متالورژی علم مطالعه و کار با فلزات و تغییر آن‌ها است. در متالورژی، روی خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات کار می‌شود. متالورژی شاخه‌ای از علم مواد است که بر شناخت رفتار فلزات و کشف راه‌هایی برای بهبود خواص آن‌ها تمرکز دارد. مهندسان متالورژی، با فلزات پرکاربردی مانند آهن، آلومینیوم، مس و فولاد کار می‌کنند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم متالورژی چیست و شاخه‌ها و کاربرد‌های آن کدامند.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم مفهوم متالورژی چیست. سپس اصول کلیدی و شاخه‌های آن مانند متالورژی آلیاژ و استخراج را بررسی می‌کنیم. پس از آن، رشته مهندسی متالورژی و اصطلاحات پایه این علم را توضیح می‌دهیم. در ادامه مطلب، محصولات، فرآیند‌ها، تست‌ها و تاریخچه متالورژی را می‌آموزیم. در نهایت، تفاوت متالورژی و علم مواد را بررسی کرده و توضیح می‌دهیم اهمیت و کاربرد‌های متالورژی چیست. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل و کاربردی بیاموزید متالورژی چیست.

متالورژی چیست؟

متالورژی علم شناخت و بررسی ساختار فلزات، استخراج آن‌ها از معادن و بهبود ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن‌ها است. متالورژی یکی از کلیدی‌ترین دانش‌ها برای ساخت بسیاری از وسایلی است که انسان‌ها به شکلی روزمره از آن‌ها استفاده می‌کنند. با کمک علم متالورژی، انسان‌ها توانسته‌اند اجسام و وسایلی مانند ساختمان‌ها و وسایل الکترونیکی را تولید کنند. این علم نقشی مهم در تشکیل دنیای ما دارد.

یکی از مهم‌ترین قسمت‌های علم متالورژی، استخراج فلزات از منابع طبیعی آن‌ها (برای مثال معادن) است. در متالورژی، فلزات استخراج می‌شوند و سپس روی آن‌ها فرآیند‌هایی انجام می‌شود تا بتوان آن‌ها را برای کاربرد‌های متنوع به کار برد. متالورژی درواقع یکی از کاربرد‌های علوم پایه و مهندسی روی عناصر فلزی است.

واژه متالورژی

برای اینکه بدانیم متالورژی چیست بهتر است به معنای کلمه آن پی ببریم. متالورژی از کلمه یونانی باستانی «متالوورگوس» به معنی «کسی که با فلزات کار می‌کند» گرفته شده است. این واژه از ترکیب دو واژه «متالون» به معنی معدن و فلز و واژه «ارگون» به معنی کار تشکیل شده است. پسوند «ورژی» در این کلمه به معنی فرآیند تولید است.

برخی از افراد به جای استفاده از کلمه متالورژی، از واژه «متالوژی» استفاده می‌کنند که با توجه به ریشه و معنای این کلمه، اشتباه است.

متالورژی مدرن

متالورژی مدرن بر روی درک و بهبود خواص فلزات تمرکز دارد. همچنین، در این علم به استانداردهای مورد نیاز صنایع مختلف مانند ساختمان‌سازی، تکنولوژی و تولیدات نیز توجه می‌شود. این علم اطمینان حاصل می‌کند که فلزات مورد استفاده انسان‌ها در کاربرد‌های مختلف، نه تنها از استحکام بالایی برخوردار باشند، بلکه به شکلی هوشمندانه برای استفاده انسان‌ها تغییر کرده باشند. به طور کلی، در متالورژی مدرن و امروزه، مطالعه فلزات به دو بخش متالورژی آهن و متالورژی غیر آهنی تقسیم می‌شود.

متالورژی آهن

متالورژی آهن، بر روی فلزاتی تمرکز دارد که ساختار اصلی آن‌ها از فلز آهن تشکیل شده است. این فلزات به دلیل استحکام بالا و دوام زیادی که دارند مورد توجه قرار می‌گیرند. این خواص، این مواد را به موادی پرکاربرد برای صنایع ساخت و ساز، تولیدات ماشینی و صنایع خوردو تبدیل کرده است.

 متالورژی غیر‌آهنی

متالورژی غیرآهنی بر موادی تمرکز دارد که در ساختار اصلی آن‌ها آهن وجود ندارد. در عوض، در این مواد از فلزاتی مانند مس، آلومینیوم و فلزات گرانبها مانند طلا و نقره استفاده شده است. این فلزات و مواد به دلیل وزن سبک، رسانایی الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی شناخته می‌شوند. این خواص این مواد را به گزینه خوبی برای صنایع الکترونیک، هوافضا، جواهرسازی و… تبدیل کرده است.

هردو این دسته‌بندی‌ها نقش مهمی در تکنولوژی مدرن امروزی و فرآیند‌های تولید دارند.

