كل شيء عن السبائك: دراسة متعمقة لعالم السبائك المعدنية

في هذا المنشور، ستكتشف ما هي السبيكة المعدنية، وكيف يتم تصنيعها، ولماذا هي ضرورية جدًا في حياتنا اليومية. سنكتشف الأنواع المختلفة من السبائك وخصائصها الفريدة، وسأشاركك أيضًا بعض الحقائق الممتعة حول إحدى أكثر السبائك شيوعًا التي نستخدمها كل يوم. لذا، إذا كنت تتساءل يومًا عن المواد التي تشكل عالمنا، فأنت في المكان الصحيح!

١. ما هو بالضبط سبيكة معدنية؟

السبيكة المعدنية هي مادة مصنوعة عن طريق الجمع بين عنصرين أو أكثر، على أن يكون أحدهما على الأقل معدنًا. فكر في الأمر على أنه وصفة، ولكن بدلاً من الدقيق والسكر، فإنك تستخدم معادن مختلفة وأحيانًا حتى مواد غير معدنية. يسمى المعدن الأساسي بالمعدن الرئيسي. عندما يتم خلط هذه الجوانب، فإنها تخلق منتجًا جديدًا بتركيبات مختلفة عن المكونات الأولية. هذا المنتج الجديد هو السبيكة. على سبيل المثال، الفولاذ هو سبيكة من الحديد والكربون.

النقطة الرائعة في السبيكة هي أنه يمكن إنشاؤها للحصول على ميزات محددة. من خلال تغيير "الطبق" أو تكوين السبائك، يمكننا صنع مواد أقوى أو أخف وزنًا أو أكثر مقاومة للتآكل. هذا هو السبب في أن السبائك ذات قيمة لا تصدق وتوجد في كل شيء تقريبًا نستخدمه، من العملات المعدنية في جيوبنا إلى الطائرات الموجودة في الأعلى. يستخدم مصطلح السبيكة لوصف هذه المواد المذهلة الموجودة حولنا. معظم السبائك التي نستخدمها اليوم هي نتيجة تجارب دقيقة لإنشاء منتجات ذات خصائص سكنية مرغوبة. يعد تطوير السبيكة إجراءً مثيرًا للاهتمام شكل عالمنا بعدة طرق.

كيف تختلف السبائك عن المعدن النقي؟

يتكون المعدن النقي من نوع واحد فقط من الذرات. فكر في سبيكة من الذهب الخالص؛ فهو يتكون من ذرات الذهب فقط. نظرًا لأن جميع الذرات لها نفس الحجم ومرتبة بطريقة أنيقة ومنظمة، فيمكنها التحرك بسهولة بجانب بعضها البعض. هذا هو السبب في أن العديد من الفولاذ النقي ناعم ويمكن ثنيه أو تصميمه بسهولة. في حين أن المعادن النقية لها استخداماتها، إلا أنها غالبًا ما تكون غير قوية بما يكفي للعديد من الأعمال.

من ناحية أخرى، السبيكة عبارة عن مزيج من جوانب مختلفة، لذلك فهي تتضمن ذرات بأحجام مختلفة. يؤدي هذا إلى تشويش الترتيب المنظم والمنظم للذرات الموجودة في المعدن النقي. إنه مثل محاولة تعبئة صندوق بكل من الكرات الكبيرة والصغيرة؛ فهي لا تتشابك بدقة مثل صندوق يحتوي على جميع الجولات ذات الحجم نفسه. هذا الهيكل غير المنتظم يجعل من الصعب على الذرات الموجودة في السبيكة التحرك بجانب بعضها البعض. ونتيجة لذلك، عادة ما تكون السبائك أكثر صلابة وأقوى من الفولاذ النقي. على سبيل المثال، الفولاذ، وهو سبيكة من الحديد والكربون، أقوى بكثير من الحديد النقي.

ما هي إحدى أكثر السبائك شيوعًا التي نستخدمها يوميًا؟

قد تندهش عندما تعلم عدد منتجات السبائك الشائعة التي تصادفها يوميًا. منذ اللحظة التي تستيقظ فيها، تكون محاطًا بسبائك مختلفة. الفولاذ المقاوم للصدأ في حوض المطبخ وأدوات المائدة هو سبيكة من الحديد والكروم وأحيانًا النيكل. من المحتمل أن تكون مفاتيح منزلك مصنوعة من النحاس الأصفر، وهو سبيكة من النحاس والزنك. حتى العملات المعدنية الموجودة في ميزانيتك مصنوعة من سبائك نحاسية مختلفة.

