דיאגרמת פאזות

מצבי צבירה

לחומר ארבעה מצבי צבירה אפשריים והם: מוצק, נוזל, גז ופלזמה (פלזמה=גז מיונן). הטמפרטורה המשמשת חומרים שונים במעבר ממצב צבירה אחד לאחר מהווה נקודות זיהוי לחומרים אלו (לכל חומר טמפרטורה אופיינית למעבר). לא כל החומרים מופיעים בכל מצבי הצבירה, לדוגמה: נייר לא יכול להיות גז, הוא נשרף, משנה את מבנהו הכימי והופך לפיח. מים לדוגמה, הם חומר המסוגל להיות בכל ארבעת מצבי הצבירה.

הידעת? פולימורפיות (ביוונית – "רב-צורתיות") פירושה, שחומר מופיע במבנים גבישיים שונים בתנאים שונים של לחץ ו/או טמפרטורה, בלא שיחול כל שינוי בהרכבו הכימי. אטומי היסוד פחמן יוצרים בסידורים שונים חומרים שונים, ביניהם היהלום, הגרפיט והפולרין. היהלום הינו המינרל הטבעי הקשה ביותר המוכר לאדם, והוא משמש לשיבוץ תכשיטים יקרים. הגרפיט לעומת זאת היא חומר רך, המשמש בייצור עפרונות. הפולרין (קרוי גם פחמן 60), התגלה בשנת 1985, הוא חומר הבנוי מקבוצות של 60 אטומי פחמן המחוברים בניהם בדומה לצורת כדורגל. צורה אחרת של פחמן היא הננו-צינוריות פחמן, מבנה זה של פחמן, שהתגלה לראשונה בשנת 1991, אינו קיים בטבע, אלא מיוצר באופן מלאכותי.

פאזה

פאזה היא רכיב הומוגני במערכת המתאפיין בתכונות כימיות ופיסיקליות אופיניות. לדוגמה: מים וקרח הן שתי פאזות, נוזלית ומוצקה, של החומר המולקולרי H₂O. פריט (BCC) ואוסטניט (FCC) הן שתי פאזות מוצקות של היסוד ברזל (Fe). לחומר במצב מוצק יכולות להיות מספר פאזות שונות בהתאם לטמפרטורה, ללחץ ולהרכב.

דיאגרמת פאזות

דיאגרמת פאזות שיווי-משקלית היא דיאגרמה המתארת את מבנה החומר כתלות בריכוז היסודות השונים במערכת, וכתלות בטמפרטורה ובלחץ. דיאגרמת פאזות זו מתארת את מצבה המיקרוסקופי של מערכת מבחינת המבנה בתנאים של שיווי-משקל תרמודינמי, כלומר מבחינה טכנית הדבר אפשרי רק כאשר מדובר בתהליכים איטיים מאוד. לכן דיאגרמת פאזות שיווי-משקלית מתארת תהליכים הפיכים.

פלדה

הוספת כמויות קטנות של פחמן לברזל משפרת באופן משמעותי את התכונות המכניות של החומר. פלדה מוגדרת כברזל המכיל עד 2% משקלי של פחמן. הפלדה מהווה את אחד החומרים ההנדסיים החשובים והנפוצים ביותר. לפלדות חוזק גבוה, משיכות טובה ועמידות מצוינת לשבר. הפלדה משמשת לבניית גורדי שחקים, גשרים, מסילות ברזל, ספינות, רכבות, מכוניות, ציוד למפעלים ועוד. השימוש העצום בפלדה נובע ממחירה הנמוך לצד תכונותיה המכניות הטובות ומהיכולת לקבל תחום רחב יחסית של תכונות באמצעות סגסוג הפלדה וביצוע טיפולים תרמים.