یادگیری مهندسی متالورژی با فرادرس

مهندسی متالورژی یکی از شاخه‌های علم مواد است که در آن بر روی ساختار، خواص و ویژگی‌های مواد فلزی مطالعه می‌شود. مهندسی متالورژی علمی است که به کمک آن می‌توان سازه‌های مناسب با ویژگی‌های منحصر به فردی را برای استفاده در صنایع مختلف تولید کرد. برای دانستن اینکه متالورژی چیست، ابتدا باید با مفاهیمی مانند عناصر، ساختمان اتمی فلزات، کریستالوگرافی، خواص فیزیکی و مکانیکی جامدات و… آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با این مباحث و مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش مهندسی متالورژی از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مباحث می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مهندسی متالورژی دسترسی داشته باشید.

اصول کلیدی متالورژی

در قسمت قبل آموختیم متالورژی چیست. متالورژی شامل مطالعه فلزات از زمان استخراج از سنگ معادن تا تولید وسایل مورد استفاده فلزی است. مهندسان متالورژی با استخراج فلزات، خالص کردن آن‌ها، بررسی ویژگی آن‌ها و بهبود آن خواص، فلزات را به موادی مناسب برای کاربردهای متفاوت تبدیل می‌کنند.

اصول کلیدی متالورژی در سه دسته متالورژی استخراجی و متالورژی فیزیکی و متالورژی مکانیکی مطالعه می‌شود. در ادامه، این موارد را توضیح می‌دهیم.

متالورژی استخراجی

این دسته از اصول متالورژی، بر استخراج فلزات از فرم سنگ معدنی آن‌ها یا فرم‌های دیگر بنا شده است. همچنین، این شاخه از متالورژی بر فرآیند‌هایی برای خالص‌سازی و بهبود فلزات متکی است. در متالورژی استخراجی از دو تکنیک پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی استفاده می‌شود. به این شاخه از علم متالورژی، متالورژی شیمیایی نیز گفته می‌شود.

پیرومتالورژی

این شاخه از متالورژی، یک شاخه اصلی و پایه مطالعه علم فلزات به شمار می‌آید. این شاخه شامل فرآیند‌های استفاده از گرما یا حرارت برای استخراج فلزات از فرم معدنی آن‌ها است. در طی فرآیندهای پیرومتالورژیک، استفاده از دماهای بسیار بالا، باعث تغییرات فیزیکی و شیمیایی ماده‌های مورد استفاده و جداسازی فلز از سایر مواد شیمیایی می‌شود.

تکنولوژی‌های استاندارد پیرومتالورژی، شامل برشته کردن سنگ معدن در حضور هوا است تا ناخالصی‌های آن‌ها جدا شود. همچنین، استفاده از فرآیند گداختن که باعث ذوب شدن عصاره فلز می‌شود استفاده می‌شود تا در آینده بتوان آن را تخلیص کرد.

هیدرومتالورژی

بر خلاف پیرومتالورژی، هیدرومتالورژی از فرآیند‌های پایه آب برای استخراج و خالص‌سازی فلزات استفاده می‌کند. این فرآیندها به خصوص برای فلزاتی که ممکن است پاسخ خوبی به دماهای بالا نداشته باشند استفاده می‌شود. تکنیک‌های هیدرومتالورژیکی شامل فروشویی (leaching) است که در آن با استفاده از محلول مناسب، فلز مورد نظر از ناخالصی‌ها جدا می‌شود.

در این روش، فلزات با استفاده از حلالی مناسب، استخراج می‌شوند. سپس ناخالصی‌های موجود در آن‌ها با استفاده از روش‌های رسوب‌دهی جداسازی می‌شود. همچنین در این روش از فرآیند افت فشار نیز برای جداسازی فلز از ناخالصی‌های موجود استفاده می‌شود. هیدرومتالورژی معمولا فلزاتی مانند طلا، مس و اورانیوم را استخراج می‌کند زیرا این روش به صرفه و دوست‌دار محیط‌زیست است.

متالورژی فیزیکی

متالورژی فیزیکی، علم شکل‌دهی و بهبود مواد فلزی است. این علم شامل مطالعه ساختار بلوری فلزات، خواص مکانیکی، خواص الکتریکی و مغناطیسی و خواص شیمیایی آن‌ها است. مهم‌ترین عناصر متالورژی فیزیکی، متالورژی پودری و آلیاژ ‌سازی است.

• متالورژی پودری: این شاخه شامل تولید مواد و ترکیباتی از پودر فلزات است.
• آلیاژسازی: این فرآیند شامل ترکیب عناصر مختلف فلزی برای بهبود کیفیت آن‌ها به عنوان محصول‌نهایی است.

دانسنتن این که متالورژی چیست و دانستن جنبه‌های آن به دانشمندان کمک می‌کند تا فلزات را شناسایی، پردازش و تبدیل به مواد و محصولات جدید با خواص گسترده و کاربرد‌های متنوع کنند.

