Steel: الفولاذ: المادة العظيمة التي تبني عالمنا

هل فكرت يومًا في المواد التي تصنع منها الجسور والسيارات وحتى الشوكة التي تستخدمها لتناول العشاء؟ الكثير منها مصنوع من الفولاذ! أعتقد أن الفولاذ هو أحد أعظم الأشياء التي صنعت على الإطلاق. إنه قوي جدًا، ويمكن تشكيله بأي شكل تقريبًا، ويمكننا إعادة تدويره لاستخدامه مرارًا وتكرارًا. ستعرض لك هذه المقالة كل شيء عن عالم الفولاذ الرائع. سننظر في ماهيته، وكيف يصنعه الناس، ولماذا هو جزء كبير من حياتنا اليومية.

ما هو الفولاذ، حقًا؟

أتذكر أول مرة اكتشفت فيها الفولاذ. اعتقدت أنه مجرد نوع من المعدن، وهو كذلك. لكنه نوع خاص من المعدن. الفولاذ هو سبيكة من الحديد والكربون. السبيكة هي ما يتم صنعه عند خلط معدن بأشياء أخرى. تخيل الأمر وكأنه خبز كعكة. تبدأ بالدقيق (هذا هو الحديد الخاص بنا)، وتضع فيه أشياء أخرى مثل السكر والبيض (هذا هو الكربون والعناصر الأخرى) لجعله مثاليًا. الأجزاء الرئيسية في الفولاذ هي الحديد والكربون. إضافة هذا الشيء الواحد يجعل الحديد أقوى بكثير. استخدم الناس الحديد لآلاف السنين، ولكن عندما تعلموا كيفية إضافة الكربون، ولد الفولاذ وغير العالم.

كمية الكربون، أو محتوى الكربون فيه، مهمة جدًا. يمكن أن يغير شكل الفولاذ. كمية صغيرة من الكربون تصنع نوعًا مختلفًا من الفولاذ عن كمية كبيرة من الكربون. يحتوي معظم الفولاذ على كمية صغيرة جدًا من الكربون، غالبًا ما تقل عن 2٪. هذه الكمية الصغيرة هي التي تمنح الفولاذ قوته الكبيرة وميزاته المفيدة الأخرى. لذلك، عندما تنظر إلى مبنى شاهق ضخم، يمكنك أن تكون ممتنًا للمزيج الخاص من الحديد والكربون الذي يضمن بقائه قائمًا.

كيف يصنع الناس الفولاذ؟

صنع الفولاذ مهمة شديدة الحرارة! يبدأ بخام الحديد، وهو نوع من الصخور يحتوي على الكثير من الحديد بداخله. أولاً، اكتشفت أن العمال يضعون خام الحديد في فرن عملاق يعرف باسم الفرن العالي. يصبح الجو حارًا جدًا بالداخل، أكثر من 1500 درجة مئوية! تستخدم الحرارة لصهر الحديد، مما يعني أنها تذيب الحديد بحيث يخرج من الصخر. يُعرف هذا الحديد المصهور باسم الحديد الزهر.

لكن الحديد الزهر ليس فولاذًا في هذه المرحلة. يحتوي على الكثير من الكربون وأشياء أخرى غير مرغوب فيها، تسمى عناصر الشوائب. لتحويله إلى فولاذ، يتم نقل الحديد الزهر إلى فرن مختلف، وهو أحيانًا فرن القوس الكهربائي. هنا، يتخلصون من الكربون الزائد والشوائب. إنه مشابه لتنظيف الحديد. يمكنهم أيضًا وضع أشياء أخرى، تسمى عناصر صناعة السبائك، في هذه المرحلة لصنع أنواع مختلفة من الفولاذ. إنها مثل وصفة دقيقة. بمجرد أن يصبح المزيج صحيحًا تمامًا، يتم سكب الفولاذ السائل وتبريده إلى أشكال عديدة، مثل العوارض وقضبان الفولاذ.

ما هو الفولاذ الكربوني؟

عندما تستمع إلى الناس يتحدثون عن الفولاذ، فإنهم عادة ما يتحدثون عن الفولاذ الكربوني. أعتقد أنه من الرائع أن الفولاذ الكربوني هو أحد أكثر الأنواع استخدامًا. كما يوحي الاسم، فإن الجزء الرئيسي من السبيكة هو الكربون. هناك أنواع مختلفة من الفولاذ الكربوني، ويتم فرزها حسب محتوى الكربون فيها. يحدد مستوى الكربون كيف سيكون الفولاذ، مثل مدى صلابته أو مرونته.