הפלדה מופקת בתהליך טכנולוגי מסובך. ראשית, מוכנסים עפרת הברזל יחד עם פחם אבן ואבן גיר לתוך תנור הקרוי "תנור רם". התנור מתחמם עד כ-1,800 מעלות צלזיוס, כאשר בחלקו התחתון ישנם מפוחים המזרימים אויר. בסוף התהליך יוצאים מהפתחים התחתונים של התנור יצקת והברזל מצדו האחד של התנור והסלג (שלקות) מצידו השני, זאת עקב הבדלים בצפיפויות החומר. בגלל שיצקת מורכבת מברזל ומעל 3% משקלי פחמן, מתקבל חומר פריך. לכן, הפלדה מסחרית אמורה להכיל כמויות נמוכות יות רל פחמן (פחות מ-2% משקלי), לכן יש להקטין את כמות הפחמן בתרכובת. למטרה זו משתמשים במהפך של בסמר, שהינו כבשן פתוח, או כבשן חשמלי. הפלדות המסחריות מכילות מספר יסודותהמשפיעים על תכונותיה של הפלדה: טונגסטן - קשיות, חוזק בחום, התנגדות לאיכול, העלאת טמפרטורת החיסום והתנגדות לשיבוב בחום. מוליבדן - קשיות, חוזק בחום והתנגדות לשינויים. ונדיום - קשיות, חוזק בחום וצמיגות. קובלט - קשיות, מגנטיות והתנגדות לשיבוב.

הידעת! - אופן פעולתו של תנור רם: חומרי גלם: פחם אבן (קוקס) המשמש לבערה, מינרל ברזל (Fe₂O₃), אבן גיר (CaCO₃), ופחמן-חמצני (CO). אופן ההכנה: 1. מכניסים פחם אבן לתנור רם. 2. מוסיפים את העפרות לתנור. 3. מתחילים להזרים אויר במפוח (מעלה את הטמפרטורה בתנור ועוזר לבערה של הפחם). 4. התכת הברזל וזיקוקו (הפרדה לברזל ולאי-ניקיונות) באמצעות שרשרת של תגובות כימיות בין חומרי הגלם.

דיאגרמת פאזות שיווי-משקלית של ברזל-פחמן (Fe-C)

אחת הדיאגראמות פאזות החשובות והשימושיות ביותר מבחינה הנדסית היא דיאגרמת פאזות שיווי-משקלית של ברזל-פחמן (Fe-C). בדיאגרמה זו מופיע הברזל הנקי (טהור) בצידה השמאלי של הדיאגרמה, ואילו בצידה הימיני של הדיאגרמה מופיעה פאזה הקרויה צמנטיט (Fe₃C), שהיא תרכובת בין ברזל לפחמן (קרביד-הברזל). בטמפרטורת החדר הברזל נמצא בפאזה רכה ומשיכה, המכונה פריט, המתאפיינת במבנה תא יחידה קובי ממורכז-גוף. אם נסתכל על פאזת הפריט מבעד למיקרוסקופ נראה גרעיני חומר בהירים, המוקפים בגבולות גרעין כהים. כאשר נחמם את הברזל הטהור לטמפרטורה 912 מעלות צלזיוס, הברזל יעבור שינוי מבני לפאזה הקרויה אוסטניט, בעלת תא יחידה קובי ממורכז-פאה. בטמפרטורה 1394 מעלות צלזיוס יתרחש שוב מעבר פאזה והברזל יחזור להיות בעל תא יחידה קובי ממורכז-גוף (פאזה דלתא פריט). כאשר נוסיף לברזל כמויות נמוכות של פחמן (עד 0.8% משקלי פחמן) נקבל בטמפרטורות החדר תערובת של שכבות פריט וצמנטיט, המתחלפות ביניהן לסירוגין, מיקרומבנה זה קרוי פרליט. לעומת זאת בטמפרטורות יותר גבוהות, בהן הפריט הופך לאוסטניט, מתקבלת תערובת של אוסטניט וצמנטיט, הקרויה לדבוריט.