متالورژی مکانیکی

متالورژی مکانیکی با جنبه‌های مکانیکی کار با فلزات مانند نوردکاری (غلتش)، آهنگری، روزن‌رانی، شکل‌دهی چرخشی، مهرزنی (پرس‌کاری)، ماشین‌کاری و غیره سروکار دراد. این شاخه از متالورژی بیشتر روی اصول مهندسی مواد فلزی کار می‌کند.

یکی از مهم‌ترین مباحثی که متالورژی مکانیکی بر روی آن متمرکز است، نحوه جواب‌دهی فلز به نیروی وارد شده است. همچنین، این شاخه از متالورژی شامل انجام دادن تست‌ها و آزمایش‌های متالورژی برای سنجش خواص مکانیکی مواد فلزی مانند سختی و خستگی است.

شاخه‌های متالورژی

در قسمت‌های قبل آموختیم متالورژی چیست و اصول پایه آن کدامند. همانطور که اشاره شد،‌ متالورژی بر پایه اصول متالورژی استخراجی، مکانیکی و فیزیکی بنا شده است. این اصول، مباحث گسترده‌ای را شامل می‌شوند.

بر اساس این اصول و مباحث مطالعه شده در این علم، متالورژی به چند شاخه تقسیم می‌شود و دانشمندان با مطالعه بر روی این شاخه‌ها، به خواص فلزات پی‌میبرند و در بهبود کاربرد‌ها و ویژگی‌های آن‌ها می‌کوشند. در ادامه این شاخه‌ها را بررسی می‌کنیم.

متالورژی آلیاژ

متالورژی آلیاژ بر مطالعه و تولدید آلیاژ‌های فلزی تمرکز دارد. آلیاژهای فلزی، ترمیباتی از دو یا چند فلز هستند که خواصی کاربردی‌تر از فلزات به کشل خالص دارند. این شاخه بر ترکیب فلزات مختلف برای دست‌یابی به خواص مورد نظر مانن استحکام، مقاومت برابر خوردگی یا خواص مغناطیسی و الکتریکی خاص تمرکز دارند.

متالورژی استخراج

متلورژی استخراج شامل استخراج فلزات از منابع آن‌ها مانند سنگ معدن و استفاده از تکنیک‌هایی مانند خرد کردن، پودر کردن و واکنش‌های شیمیایی برای خالص‌سازی این فلزات از آلودگی‌ها و ناخالصی‌ها است. استخراج فلزات یکی از مهم‌ترین قدم‌ها در علم متالورژی است. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با روش استخراج و مراحل آن، مطلب «استخراج آهن چگونه انجام می‌شود» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

متالورژی آهن

این شاخه از متالورژی شامل فرآیند‌هایی مانند ریخته‌گری و ذوب سنگ آهن و شکل‌دهی به آن با استفاده از روش‌هایی مانند ریخته‌گری و عملیات حرارتی است. این شاخه، بر روی بهبود استحکام و بادوام بود آهن و فولاد تمرکز دارد.

آنالیز متالورژیک

آزمایش و تحلیل متالورژیکی شامل بررسی ویژگی‌ها، ترکیب و عملکرد فلزات برای ارزیابی کیفیت آن‌ها است. این فرآیند از روش‌های میکروسکوپی، طیف‌سنجی و آزمون‌های مکانیکی برای سنجش خواص فلزات استفاده می‌کند.

متالورژی غیرآهنی

متالورژی غیرآهنی فراتر از آهن و فولاد است و روی فلزاتی مانند آلومینیوم، مس، سرب، روی، نیکل و آلیاژهای آن‌ها تمرکز دارد تا ویژگی‌ها و کاربردهای منحصربه‌فرد آن‌ها را کشف کند. این فرآیند شامل استخراج، پالایش، آلیاژسازی، ریخته‌گری و شکل‌دهی است و فلزاتی را تولید می‌کند که در هوافضا، الکترونیک، ساخت‌وساز و صنعت خودروسازی کاربرد گسترده‌ای دارند.

متالورژی پودری

این شاخه متالورژی با پودرهای فلزی سرکار دارد. در این شاخه، با ترکیب مواد اولیه به صورت پودری، امکان اتصال آن‌ها به هم و تولید اشکال مختلف فراهم می‌شود. متالورژی پودری به دلیل کاهش هزینه تولید، امکان ساخت اشکال پیچیده و بهبود خواص مواد در صنایع خودروسازی، پزشکی و کالاهای مصرفی کاربرد دارد.

متالورژی پودر یکی از کاربردی‌ترین روش‌ها برای تولید قطعاتی است که شکل و ساختار پیچیده‌ای دارند و تولید آن‌ها به روش استخراجی و ریخته‌گری ممکن نیست. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی با این شاخه متالورژی و روش‌ها و اصول آن، فیلم آموزش مهندسی پودر یا متالورژی پودر فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

متالورژی فیزیکی

متالورژی فیزیکی به بررسی ویژگی‌های فیزیکی و رفتار فلزات در سطح اتمی و ریزساختاری می‌پردازد. این شاخه ساختار بلوری، اندازه دانه‌ها و عیوب فلزات را مطالعه می‌کند تا تاثیر آن‌ها را بر خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی تعیین کند.