دعنا نتحقق من الأنواع الرئيسية. أولاً، هناك الفولاذ الطري، وهو نوع من الفولاذ منخفض الكربون. لا يحتوي على الكثير من الكربون. هذا يسمح بثنيه ولحامه بسهولة. نظرًا لأنه لا يكلف الكثير، يمكنك العثور عليه في كل مكان! بعد ذلك، لدينا الفولاذ متوسط الكربون. إنه أقوى قليلاً من الفولاذ الطري. يتم استخدامه في عناصر مثل قطع غيار السيارات. أخيرًا، هناك الفولاذ عالي الكربون. يحتوي هذا النوع على أكبر كمية من الكربون، مما يجعله صلبًا وقويًا جدًا. ولكن، هذه الصلابة الإضافية يمكن أن تجعله أيضًا أكثر هشاشة، مما يعني أنه قد ينكسر بدلاً من أن ينحني. الفولاذ عالي الكربون رائع لصنع الأدوات لأنه يبقى حادًا. إنه نوع من الفولاذ الكربوني العادي.

ما هو الفولاذ السبائكي؟

الآن، هذا هو المكان الذي يصبح فيه الأمر رائعًا جدًا بالنسبة لي. في بعض الأحيان، نحتاج إلى الفولاذ للقيام بأشياء أكثر روعة. قد نحتاج إليه لمنع الصدأ أو أن يكون قويًا جدًا جدًا. هذا هو الوقت الذي نصنع فيه الفولاذ السبائكي. يتم إنشاء الفولاذ السبائكي عن طريق وضع عناصر أخرى في خليط الفولاذ الكربوني. تمنح عناصر صناعة السبائك هذه الفولاذ قوى خاصة!

فكر في الأمر على أنه منح قوى خارقة لبطلنا، الفولاذ، الذي هو بالفعل قوي. بعض الأشياء التي تضاف غالبًا هي المنغنيز والنيكل والكروم والموليبدينوم والتنغستن. على سبيل المثال، يمكن أن تجعل إضافة الكروم الفولاذ المقاوم للصدأ، وهو رائع في منع الصدأ. يمكن أن يجعل وضع المنغنيز الفولاذ أكثر صلابة وأكثر قدرة على تحمل الكثير من الاستخدام. النيكل هو عنصر آخر يمكن أن يجعله أكثر صلابة ويساعد على وقف التآكل. يمكن للعلماء صنع آلاف من سبائك الفولاذ المختلفة لوظائف معينة. من أجزاء الفضاء إلى أدوات الأطباء، هناك سبيكة خاصة للوظيفة. هذا التنوع في الفولاذ يجعله مفيدًا جدًا.

هل سمعت عن الفولاذ المقاوم للصدأ؟

أنا متأكد من أن لديك فولاذًا مقاومًا للصدأ في مطبخك. من المحتمل أن تكون الملاعق والشوك وربما حوض المطبخ مصنوعة منه. الفولاذ المقاوم للصدأ هو نوع رائع من السبيكة المعروفة بكونها رائعة في عدم الصدأ. هذا يعني أنه لا يصدأ دون بذل الكثير من الجهد. يمكنك وضع شوكة من الفولاذ المقاوم للصدأ في الماء، وستظل لامعة. ستبدأ قطعة عادية من الفولاذ الكربوني في الصدأ وتتحول إلى لون بني.

ما هو الجزء السري؟ إنه عنصر صناعة السبائك المعروف باسم الكروم. لكي يطلق عليه الفولاذ المقاوم للصدأ، يجب أن يحتوي الفولاذ على ما لا يقل عن 10.5٪ من الكروم في تركيبه. يصنع الكروم غطاءً رقيقًا جدًا وشفافًا على الجزء العلوي من الفولاذ. إذا تم خدش هذا الغطاء، فإنه يصلح نفسه على الفور إذا كان هناك أكسجين في مكان قريب! في بعض الأحيان، يضيف المبدعون النيكل لجعله أقوى في مكافحة التآكل من الأحماض والأشياء الصعبة الأخرى. هذا هو السبب في أن الفولاذ المقاوم للصدأ رائع للعناصر الموجودة في الماء كثيرًا أو يجب أن تظل نظيفة جدًا.