فيما يلي جدول يعرض بعض السبائك الشائعة واستخداماتها اليومية:

هذه مجرد أمثلة قليلة للعديد من السبائك التي تلعب دورًا حيويًا في حياتنا. إن استخدام السبائك واسع الانتشار لأنها توفر مجموعة من المباني المرغوبة التي لا تستطيع الفولاذ النقي وحده توفيرها.

كيف تصنع السبائك؟

إن إنشاء سبيكة يشبه إلى حد ما خبز الكعكة. عليك أن تمزج المكونات المناسبة بالكميات المناسبة ثم تسخنها. الطريقة الأكثر شيوعًا لصنع السبائك هي عن طريق صهر المعدن الأساسي ثم إضافة الجوانب المختلفة الأخرى، والتي تسمى جوانب صناعة السبائك. بمجرد ذوبان كل شيء وخلطه معًا، يتم وضع سبيكة السائل في قوالب وأعفان لتبرد وتتصلب. تخلق هذه العملية منتجًا قويًا بمجموعة جديدة من الخصائص الفيزيائية.

هناك طريقة أخرى لصنع سبيكة وهي من خلال إجراء يسمى تعدين المساحيق. في هذا النهج، يتم تحويل الجوانب المختلفة إلى مساحيق دقيقة، وخلطها معًا، ثم ضغطها وتسخينها في درجات حرارة عالية حتى تندمج. بغض النظر عن التقنية المستخدمة، فإن الهدف هو تطوير منتج جديد بصفات محسنة. يعد إجراء صناعة السبائك المعدنية خطوة حيوية في إنشاء الكثير من الأنواع المختلفة من السبائك التي نستخدمها اليوم.

‏ما هو تركيب السبائك؟

يشير هيكل السبائك إلى الجوانب المحددة وكمياتها التي تشكل السبيكة. هذه "الوصفة" هي التي تمنح كل سبيكة خصائصها الخاصة. على سبيل المثال، الفولاذ هو سبيكة من الحديد والكربون. تتم إضافة كمية صغيرة من الكربون، بشكل عام أقل من 2%، إلى الحديد لتطوير منتج أقوى بكثير. من خلال تغيير كمية الكربون، يمكننا إنشاء أنواع مختلفة من الفولاذ الكربوني بدرجات مختلفة من الصلابة والمتانة.

فيما يلي بعض السبائك الشائعة وهياكلها:

• نحاس: هذه سبيكة من النحاس والزنك. يمكن تغيير كميات النحاس والزنك لإنشاء أنواع مختلفة من النحاس الأصفر بألوان ومنازل مختلفة.
• برونزية: هذه سبيكة من النحاس والقصدير. لقد كانت مجرد واحدة من السبائك الأولية التي تم تطويرها على الإطلاق وكانت مهمة جدًا لدرجة أن لها فترة تاريخية كاملة سميت باسمها - العصر البرونزي.
• فولاذ مقاوم للصدأ: يتم تصنيع هذه السبيكة عن طريق إضافة الكروم وأحيانًا النيكل إلى الفولاذ. الكروم هو ما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومًا للصدأ والتآكل.
• سبيكة الألومنيوم: الألومنيوم الخفيف النقي ناعم للغاية، ولكن عن طريق إضافة كميات صغيرة من جوانب مختلفة أخرى مثل النحاس أو المغنيسيوم، يمكننا إنشاء سبائك ألومنيوم قوية وخفيفة الوزن.

يتم التحكم بعناية في التركيب الكيميائي للسبيكة لإنتاج الخصائص الفيزيائية والميكانيكية المرغوبة.

هل يمكنك شرح الصفات المختلفة للسبائك؟

السبائك مفيدة جدًا بسبب حقيقة أنها تحتوي على مجموعة متنوعة من المنازل المختلفة. من خلال الجمع بين جوانب مختلفة، يمكننا تطوير سبيكة بالسمات المناسبة تمامًا لمهمة معينة. على سبيل المثال، بعض السبائك قوية للغاية، في حين أن البعض الآخر خفيف للغاية. بعضها مقاوم للحرارة، في حين أن البعض الآخر ممتاز في توصيل الطاقة الكهربائية.