رشته مهندسی متالورژی

رشته مهندسی متالورژی در ایران در مقطع دانشگاه و هنرستان ارائه می‌شود. در هنرستان، این رشته شامل دروسی مانند تولید قطعات فلزی، ذوب‌گری و ریخته‌گری، قابل‌گیری و آلیاژسازی و… است. دانش‌آموزان در این رشته می‌توانند پس از به پایان رساندن مقطع هنرستان و دریافت دیپلم، این رشته را تا مقاطع فوق‌دیپلم، کارشناسی، ارشد و دکترا ادامه دهند.

مقطع دانشگاهی این رشته با نام مهندسی مواد و متالورژی در مقطع کارشناسی ارائه می‌شود. دانشجویان این رشته می‌توانند تحصیلات خود را تا مقاطع بالاتر ارشد و دکترا در زیرشاخه‌‌هایی ادامه دهند. در ادامه توضیح داده‌ایم زیرشاخه‌های مقطع ارشد مهندسی متالورژی چیست.

• شناسایی و انتخاب مواد مهندسی
• سرامیک
• شکل دادن به فلزات
• جوشکاری
• ریخته‌گری
• استخراج فلزات
• خوردگی و حفاظت از مواد
• نانو مواد

اصطلاحات پایه در متالورژی

در قسمت‌های قبل اموختیم متالورژی چیست و شامل چه فرآیندها و شاخه‌هایی است. این علم با ساختار مواد و فلزات سروکار دارد و دانشجویان در زمان مطالعه این علم، با اصطلاحات پایه مربوط به فلزات و فرآیند‌های آن‌ روبه‌رو می‌شوند. برخی از این اصطلاحات در ادامه توضیح داده شده است.

فلز

یکی از راه‌های دانستن اینکه متالورژی چیست، شناخت فلزات است. فلزات، موادی غیرآلی (معدنی) هستند که در ساختار مولکولی آن‌ها از اتم‌های فلزی استفاده شده است. این مواد ممکن است موادی غیرفلزی نیز داشته باشند اما بیشتر ساختار آن‌ها را فلزات تشکیل داده‌اند. بیشتر عناصر کشف شده تا به امروز از نوع فلز هستند. این فلزات باید از سنگ‌های معدن حاوی آن‌ها استخراج شوند.

مهندسان متالورژی با استخراج و انجام فرآیندهایی روی فلزات، آن‌ها را به محصولات و وسایل مناسبی برای استفاده در صنایع مختلف و کاربردهای مختلف تبدیل می‌کنند.

ساختار بلوری

مواد فلزی معمولا از ساختار‌های بلوری تشکیل شده‌اند که مهندسان متالورژی در مطالعه این ساختار‌ها با آن‌ها آشنا می‌شوند. این ساختار‌ها، اشکال و ابعاد ویژه‌ای دارند و دلیل بسیاری از خواص منحصر به فرد فلزات مانند رسانایی الکتریکی هستند.

آلیاژ فلزی

آلیاژ فلزی از ترکیب دو یا چند فلز مختلف به دست می‌آید. آلیاژسازی نیز یکی دیگر از مباحثی است که مهندسان مواد و متالورژی به آن می‌پردازند. طی فرآیند آلیاژ‌سازی ممکن است مواد جدیدی تولید شود که ویژگی‌های مطلوب و مورد نظر بهتری از ماده اولیه را به عنوان فلز خالص داشته باشد.

محصولات متالورژی

محصولات متالورژیکی اغلب در بیشتر صنایع استفاده می‌شوند و ارزش بالایی دارند. متالورژی فرآیند خالص‌سازی و بهبود فلزات برای استفاده در کاربرد‌های مختلف است. هریک از محصولات متالورژی برای کاربرد‌های خاصی و با ویژگی‌های خاصی تولید می‌شوند. برخی از شناخته‌شده‌ترین محصولات متالورژی مواردی چون آلیاژهای فلزی، صفحات، ورقه‌ها و فویل‌ها، لوله‌ها و تیوب‌ها، فلزات ریخته‌گری شده و فلزات جوشکای هستند. در ادامه توضیح می‌دهیم هریک از این محصولات متالورژی چیست.

آلیاژهای فلزی

آلیاژها ترکیبی از دو یا چند فلز هستند که برای ترکیب ویژگی‌های آن‌ها طراحی شده‌اند. فولاد، که یک آلیاژ آهن-کربن است، به دلیل استحکام بالا و تطبیق‌پذیری گسترده، در صنایع ساختمان‌سازی و تولید نفت و گاز به‌طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، آلیاژهای تیتانیوم در صنایع هوافضا و نفت و گاز برای کاربردهایی که به مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی نیاز دارند، به کار گرفته می‌شوند.

