه ها جایگزین برنز شود.کیفیت آهن تولیدی توسط آهنگران در مقایسه با برنز ها مطلوب نبود.بنابراین در خاور نزدیک و در سالهای 1200 تا 1000 م ق ،برنز جایگزین آهن شد.این فرآیند در سالهای 1300 م ق در امپراطوری هتیت (Hettite) شروع شد.عصر آهن (Iron Age)  900 ق م در بین النهرین و 800 م ق در اروپای مرکزی آغاز شد.این گذر سریع به عصر آهن موضوع اصلی اختلاف نظر در بین باستان شناسان است.تئوری اصلی در این مورد که بیشتر مورد قبول واقع شده است،این است که در مناطقی که تجارت قلع انجام می شد،انتقال جنگ افزارها و وسایل لازم متوقف شد فلذا بالاجبار قطعات آهنی جایگزین برنز شدند.از سوی دیگر گذر از عصر برنز به عصر آهن در مصر به این سرعت انجام نشد.مصری ها تا زمانیکه آسوری ها در 663 ق م بر آنها پیروز شوند،به تولید قطعات برنزی ادامه دادند.

در این دوره،ذوب آهن از طریق کوره ای انجام می شد که هوا با فشار به توده ای از سنگ معدن آهن و زغال سنگ دمیده می شد.مونواکسید کربن حاصل از احتراق زغال سنگ ،اکسیدآهن را به صورت آهن فلزی احیاءمی کرد.آهن در کف کوره به شکل شمشه های اسفنجی جمع می شد که حفرات آنها بوسیله خاکستر و سرباره پر می شد. سپس شمشه ها دوباره حرارت داده می شد تا آهن نرم شده و سرباره ذوب شود و در نهایت بکرات تحت ضربات مکرر چکش قرار می گرفت تا سرباره از آن خارج شود.نتیجه این کار،زمان گیر بودن و کار زیاد بود تا بتوان آلیاژ با کربن کم تولیدنمود.

آهن کار شده را با نگهداری در معرض آتش زغال سنگ کربوریزه می کردند. با شروع عصر آهن،آهنگران آهنی را کشف کردند که بکرات می توانستند آهنگری کنند و فلز با کیفیت خوب تولید کنند.در این زمان بود که سخت گردانی کوئنچ را کشف کردند. قدیمی ترین قطعه ای که کوئنچ شد،چاقویی بود که در0 110 م ق در قبرس ساخته شد.

وزن اتمی آهن 56 و چگالی آن3 7.9 gr/cm  است که عنصری با چگالی متوسط است. نقطه ذوب  نسبتا  بالایی    در حدود 1538 C دارد. آهن در طی حرارت دهی و سرد کردن در دو دما تحت تغییرات ساختار و کریستالوگرافیکی قرار می گیرد.در دمای اتاق , ساختار کریستالی آن BCC  با نام α بوده که با حرارت دهی تا دمای 912 C به ساختار FCC تبدیل می شود.این ساختار γ نامیده می شود.در دمای 1394 C این ساختار دوباره به ساختار BCC تبدیل می شود که برای متمایز شدن از ساختار α ساختار دلتا δ نامیده می شود. در سرد کردن , این تبدیلات در جهت عکس رخ می دهند.

با سرد کردن و انجام استحاله در ریزساختار،حرارت حاصل از استحاله در ساختار انتقال می یابد.هم چنین این دگرگونی مستلزم تغییرات حجمی است.وقتی آهن از bcc به fcc تبدیل می شود,انقباضی در ساختار شبکه رخ می دهد.بر این اساس دو روش برای تعیین دمای دگرگونی پیشنهاد می شود: الف) آنالیز حرارتی و ب) آنالیز دیلاتومتری. در آنالیز حرارتی , تغییرات دما در هر زمان ثبت می شود و گرمای خروجی را بررسی کرده و با استحاله مطابقت می دهند. در روش دومی با مشاهده تغییرات ناگهانی در انبساط طولی , دمای متناظر با آنرا مشخص می کنند.این دماها همان دماهای بحرانی می باشند.البته تغییر دیگری نیز وجود دارد که در آن ساختار کریستالی تغییر نمی کند. این تغییر , تغییر مغناطیس بودن فولاد است که دردمای 770 C  (دمای کوری) انجام می شود. در این دما , فولاد مغناطیس آلفا به فولاد غیر مغناطیس بتا تبدیل می شود.

در صنعت , برخی از عناصر آلیاژی به آهن افزوده می شوند و فولاد و سایرآلیاژهای آهنی را می سازند. به عنوان مثال, آهن در محیط های خورنده متوسط با سرعت بیشتری با مکانیسم پوسته برداری و .. خورده می شود.در حالیکه با افزودن عناصری چون مس و کروم مقاومت به خوردگی آن تا حد زیادی افزایش می یابد. هم چنین , آهن خالص استحکام بسیار پایینی دارد که مناسب کاربردهای صنعتی نمی باشد.فلذا ازافزودن عناصری مثل نیکل,کروم و مولیبدن برای افزایش استحکام استفاده می شود.بسیاری از این تغییرات مفید در خواص مکانیکی مربوط به استحاله آهن آلفا به گاما و بالعکس  و نیز اختلاف زیاد در قابلیت انحلال کربن در ساختار های شبکه ای می باشد.

بسیاری از عناصری که به فولادهای افزوده می شوند خواص فولاد را بهبود می بخشند. ولی برخی از عناصر پس ماندی نیز وجود دارند که اثرات غیر مفیدی نیز دارند. در کل عناصر را به دو گروه فریت زا و آستنیت زا تقسیم کرده اند.در این تقسیم بندی , تاثیر هر کدام از عناصر معین بر تغییر دگرگونی در ساختار زمینه آلیاژ درنظر گرفته  شده است.برخی از این عناصر در تمامی رژیم حرارتی دارای یک آلوتروپی هستند(Ni,Al) ولی برخی دیگر نیز توانایی تغییر ساختار شبکه ای خود در محدوده دمایی مختلف دارند (Fe) . عناصر فریت زا از رشد فاز آستنیت جلوگیری کرده و باعث پایداری فاز فریت در زمینه می شود.(Cr) ولی عناصر آستنیت زا رفتار معکوسی داشته و سبب پایداری فاز آستنیت می شوند.(Ni) تاثیر عناصر آلیاژی بر رفتار کریستالوگرافیکی زمینه آهنی به سادگی آنچه که در بالا ذکر شده , نیست. اثر این عناصر تنها به انبساط  و انقباض در ساختار خلاصه نمی شود. بلکه بین عناصر آلیاژی و آهن واکنش هایی بین الکترونهای والانس نیز رخ می دهد.مع هذا, باید به خاطر سپرد که ساختار اصلی عناصر آلیاژی نشان دهنده نوع رفتار آن در هنگام افزودن به آهن نمی باشد.به عنوان مثال, فلز آلومینیوم ریزساختار fcc داشته ولی در ترکیب آهن فریت زا بسیار قوی است و اگر درصد آن از  1% کمی  بیشتر شود, بطور کامل از استحاله فریت آلفا به آستنیت جلوگیری می کند.هم چنین , سیلیس با ساختار مکعبی الماسی در ساختار آهن نقش فریت زایی دارد و افزودن 3% از آن به آهن باعث پایداری فریت در ریزساختار می شود.با این وجود اگر بخواهیم تاثیر عناصر فریت زا و آستنیت زا رادر کنار هم در ساختار بررسی کنیم, بایستی به توازن موجود بین این عناصر دقت کنیم. هرچند که در عمل چنین توازن خالصی وجود ندارد.