اطلاعات تكميلي 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 بالايی در حدود 1538 C دارد. آهن در طی حرارت دهی و سرد کردن در دو دما تحت تغييرات ساختار و کريستالوگرافيکی قرار می گيرد.در دمای اتاق , ساختار کريستالی آن BCC با نام α بوده که با حرارت دهی تا دمای 912 C به ساختار FCC تبديل می شود.اين ساختار γ ناميده می شود.در دمای 1394 C اين ساختار دوباره به ساختار BCC تبديل می شود که برای متمايز شدن از ساختار α ساختار دلتا δ ناميده می شود. در سرد کردن , اين تبديلات در جهت عکس رخ می دهند. با سرد کردن و انجام استحاله در ریزساختار،حرارت حاصل از استحاله در ساختار انتقال می یابد.هم چنين اين دگرگونی مستلزم تغييرات حجمی است.وقتی آهن از bcc به fcc تبديل می شود,انقباضی در ساختار شبکه رخ می دهد.بر اين اساس دو روش برای تعيين دمای دگرگونی پيشنهاد می شود: الف) آناليز حرارتی و ب) آناليز ديلاتومتری. در آناليز حرارتی , تغييرات دما در هر زمان ثبت می شود و گرمای خروجی را بررسی کرده و با استحاله مطابقت می دهند. در روش دومی با مشاهده تغييرات ناگهانی در انبساط طولی , دمای متناظر با آنرا مشخص می کنند.اين دماها همان دماهای بحرانی می باشند.البته تغيير ديگری نيز وجود دارد که در آن ساختار کريستالی تغيير نمی کند. اين تغيير , تغيير مغناطيس بودن فولاد است که دردمای 770 C (دمای کوری) انجام می شود. در اين دما , فولاد مغناطيس آلفا به فولاد غير مغناطيس بتا تبديل می شود. در صنعت , برخی از عناصر آلياژی به آهن افزوده می شوند و فولاد و سايرآلياژهای آهنی را می سازند. به عنوان مثال, آهن در محيط های خورنده متوسط با سرعت بيشتری با مکانيسم پوسته برداری و .. خورده می شود.در حاليکه با افزودن عناصری چون مس و کروم مقاومت به خوردگی آن تا حد زيادی افزايش می يابد. هم چنين , آهن خالص استحکام بسيار پايينی دارد که مناسب کاربردهای صنعتی نمی باشد.فلذا ازافزودن عناصری مثل نيکل,کروم و موليبدن برای افزايش استحکام استفاده می شود.بسياری از اين تغييرات مفيد در خواص مکانيکی مربوط به استحاله آهن آلفا به گاما و بالعکس و نيز اختلاف زياد در قابليت انحلال کربن در ساختار های شبکه ای می باشد. بسياری از عناصری که به فولادهای افزوده می شوند خواص فولاد را بهبود می بخشند. ولی برخی از عناصر پس ماندی نيز وجود دارند که اثرات غير مفيدی نيز دارند. در کل عناصر را به دو گروه فريت زا و آستنيت زا تقسيم کرده اند.در اين تقسيم بندی , تاثير هر کدام از عناصر معين بر تغيير دگرگونی در ساختار زمينه آلياژ درنظر گرفته شده است.برخی از اين عناصر در تمامی رژيم حرارتی دارای يک آلوتروپی هستند(Ni,Al) ولی برخی ديگر نيز توانايی تغيير ساختار شبکه ای خود در محدوده دمايی مختلف دارند (Fe) . عناصر فريت زا از رشد فاز آستنيت جلوگيری کرده و باعث پايداری فاز فريت در زمينه می شود.(Cr) ولی عناصر آستنيت زا رفتار معکوسی داشته و سبب پايداری فاز آستنيت می شوند.(Ni) تاثير عناصر آلياژی بر رفتار کريستالوگرافيکی زمينه آهنی به سادگی آنچه که در بالا ذکر شده , نيست. اثر اين عناصر تنها به انبساط و انقباض در ساختار خلاصه نمی شود. بلکه بين عناصر آلياژی و آهن واکنش هايی بين الکترونهای والانس نيز رخ می دهد.مع هذا, بايد به خاطر سپرد که ساختار اصلی عناصر آلياژی نشان دهنده نوع رفتار آن در هنگام افزودن به آهن نمی باشد.به عنوان مثال, فلز آلومينيوم ريزساختار fcc داشته ولی در ترکيب آهن فريت زا بسيار قوی است و اگر درصد آن از 1% کمی بيشتر شود, بطور کامل از استحاله فريت آلفا به آستنيت جلوگيری می کند.هم چنين , سيليس با ساختار مکعبی الماسی در ساختار آهن نقش فريت زايی دارد و افزودن 3% از آن به آهن باعث پايداری فريت در ريزساختار می شود.با اين وجود اگر بخواهيم تاثير عناصر فريت زا و آستنيت زا رادر کنار هم در ساختار بررسی کنيم, بايستی به توازن موجود بين اين عناصر دقت کنيم. هرچند که در عمل چنين توازن خالصی وجود ندارد.