صفحه، ورقه و فویل

این صفحات نازک و مسطح که از فلزات مختلف ساخته می‌شوند، به طور گسترده در صنایع تولید، ساخت‌وساز و حمل‌ونقل مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، ورق‌های فلزی در ساخت چارچوب‌های سازه‌ای سکوهای نفت و گاز به کار می‌روند تا وزن‌های سنگین و شرایط آب‌وهوایی سخت را تحمل کنند.

لوله و تیوب

علم متالورژی نقش اساسی در تولید لوله‌ها و تیوب‌ها برای صنایعی مانند نفت و گاز دارد. در این صنایع مواد باید در برابر خوردگی و شرایط فشار بالا مقاوم باشند. لوله‌های فولاد ضدزنگ به طور گسترده برای انتقال نفت، گاز و مواد شیمیایی استفاده می‌شوند، در حالی که آلیاژهای تخصصی در حفاری‌های عمیق دریایی و خطوط لوله در معرض محیط‌های خورنده به کار می‌روند.

ریخته‌گری

فلزات را می‌توان در قالب‌ها ریخته و به اشکال پیچیده تبدیل کرد. ریخته‌گری یکی از روش‌های رایج در تولید بلوک‌های موتور، توربین‌ها و شیرآلات است. این فرآیند در صنعت نفت و گاز اهمیت زیادی دارد، زیرا امکان ساخت تجهیزات بادوامی را فراهم می‌کند که قادر به تحمل شرایط تنش بالا هستند.

مواد جوشکاری و اتصال

متالورژی شامل تولید مواد مورد نیاز برای جوشکاری و اتصال فلزات نیز می‌شود. این موضوع در ساخت و نگهداری خطوط لوله، سکوهای دریایی و پالایشگاه‌ها در صنعت نفت و گاز اهمیت زیادی دارد. پیشرفت‌های متالورژیکی منجر به توسعه الکترودهای جوشکاری قوی‌تر و روش‌های اتصال پیشرفته‌تر شده است که اتصالاتی مقاوم و بدون نشتی را در تجهیزات حیاتی تضمین می‌کند.

فرآیندهای متالورژی

در قسمت‌های قبل آموختیم متالورژی چیست و مهم‌ترین مفاهیم آن کدامند. تولید فلزات شامل مراحل دقیقی است که مواد اولیه را به مواد مستحکم و کاربردی تبدیل می‌کند. در این فرآیند، فلزات از سنگ معدن استخراج، تصفیه و به شکل‌های مورد نیاز تبدیل می‌شوند.

این مراحل به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که فلزات با استانداردهای کیفی بالا سازگار باشند و در صنایع مختلف به کار روند. این فرآیندها شامل مواردی مانند فلزکاری، عملیات حرارتی، آبکاری و سایر فرآیندهایی هستند که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

فلزکاری

فرآیندهای فلزکاری شامل شکل‌دهی، برش و اتصال فلزات برای تولید قطعات و محصولات مختلف است. روش‌هایی مانند آهنگری، جوشکاری و ماشین‌کاری در این دسته قرار می‌گیرند. در ادامه، روش‌های شکل‌دهی فلزات را نام می‌بریم.

• ریخته‌گری: در این روش، فلز مذاب در قالب ریخته می‌شود. برای مثال، ریخته‌گری تحت فشار و ریخته‌گری ماسه‌ای از این نوع هستند.
• آهنگری: یک قطعه فلز گداخته با ضربات چکش به شکل مورد نظر درمی‌آید.
• نورد: قطعه فلزی از میان مجموعه‌ای از غلتک‌های پی‌درپی عبور داده می‌شود تا به شکل ورق درآید.
• اکستروژن: فلز داغ و شکل‌ پذیر تحت فشار از یک قالب عبور داده می‌شود تا قبل از سرد شدن، به شکل مطلوب برسد.
• ماشین‌کاری: دستگاه‌هایی مانند تراش، فرز و مته، فلز را در دمای محیط برش داده و شکل می‌دهند.
• تف جوشی: در این روش، فلز پودری در یک محیط غیر اکسیدکننده فشرده و سپس حرارت داده می‌شود.
• ساخت و مونتاژ: ورق‌های فلزی با قیچی‌های گیوتینی یا برش گازی برش داده شده و از طریق خمکاری و جوشکاری به شکل‌های سازه‌ای تبدیل می‌شوند.
• روکش‌دهی لیزری: پودر فلزی از طریق یک پرتو لیزر متحرک دمیده شده و پس از ذوب، بر روی یک سطح قرار می‌گیرد تا یک لایه جامد تشکیل شود.

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی با گرم و سرد کردن کنترل‌شده فلزات، خواص فیزیکی و مکانیکی آن‌ها را تغییر می‌دهد و باعث افزایش سختی، استحکام و سایر ویژگی‌های مطلوب می‌شود. برخی از روش‌های رایج عملیات حرارتی در ادامه توضیح داده شده اند.