ברזל יציקה - נתכי ברזל המכילים מעל 2% משקלי פחמן ו-3-1% משקלי סיליקון קרויים ברזל יציקה. נתכים אלה נועדו להיות ייצוקים לצורתם, במקום להיות מעובדים במצב מוצק. הם בעלי ערכים נמוכים יחסית של חוזק לנגיפה ומשיכות, דבר המגביל את השימוש בהם.

ברזל יציקה אפור - הרכב משקלי 4-2.5% משקלי פחמן ו-3-1% משקלי סיליקון. בדרך-כלל מבנה של פתיתי/תולעי גרפיט המוקפים בפריט או בפרליט. מדובר על פלדה חלשה ופריכה מבחינה מכנית. המיקרו-מבנה של ברזל היציקה האפור יכול להשתנות שינויים בהרכב (הפחתת כמות ה- Si) או על-ידי קירור בקצבי קירור מהירים. יתרונות: עמידות טובה בויברציות ובשחיקה. בנוסף במצב המותך, לנתך זה זרימות טובה בטמפרטורת היציקה. ברזל יציקה אפור הוא החומר הזול ביותר מבין הנתכים המתכתיים התעשייתיים.

ברזל יציקה לבן - הרכב משקלי 4-2.5% משקלי פחמן ופחות מ-1% סיליקון. כאשר ריכוז ה- Si נמוך וקצבי הקירור גבוהים יחסית, רוב הפחמן יופיע בצורת צמנטיט ולא בצורת גרפיט. משטח השבר של נתך זה נראה בהיר ומכאן בה השם ברזל יציקה לבן. ברזל היציקה הלבן הוא מאוד קשה אך גם מאוד פריך, וקשה מאוד לעבדו, דבר המקטין את השימוש בו. השימושים של ברזל יציקה לבן הם רק עבור מקרים בהם נדרשת קשיות מאוד גבוהה ועמידות טובה בשחיקה, לדוגמה גלגיליות של מערגלים, או כדורי טחינה במטחנות.

ברזל יציקה חשיל - הרכב משקלי 4-2.5% משקלי פחמן ופחות מ-1% סיליקון. חימום של ברזל יציקה לבן לטמפרטורה של 900-800oC גורם לפרוק הצמנטיט ולהתבדלות של גרפיט בצורת שושנים (רוזטות), המוקפות על-ידי מטריצה של פריט ופרליט (תלוי בקצב הקירור). לברזל יציקה חשיל ישנו חוזק גבוה ובנוסף הוא חומר משיך ונוח לעיבוד. שימושים: מוטות הילוכים, חלקים שונים בתעשיית הרכב, חלקי שסתומים.

דיאגרמת TTT

כאשר הקירור מהיר, דיאגרמת הפאזות ברזל-פחמן אינה מספקת די אינפורמציה מאחר שהיא חסרה את ציר הזמן. לצורך השימוש ההנדסי הוכנה דיאגרמה של הפאזות השונות המתקבלות כתלות בטמפ' ובזמן ועבור ריכוז פחמן קבוע. דיאגרמה זאת מראה את המבנים המתקבלים מאוסטניט כאשר מקררים אותו במהירות לטמפ' מסוימת, ואת השינויים במבנה המתקבלים בו כתלות בזמן. ביאניט - פאזה המתקבלת בעת קירור מהיר, והיא תערובת של פריט וקרביד. מרטנזיט - פאזה הנוצרת בעת קרור מהיר. בעלת גרעינים מאורכים דמויי מחטים/לוחיות. תא היחידה בעל מבנה BCT מעוות, הכולא בתוכו אטום פחמן. מדובר בפאזה בעלת קשיות וחוזק גבוהים, אך מאוד פריכה.