ما هو فولاذ الأدوات؟

تخيل نفسك تحاول بناء منزل بدون مطرقة أو منشار. هذا لن يكون ممكنا! يجب أن يتم إنشاء الأدوات التي لدينا للقطع والتشكيل والبناء من شيء قوي جدًا جدًا. هذه هي مهمة فولاذ الأدوات. كما يمكنك أن تخبر على الأرجح من اسمه، فإن فولاذ الأدوات مخصص لصنع الأدوات. إنه نوع خاص من الفولاذ السبائكي المصمم ليكون صلبًا جدًا وقويًا وقادرًا على تحمل الحرارة والكثير من الاستخدام.

هناك أنواع عديدة من فولاذ الأدوات. يعتمد النوع الدقيق من فولاذ الأدوات على ما سيتم استخدامه من أجله. لجعلها بهذه الصلابة، غالبًا ما تتم معالجتها بالحرارة. هذا يعني تسخين المعدن إلى درجة حرارة عالية جدًا ثم تبريده بسرعة. يمكن أن يخلق هذا الإجراء شكلًا صلبًا جدًا في الفولاذ يُعرف باسم المارتينسيت. يتم وضع عناصر مختلفة مثل التنغستن والموليبدينوم لجعل فولاذ الأدوات مناسبًا لوظائف مختلفة. على سبيل المثال، يجب أن تظل بعض الأدوات حادة حتى لو أصبحت ساخنة جدًا من قطع معدن آخر. تمنح السبيكة الخاصة في فولاذ الأدوات هذه القدرة الرائعة على تحمل الحرارة.

هل يمكنك لحام الفولاذ؟

نعم، يمكنك بالتأكيد لحام الفولاذ! اللحام هو طريقة تجميع قطعتين من المعدن عن طريق صهرهما على الحواف والسماح لهما بالتبريد لتشكيل قطعة واحدة. إنه مشابه للصقهما، ولكن باستخدام الحرارة. نظرًا لأن الفولاذ قوي جدًا، فإن القدرة على لحامه مهمة جدًا. إنها تتيح لنا بناء أشياء كبيرة ومعقدة مثل السفن والمباني والجسور من قطع فولاذية أصغر.

ولكن، ليس كل الفولاذ بسيطًا في اللحام. يشتهر الفولاذ الطري بكونه سهل اللحام للغاية، أو قابل للحام. هذا سبب آخر لاستخدامه كثيرًا في البناء. مع زيادة محتوى الكربون في الفولاذ عالي الكربون، قد يكون من الصعب لحامه. يمكن أن تجعل الحرارة الناتجة عن اللحام الجزء المحيط باللحام هشًا. في بعض الأحيان، يتعين على اللحامين تسخين المعدن مسبقًا قبل لحامه لمنع حدوث ذلك. تعتبر القدرة على لحام سبيكة جزءًا مهمًا جدًا من سبب فائدتها لمشروع كبير.

كيف نغير خصائص الفولاذ؟

أحد أروع الأشياء التي اكتشفتها عن الفولاذ هو أنه يمكنك تغيير خصائصه الميكانيكية. إنه ليس هو نفسه لكل وظيفة. يمكنك جعله أكثر صلابة أو ليونة أو أكثر صلابة بناءً على ما تحتاجه. يتم ذلك عادة بالحرارة. تُعرف طريقة استخدام الحرارة لتغيير المعدن بالمعالجة الحرارية.

إحدى الطرق الشائعة هي تلدين الفولاذ. عندما تقوم بتلدين الفولاذ، فإنك تقوم بتسخينه ثم تسمح له بالتبريد ببطء شديد. هذا الإجراء يجعل الفولاذ أكثر ليونة وأكثر مرونة. المادة المرنة هي شيء يمكن سحبه إلى شكل سلكي وعدم كسره. وهذا ما يسمى بالمرونة. ولكن إذا كنت ترغب في جعل الفولاذ أكثر صلابة، يمكنك تسخينه إلى درجة حرارة عالية ثم تبريده بسرعة كبيرة، وهي طريقة تسمى التبريد. هذا يجعله أكثر صلابة ويزيد من قوة الشد، ولكنه يمكن أن يجعله أيضًا أكثر عرضة للهشاشة. لذلك، يحتاج المهندسون إلى إيجاد المزيج المناسب تمامًا لصنع الفولاذ الذي يعمل بشكل مثالي لوظيفة ما، بما في ذلك ميزات التصميم المحددة والتفاوتات الهندسية.