بازپخت (Annealing)

در این روش، فلز تا دمای مشخصی گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شود. این روش، تنش‌های داخلی فلز را از بین برده و باعث می‌شود دانه‌های فلز بزرگ‌تر شده و لبه‌های آن نرم شوند. در نتیجه این فرآیند، به جای اینکه فلز در برابر ضربه بشکند، در برابر آن خم شده یا فرو می‌رود.

این روش باعث می‌شود فرآیند‌های دیگر مانند برش و سوهان‌کاری روی فلز آسان‌تر انجام شوند.

سردکردن سریع (Quenching)

در این روش، فلز پس از گرم شدن به سرعت سرد می‌شود. این کار باعث می‌شود که مولکول‌های فلز در فاز بسیار سخت باقی بمانند، که باعث افزایش سختی فلز می‌شود.

تمپرینگ (Tempering)

این روش، تنش‌های ایجادشده در فلز را که ناشی از سخت‌کاری است، کاهش می‌دهد. در نتیجه، فلز کمی نرم‌تر می‌شود و توانایی آن برای تحمل ضربات و فشار بدون شکستن افزایش می‌یابد.

آبکاری

آبکاری با ایجاد یک لایه فلزی روی سطح فلز دیگر، ظاهر، مقاومت در برابر خوردگی و دوام قطعات را بهبود می‌بخشد. این روش یک روش پرداخت سطحی شیمیایی است که در آن یک لایه نازک از فلزی دیگر مانند طلا، نقره، کروم یا روی بر سطح محصول اعمال می‌شود. این فرآیند با استفاده از یک الکترولیت حاوی فلز پوشش‌دهنده انجام می‌شود. برای این کار، دو الکترود با جنس‌های مختلف نیاز است.

• الکترو پوشش دهنده (مانند طلا یا نقره)
• الکترود دریافت کننده (فلزی که می‌خواهیم روی آن آبکاری انجام دهیم.)

در این روش مانند روش‌های الکتروشیمیایی، با اعمال جریان الکتریکی، یون‌های فلز از محلول الکترولیت به سطح قطعه کار چسبیده و لایه‌ای یکنواخت تشکیل می‌دهند.

شاتپینینگ (Shot Peening)

شات‌پینینگ با پرتاب ذرات فلزی ریز به سطح قطعات، دوام و مقاومت در برابر خستگی فلزات را افزایش می‌دهد. این روش یک روش برای پرداخت فلزات است. پرتاب ذرات زیر روی سطح فلز گودال‌های ریزی را روی سطح ان به وجود می‌آورد که مانند ضربات ریز چکش است. این کار باعث افزایش استحکام فلز و مقاومت آن در برابر خستگی، خوردگی و شکستن می‌شود.

پاشش حرارتی

پاشش حرارتی شامل ذوب کردن مواد فلزی یا سرامیکی و پاشیدن آن‌ها روی سطوح است تا پوشش‌های محافظ ایجاد شده یا قطعات فرسوده ترمیم شوند. این روش که یک روش حرارتی صنعتی است، شامل یک منبع حرارت مانند شعله و مواد ابکاری است که می‌تواند به صورت پودر یا مفتولی باشد که ابتدا ذوب شده و سپس به سطح فلز اسپری می‌شود.

این فرآیند ممکن است نام‌های دیگری مانند HVOF (سوخت اکسیژن جریان بالا)، پاشش پلاسما، پاشش شعله، پاشش قوسی و فلزکاری داشته باشد.

عملیات سطحی

عملیات سطحی برای اصلاح لایه بیرونی فلزات انجام می‌شود و معمولا به بهبود مقاومت در برابر خوردگی یا افزایش چسبندگی رنگ و پوشش‌ها کمک می‌کند.

این فرآیندها در کنار هم قطعات و محصولات فلزی متنوعی را تولید کرده و در صنایع مختلف کاربرد دارند.

تست‌های متالورژی

منظور از تست‌های متالورژی، آزمایش‌های کیفیت سنجی است که مهندس متالورژی بر روی فلزات انجام می‌دهد تا از مناسب بودن آن‌ها برای کاربرد مورد نظر مطمئن شود. تست‌های کیفیت سنجی فلزات در صنایع انرژی مانند صنایع نفت و گاز، صنایع آب و صنایع هسته‌ای به دلیل حساس بودن شرایط بسیار مهم است.

هر قطعه فلزی که برای استفاده در این صنایع تولید می‌شود، باید تست شود تا کارایی لازم را برای عملکرد صحیح و طولانی مدت در این صنایع داشته باشد. تست‌های متالورژی به شکلی به خصوص شرایط قرار‌گیری و استفاده از فلز و همچنین، ساختار شیمیایی ماده را در نظر می‌گیرد. در روش‌های تست متالورژی، تجهیزات ماکروسکوپی برای اندازه‌گیری برخی از خواص فلزات استفاده می‌شود.