חיסום פלדות

חיסום הינו תהליך שבו מחממים פלדה לטמפרטורה אוסטניטית ומצננים אותה במהירות במים. הקירור המהיר של הפלדה בנוכחות ריכוז פחמן גבוה בהרכבה גורם לכך שבמצב "מחוסם" יש לפלדה מבנה גבישי מיוחד במינו דמוי מחטים, הנקרא מרטנזיט, בעל תא יחידה מאורך ומעוות הקרוי BCT. המרטנזיט היא הפאזה הקשה והפריכה ביותר בפלדה, ומכאן שהיא בעלת התנגדות מרבית לשחיקה. אטומי הברזל שואפים לעבור פאזה, אולם לאטומי הפחמן אין אפשרות לצאת ממקומם בתא היחידה המעוות; התוצאה היא קבלת מבנה קשה אך פריך, הנראה מבעד לעדשת המיקרוסקופ כדסקיות או כמחטים. פלדות שעברו חיסום מתאפיינות בפרכות עצומה, ולכן לא ניתן להשתמש בהן לשימושים הנדסיים.

הרפיה

טיפול תרמי המבוצע לפלדות לאחר חיסומן, על-מנת לשחרר את החומר ממאמצים פנימיים כך שיהיה פחות פריך.

מטלוגרפיה

על מנת שנוכל להתבונן בחומר מתכתי מבעד למיקרוסקופ, נידרש להכין את פני השטח שלו. תחילה, זאת באמצעות השחזה, ליטוש ואיכול. התחום העוסק בהכנת פני השטח של מתכות על מנת שנוכל להתבונן בהן מבעד למיקרוסקופ קרוי מטלוגרפיה, כלומר: כתיבת המתכות. המטלוגרפיה דנה באופן הכנת בית הדגם (מבקליט או אפוקסי), השחזת מתכת (בניירות השחזה העשויים בדרך-כלל מחלקיקי סיליקון-קרביד), ליטוש (בבדי ליטוש מיוחדים ובאבקות כגון אלומינה או יהלום) ואיכול המתכת בחומצה, כל זאת על מנת שניתן יהיה לחשוף ולבחון את המיקרומבנה של אותה מתכת. באמצעות המטלוגרפיה ניתן למשל לגלות איזה טיפול תרמי או עיבוד עבר החומר וכיצד אמורות תכונותיו להשתנות בהתאם. מבט בחומר מתכתי מבעד למיקרוסקופ אופטי יאפשר להגדילו עד פי 1000 ואז נוכל לראות פגמים כגון: גבולות גרעין, פאזות, תאומים ואינקלוזיות.

בעוד האור הנראה מסוגל לעבור דרך שכבות דקות של חומר ביולוגי, הרי שמתכות אטומות לאור הנראה גם בשכבות חומר דקות מאוד. המיקרוסקופ האופטי המשמש לבדיקת מתכות קרוי מיקרוסקופ מטלוגרפי והוא שונה באופן פעולתו ממיקרוסקופ האור הביולוגי. במיקרוסקופ הביולוגי עובר האור אל עין המתבונן דרך הדגם, לעומת זאת המיקרוסקופ המטלוגרפי מכיל מראה "חצי שקופה", המאפשרת החזרת האור המוקרן בזוית מסוימת והעברתו בזוית אחרת.

הידעת? בחינה של החומר במיקרוסקופ אופטי מטלוגרפי לאחר הכנתו המטלוגרפית מאפשרת לחשוף פרטים מגוונים אודות החומר, כגון: צורת גרעיני החומר, גודלם וסידורם, מגוון הפאזות השונות הקיימות בחומר, מצבורי אי-ניקיונות, עדויות לתהליכי הרס כימי (קורוזיה), נוכחותם של סדקים וחללים בחומר וכן זיהוי פגמי ייצור הנובעים מיציקת החלק בטכנולוגיות שונות. מתוך המידע המתקבל ניתן לפענח את ההיסטוריה של החלק ולזהות טיפולים שונים שהחומר עבר, כולל טיפולים תרמיים בתנור ותהליכי עיבוד, כדוגמת ערגולו וחישול של החומר באמצעות מנגנונים של דפורמציה פלסטית.