فيما يلي العديد من المباني الحيوية للسبائك:

• قوة: عادة ما تكون السبائك أقوى وأصعب من معادنها الأساسية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الذرات ذات الأحجام المختلفة في السبيكة تعطل التركيب الذري الطبيعي، مما يجعل من الصعب على الذرات التحرك. هذه القوة الشد المعززة هي سبب رئيسي لاستخدام السبائك على نطاق واسع.
• مقاومة التآكل: العديد من السبائك مقاومة للتآكل والتدهور أكثر من الفولاذ النقي. الفولاذ المقاوم للصدأ، على سبيل المثال، مقاوم للغاية للصدأ بسبب الكروم الذي يحتويه. هذا هو السبب في أنه غالبًا ما يستخدم في المطابخ والأجهزة الطبية.
• نقطة الانصهار: غالبًا ما تكون نقطة انصهار السبيكة مختلفة عن نقاط انصهار المعادن المصنوعة منها. يمكن أن يكون هذا مفيدًا في تطبيقات مثل اللحام، حيث تكون هناك حاجة إلى سبيكة ذات نقطة انصهار منخفضة.
• الليونة والطرق: تصف هذه المصطلحات مدى سهولة جذب المعدن مباشرة إلى سلك (ليونة) أو طرقه إلى صفيحة رقيقة (مرونة). يمكن أن يؤدي صناعة السبائك إلى تغيير هذه الخصائص السكنية أو التجارية. على سبيل المثال، إضافة الكربون إلى الحديد لصنع الفولاذ يجعله أقل ليونة.

هذه الخصائص الميكانيكية والخصائص الفيزيائية هي التي تجعل السبائك مرنة وحاسمة للغاية في الكثير من الصناعات المختلفة. يتم تحديد المباني المحددة للسبائك من خلال تركيبها وكيفية تصنيعها.

ما هو الفولاذ الكربوني ولماذا هو شائع جدًا؟

الفولاذ الكربوني عبارة عن سبيكة شائعة جدًا وشائعة الاستخدام. كما يوحي اسمه، فهو سبيكة من الحديد والكربون. في الواقع، يشكل الفولاذ الكربوني حوالي 90% من جميع إنتاج الفولاذ. والسبب وراء شعبيته هو أنه فعال من حيث التكلفة إلى حد ما في التصنيع ولديه مجموعة واسعة من الخصائص السكنية أو التجارية المفيدة.

تحدد كمية الكربون الموجودة في الفولاذ منازله.

• Low-carbon steel: يحتوي هذا النوع على كمية صغيرة من الكربون (حوالي 0.05% إلى 0.30%). إنه ناعم ومصمم بسهولة، مما يجعله مثاليًا لأشياء مثل هياكل السيارات والأنابيب.
• Medium-carbon steel: مع وجود القليل من الكربون الإضافي (حوالي 0.3% إلى 0.6%)، يكون هذا الفولاذ أقوى وأصعب. غالبًا ما يتم تصنيعه لأشياء مثل التروس وقضبان السكك الحديدية.
• High-carbon steel: يحتوي هذا النوع على معظم الكربون (حوالي 0.6% إلى 1.5%) وهو صلب وصلب للغاية. يتم استخدامه لصنع الأدوات والينابيع والأسلاك عالية القوة.

يمكن زيادة تحويل الخصائص السكنية أو التجارية للفولاذ، وخاصة الفولاذ الكربوني، عن طريق المعالجة الحرارية. وهذا يجعل الفولاذ الكربوني سبيكة عملية بشكل استثنائي تستخدم في عدد كبير من التطبيقات.

ما هي بعض الأمثلة على السبائك الشائعة واستخداماتها؟

هناك الكثير من السبائك في العالم، ولكل منها استخداماته الفريدة. اسمحوا لنا بإلقاء نظرة على بعض السبائك الأكثر تفضيلاً وما هي مستخدمة من أجله.

• سبائك التيتانيوم: تُعرف هذه السبائك بأنها صلبة للغاية وخفيفة الوزن ومقاومة للصدأ. نتيجة لهذه المنازل، تُستخدم سبائك التيتانيوم عادةً في صناعة الطيران لصنع أجزاء للطائرات والمركبات الفضائية. كما أنها تستخدم في الغرسات السريرية لأنها متوافقة حيويًا، مما يعني أنها لا تلحق الضرر بالجسم.
• سبائك النيكل: تُعرف سبائك النيكل بمقاومتها الاستثنائية للحرارة والتآكل. يتم استخدامها عادة في البيئات القاسية، كما هو الحال في المحركات النفاثة ومصانع المعالجة الكيميائية.
• سبائك الفضة والذهب: الذهب والفضة الخالصة ناعمة حقًا، لذلك غالبًا ما يتم خلطها بمعادن أخرى لجعلها أكثر متانة للمجوهرات. على سبيل المثال، الفضة الإسترليني هي سبيكة من الفضة والنحاس.