برخی از روش‌های تست محصول در رشته متالورژی، در ادامه آورده شده است.

• آنالیز و تحلیل ساختار شیمیایی
• تست سختی
• تست تنش‌پذیری
• تست خستگی
• تست ضربه
• تحلیل ساختار میکروسکوپی مواد (میکرواستراکچر)

برای اینکه بدانیم کاربرد این تست‌ها در متالورژی چیست، باید با برخی از خواص مواد فلزی آشنا شویم. این تست‌ها در واقع برای اندازه‌گیری و سنجش برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی و شیمیایی مواد فلزی مانند سختی و آلودگی سطح است. در ادامه، برخی از این ویژگی‌های مورد آزمایش نام برده شده است.

• نوع ماده
• گرید ماده
• خلوص ماده
• مقاومت در برابر ضربه
• سختی
• الاستیسیته
• اندازه ذرات
• الودگی سطح
• نقص‌های ماده

تاریخچه متالورژی

در قسمت‌ها قبل آموختیم متالورژی چیست. متالورژی علم شناخت و شکل دهی فلزات است و این علم تاثیر مهمی بر تمدن انسان‌ها داشته است. حدود ۶۰۰۰ سال پیش از میلاد، انسان‌ها آموختند که فلزات را از سنگ‌ها استخراج کرده و آن‌ها را به ابزار و اشیای زینتی تبدیل کنند. مس به دلیل فراوانی و راحت بودن کار با آن به شکلی گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفت. طلا و نقره نیز به دلیل کمیاب بودن و درخشان بودن، بیشتر جنبه تزئینی داشتند.

پس از آن، علم متالورژی پیشرفتی چشم‌گیر داشت و می‌توان این پیشرفت‌ها را در سه دسته عصر برنز، عصر آهن و متالورژی نوین بررسی کرد.

عصر برنز

حدود ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، کشف برنز که آلیاژی از مس و قلع بود باعث تحولاتی مهم در استفاده از فلزات شد. برنز قوی‌تر و بادوام‌تر از مس خالص بود و می‌توانست در اشیای مختلف و وسایل کشاورزی مورد استفاده قرار بگیرد.

این پیشرفت‌ها به بهبود ابزارها، کشاورزی و شکل‌گیری تمدن‌های پیچیده‌تر منجر شد. تمدن‌های بین‌النهرین، مصر و دره سند، با تکیه بر این پیشرفت‌ها، رشد کردند.

عصر آهن

از حدود ۱۲۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، آهن جایگزین برنز شد. آهن به دلیل منابع بیشتر و استحکام بالاتر، به ماده‌ای مهم‌تر برای ساخت ابزار تبدیل شد.

هیتی‌ها، در آناتولی (ترکیه امروزی)، از اولین تمدن‌هایی بودند که مهارت زیادی در کار با آهن پیدا کردند. این تحولات موجب بهبود کشاورزی، جنگ‌ها و حمل‌ونقل شد و زندگی بسیاری از تمدن‌ها را دگرگون ساخت.

متالورژی نوین

در قرن‌های هجدهم و نوزدهم، با انقلاب صنعتی، متالورژی وارد دوره‌ای جدید شد. روش‌هایی مانند فرآیند بسمر (Bessemer process) و کوره‌های روباز (open-hearth furnaces) باعث شدند تولید فولاد و آهن ارزان‌تر و آسان‌تر شود. این تحولات به ساخت راه‌آهن، ساختمان‌ها، ماشین‌آلات و زیرساخت‌ها انجامید و مسیر پیشرفت‌های فناوری را هموار کرد.

در قرن بیستم، متالورژی همچنان با کشف آلیاژهای جدید و توسعه مواد تخصصی برای کاربردهای مختلف پیشرفت کرد. دانشمندان و متالورژیست‌ها ترکیب‌های جدیدی پیدا کرده و مواد خاصی برای کاربردهای مختلف توسعه دادند.

فولاد ضد زنگ، آلیاژهای آلومینیوم و سوپرآلیاژها دامنه ویژگی‌ها و کاربردهای موجود برای مهندسان و تولیدکنندگان را گسترش دادند. از طریق تکنیک‌هایی مانند میکروسکوپ الکترونی و مدل‌سازی محاسباتی، تحقیقات متالورژی به درک بهتر فلزات در سطح اتمی و ریزساختاری کمک کرد.

این کشفیات و یشرفت‌ها، کم بزرگی به پیشرفت صنایعی مانند هوافضا، اکترونیک، انرژی و پزشکی کردند.

تفاوت متالورژی و علم مواد

برای اینکه بدانیم تفاوت علم مواد و متالورژی چیست، ابتدا باید با تعریف هریک آشنا شویم. علم مواد به بررسی انواع مواد، از فلزات و پلاستیک‌ها گرفته تا منسوجات و مواد طبیعی می‌پردازد، در حالی که متالورژی به طور ویژه بر مطالعه فلزات تمرکز دارد. در واقع، متالورژی یکی از زیرشاخه‌های علم مواد به شمار می‌رود که به شکلی تخصصی روی ساختار، واکنش‌ها و تغییر شکل و تولید فلزات و ترکیبات آن‌ها تمرکز دارد.