لماذا يعتبر الفولاذ سيئًا في مقاومة الصدأ؟

اعتدت أن أفكر في سبب ظهور بقع الصدأ على دراجتي إذا تركتها في المطر. الجواب هو التآكل. التآكل هو شيء يحدث في الطبيعة حيث يحاول المعدن النظيف العودة إلى ما كان عليه في البداية، مثل خام الحديد. بالنسبة للفولاذ، يُعرف هذا الإجراء بالصدأ. معظم أنواع الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك ليست رائعة في وقف الصدأ. عندما يلامس الحديد الأكسجين والماء، يحدث شيء كيميائي يصنع أكسيد الحديد، والذي نعرفه باسم الصدأ البني المحمر.

هذه مشكلة كبيرة لأن الصدأ يمكن أن يجعل الفولاذ أضعف وفي النهاية يجعله ينكسر. للحفاظ عليه آمنًا من الطقس، غالبًا ما يتم تغطية الفولاذ بشيء لحمايته. الطلاء هو غطاء سهل وشائع. هناك طريقة أخرى وهي الجلفنة، حيث يحصل الفولاذ على طبقة من الزنك في طريقة تسمى الجلفنة بالغمس الساخن. يحافظ الزنك على الفولاذ آمنًا من التآكل. هذا هو السبب في أن عناصر مثل مصابيح الشوارع والحواجز الواقية غالبًا ما يكون لها مظهر فضي معدني. الشيء المختلف، بالطبع، هو صديقنا اللامع، الفولاذ المقاوم للصدأ، الذي لديه طريقته الخاصة لوقف الصدأ!

هل يمكننا إعادة تدوير الفولاذ؟

نعم، وهذا هو أفضل جزء! الفولاذ هو أحد أكثر المواد المعاد استخدامها على وجه الأرض. أعتقد أن هذا خبر رائع لعالمنا. يمكن صهر جميع الفولاذ المستخدم تقريبًا في جميع أنحاء العالم وإعادة استخدامه، وسيكون جيدًا تمامًا. هذا يعني أنه يمكننا إعادة تدوير السيارات القديمة والأجهزة المنزلية وعلب الطعام لإنشاء عناصر فولاذية جديدة.

عندما نعيد تدوير الفولاذ، فإننا نوفر الكثير من الطاقة. يستخدم طاقة أقل بكثير لإعادة تدوير الفولاذ من إنشاء فولاذ جديد من خام الحديد. كما أننا نوفر أشياء من الطبيعة ونقلل من التلوث الناتج عن الحفر في المناجم ومن الفرن العالي. يتم جمع الفولاذ وفرزه ثم إحضاره إلى مصنع حيث يتم وضعه في فرن، عادةً ما يكون فرن القوس الكهربائي، ليتم صهره وتحويله إلى فولاذ جديد. تعتبر القدرة على إعادة تدوير هذا المعدن ببساطة أحد أكبر الأشياء الجيدة في استخدام الفولاذ كمادة تصنيع. إنها طريقة رائعة لمساعدة كوكبنا.

١. أشياء أساسية يجب تذكرها:

• الفولاذ معدن قوي جدًا مصنوع من الحديد والكربون ممزوجين معًا.
• كمية الكربون الموجودة في الفولاذ تغير شكله؛ الفولاذ الطري ناعم وسهل الانحناء، بينما الفولاذ عالي الكربون صلب جدًا.
• يحتوي الفولاذ السبائكي على أشياء أخرى مثل المنغنيز أو النيكل المضاف إليه لمنحه ميزات خاصة.
• الفولاذ المقاوم للصدأ هو سبيكة خاصة رائعة في وقف الصدأ والتآكل.
• يمكننا تغيير مدى صلابة أو تمدد الفولاذ عن طريق تسخينه، كما هو الحال عندما نقوم بتلدينه.
• الفولاذ رائع لأننا نستطيع إعادة تدويره لاستخدامه مرارًا وتكرارًا، مما يساعد كوكبنا.