فيما يلي جدول مرجعي سريع لبعض السبائك الشائعة واستخداماتها الأساسية:

كما ترون، تُستخدم السبائك لتطوير مجموعة واسعة من العناصر التي نعتمد عليها كل يوم.

ما هي السبائك الخلالية والاستبدالية؟

عندما نتحدث عن كيفية تشكل السبائك على المستوى الذري، هناك نوعان أساسيان: السبائك الخلالية والاستبدالية. يتعلق الاختلاف بينهما بحجم ذرات عنصر صناعة السبائك مقارنة بذرات المعدن الأساسي.

A سبيكة استبدالية يتم إنشاؤه عندما تكون ذرات عنصر صناعة السبائك بنفس حجم ذرات المعدن الأساسي تقريبًا. في هذه الحالة، يمكن لذرات عنصر صناعة السبائك أن تحل محل، أو تحل محل، العديد من ذرات المعدن الأساسي في هيكله البلوري. مثال جيد على السبيكة الاستبدالية هو النحاس الأصفر، حيث تحل ذرات الزنك محل عدد قليل من ذرات النحاس. البرونز، وهو سبيكة من النحاس والقصدير، هو مثال آخر على سبيكة استبدالية. العديد من السبائك الشائعة هي سبائك استبدالية.

أن سبيكة خلالية يتشكل عندما تكون ذرات عنصر صناعة السبائك أصغر بكثير من ذرات المعدن الأساسي. هذه الذرات ذات الحجم الأصغر لا تغير ذرات المعدن الأساسي. وبدلاً من ذلك، فإنها تتناسب مع المساحات الصغيرة، أو الفراغات، بين ذرات المعدن الأساسي. الفولاذ هو مثال كلاسيكي لسبيكة خلالية. تتطابق ذرات الكربون الصغيرة مع المساحات الموجودة بين ذرات الحديد الأكبر حجمًا. وهذا يجعل الإطار أكثر صلابة ويعزز قوة الشد للمعدن. تؤدي كل من السبائك الخلالية والاستبدالية إلى منتج يكون عادةً أصعب من المعدن النقي.

لماذا السبائك ضرورية جدا في عالمنا؟

تلعب السبائك دورًا كبيرًا في عالمنا الحديث، ومن الصعب تخيل الحياة بدونها. من الهياكل التي نقيم فيها إلى السيارات التي نقودها والهواتف التي نصنعها، توجد السبائك في كل مكان. والسبب في أنها حيوية للغاية هو أنها تسمح لنا بتطوير مواد بخصائص معينة ضرورية لعمل معين.

قد يكون المعدن النقي ناعمًا جدًا أو ثقيلًا جدًا أو قد يصدأ بسرعة كبيرة لتطبيق معين. من خلال تطوير سبيكة، يمكننا التغلب على هذه القيود. يمكننا صنع معدن قوي وخفيف الوزن، مثل سبائك الألومنيوم المصنوعة في الطائرات. يمكننا إنشاء سبيكة مقاومة للتآكل، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في مطابخنا. ويمكننا صنع سبيكة صعبة ومتينة للغاية، مثل الفولاذ الكربوني المستخدم في صنع الأدوات.

لقد كان تطوير السبائك ذات العلامات التجارية قوة دافعة وراء التطور التقني عبر التاريخ. السبائك الأولى، مثل البرونز، غيرت مسار الناس. اليوم، يعمل الباحثون والمصممون باستمرار على إنشاء سبائك ذات علامات تجارية جديدة ذات منازل أفضل لتلبية احتياجات المستقبل. سيؤدي الاستخدام المستمر للسبائك بالتأكيد إلى المزيد من الابتكارات المذهلة.

١. في الخلاصة، إليك أهم النقاط التي يجب تذكرها بخصوص السبائك:

• السبيكة عبارة عن مزيج من عنصرين أو أكثر، على أن يكون أحدهما على الأقل معدنًا.
• عادة ما تكون السبائك أقوى وأصعب من المعادن النقية.
• تعتمد مباني السبيكة على تركيبها.
• تشتمل السبائك الشائعة على الفولاذ والنحاس والبرونز وسبائك الألومنيوم الخفيفة الوزن.
• يتم تصنيع السبائك عن طريق صهر وخلط المعادن، أو باستخدام تعدين المساحيق.
• هناك نوعان رئيسيان من السبائك على المستوى الذري: الاستبدالية والخلالية.
• الفولاذ الكربوني عبارة عن سبيكة شائعة وعملية للغاية من الحديد والكربون.
• السبائك ضرورية في العديد من التطبيقات، من البناء والنقل إلى الإلكترونيات والطب.