اهمیت متالورژی

متالورژی در تولید هواپیماهای مدرن، وسایل نقلیه (مانند خودروها، قطارها و کشتی‌ها)، سازه‌های ساختمانی، تجهیزات پزشکی کاشتنی، سازهای موسیقی و بسیاری از محصولات دیگر نقش کلیدی دارد. این علم شامل شاخه‌هایی مانند پیرومتالورژی، هیدرومتالورژی، الکترومتالورژی و بیومتالورژی است.

پیرومتالورژی بر توسعه ترکیبات معدنی جدید و بهینه برای تولید فلزات تمرکز دارد، در حالی که هیدرومتالورژی به بهبود خلوص مواد معدنی و استخراج درصد بیشتری از فلزات مفید می‌پردازد. از سوی دیگر، بیومتالورژی بر استخراج فلزات گران‌بها از ترکیبات طبیعی تمرکز دارد و به تولید آلیاژهای باکیفیت برای استفاده در کاتالیست‌ها و صنایع الکترونیک کمک می‌کند.

این تمایز میان متالورژی و سایر علوم اهمیت بالایی دارد، زیرا متالورژی یکی از پرکاربردترین علوم در دنیای مدرن است. همچنین، متالورژی تنها حاصل پیشرفت فناوری نیست، بلکه خود یکی از عوامل اصلی شکل‌گیری آن محسوب می‌شود.

یادگیری مهندسی جوش با فرادرس

مهندسی جوش یکی از رشته‌های تخصصی مهندسی متالورژی است که در مقاطع ارشد و دکترای علم مواد شاخه متالورژی نیز ارائه می‌شود. این رشته یکی از پرکاربرد‌ترین و پردرآمدترین شاخه‌های متالورژی است و ترکیبی از علوم مهندسی مواد، مهندسی مکانیک، مهندسی هوافضا و مهندسی جوش است. برای یادگیری مهندسی جوش ابتدا باید با مفاهیمی چون فرآیند‌های جوشکاری، متالورژی جوش فولاد‌های کربنی و ضدزنگ، متالورژی آلیاژ‌های غیرفلزی و غیره اشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش مهندسی جوش فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضبح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره مهندسی جوش دسترسی داشته باشید.

کاربرد متالورژی چیست؟

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم متالورژی چیست. فلزات و محصولات معدنی با کاربردهای بی‌پایان در اطراف ما وجود دارند. فناوری نیز در همه بخش‌های زندگی مدرن حضور دارد و وابستگی زیادی به فلزات، چه به عنوان مواد اولیه و چه به عنوان اجزای ماشین‌آلات مدرن، خودروها، ابزارها، باتری‌ها و سایر تجهیزات دارد. محصولات فلزی در ساخت‌وساز، حمل‌ونقل و ارتباطات نقش کلیدی دارند.

بخش بزرگی از اقتصاد کشورها بر پایه فناوری است و این موضوع نیاز به توسعه مواد و فرآیندهای متالورژیکی را دوچندان می‌کند. تامین کافی فلزات برای حفظ کیفیت زندگی در جوامع مدرن، امری ضروری است که متالورژی نقشی اساسی در آن ایفا می‌کند.

مهندسان متالورژی در بخش‌های مختلف صنعت حضور دارند و هدف آن‌ها طراحی محصولات به گونه‌ای است که میزان پسماند را کاهش داده، بازده انرژی را افزایش داده و عمکرد را بهبود ببخشند. این متخصصان در صنعت‌های مختلف در بخش‌هایی مانند متالورژی سطحی، متالورژی استخراجی (عمیق) و بازیافت کار می‌کنند.

• متالورژی سطحی: در این حوزه، مهندسان متالورژی روی فرآیندهای متالورژیکی، ساخت تجهیزات پردازشی و ارزیابی عملکرد مواد کار می‌کنند.
• متالورژی استخراجی: در این حوزه، مهندسان متالورژی به استخراج سطحی و پالایش فلزات، جداسازی فلزات از مواد معدنی و فراوری آن‌ها به ترکیبات غیرفلزی و فلزات از طریق فرآیندهایی مانند پالایش و واکنش‌های شیمایی می‌پردازند.
• بازیافت: در این حوزه، متخصصان متالورژی سیستم‌های بازیافت را بهبود می‌بخشند و آن‌ها را در فرآیند‌های تولید اعمال می‌کنند.

پیشرفت در متالورژی نتایج چشمگیری در توسعه فناوری داشته و منجر به تولید مواد جدیدی شده است که تقریبا در تمامی ماشین‌ها و دستگاه‌های مدرن یافت می‌شوند.