انواع فلزات
فلزات عناصر ساده ای هستند که در دمای معمولی جامدند (به جز جیوه) و اساسا به دو گروه آهنی و به دو غیر آهنی تقسیم میشوند.
گروه آهنی: فلزاتی از قبیل آهن خام، چدن و فولاد.
گروه غیرآهنی: فلزاتی از قبیل آلومینیوم مس و سرب.
همچنین فلزات از نظر وزن نیز به دو گروه فلزات سبک با وزن مخصوص کمتر از پنج تن / متر مکعب) و سنگین (با وزن مخصوص بیشتر از پنج تن / متر مکعب) تقسیم می شوند. آهن خالص د ر مصرف ندارد ولی فولاد و چدن، که آلیاژهای آهن به حساب می آیند، پرمصرف ترین مصالح فلزی هست امروزه پس از فولاد، آلومینیوم و مس به ترتیب پر مصرف ترین فلزات در ساختمان به شمار می آیند.
خواص عمومی فلزات
نور گذران نیستند (مگر ورق های نازک طلا و نقره).
– جلا پذیرند.
– شکل پذیر و چکش خوارند
– گرما رسانی و برق رسانی خوبی دارند.
آهن (Fe)
آهن فلزی سنگین با وزن 87.7 تن بر متر مکعب است. که در گرمای ۱۵۳۰ درجه ذوب میشود. آهن خالص مصرف ساختمانی ندارد، لیکن انواع فولاد و چدن که آلیاژهای آهن به حساب می آیند، از پر مصرف ترین مصالح فلزی هستند. آهن در هوای نمناک زنگ می زند و هیدروکسید آهن میشود. از سنگ آهن در | کوره آهن گدازی به همراه سوخت و گداز آور و هوا، آهن خام میسازند.
.گداز آور در کوره آهن گدازی به منظور پایین آوردن درجه آب شدن سنگ آهن از موادی که با آهن ترکیب نمی شوند استفاده می کنند. این مواد با ناخالصی های سنگ آهن ترکیب می شوند و تشکیل سیلیکات کلسیم می دهند. انتخاب نوع گداز آور بستگی به ناخالصی های سنگ آهن (سیلیسی، رسی، اهکی) دارد. اگر ناخالصی سنگ آهن، آهکی باشد، آن گاه گداز آور رسی یا سیلیسی و اگر ناخالصی آن سیلیسی باشد گداز آور آهکی است که در این صورت سیلیکات کلسیم به عنوان تفاله آهن گدازی روی آهن خام شکل می گیرد.
تفاله: تمام ناخالصی های سنگ آهن که جنس آنها سیلیکات کلسیم و سیلیکات آلومینیوم است “تفاله” نام دارد. از تفاله به صورت آبکی در فرش کف معابر، به صورت ماسه و شن و در اثر سرد کردن و خرد شدن در راه سازی و ساختن بتن و به شکل تار در گرمایندی و صدابندی استفاده می شود. همچنین با گرد تفاله کوره آهن گدازی سیمان پرتلند سربارهای میسازند.
آهن خام
فلزی که از طرف ذوب (بوته) بیرون می آید آهن خام است و میزان کربن آن (4.25 -۳ )درصد است. آهن خام مانند یخ آب می شود. بی آنکه خمیری گردد میشکند و به کار آهنگری نمی آید. از این رو در ساختمان مصرفی ندارد و تنها ماده اولیه تهیه چدن و فولاد است.
کربن در آهن نشان دهنده جنس آن است و از فلزهای دیگر مهم تر و اثرش نیز بیشتر است. اگر کربن آهن بیش از 1.7 درصد وزن باشد ترد است و تنها برای ریختن مصرف می شود و نمی توان آن را چکش کاری کرد، تورد زد، کشید و یا پرس کرد. ولی آهنی که از 1.7 درصد وزنش کمتر کرین دارد، چکش خواری خوبی دارد و با ضربه خرد نمی شود فسفر و گوگرد باعث شکنندگی آهن خام می شوند.
انواع آهن خام
آهن خام سفید: به رنگ سفید نقره ای وزن ویژه 7.5 تا 7.8 تن بر متر مکعب و سطح شکسته آن ریزدانه است. دارای جنس سخت و ترد و برای فولادسازی مناسب می باشد.
آهن خام خاکستری رنگ خاکستری دارد و سطح شکسته آن درشت دانه است و برای چدن ریزی مصرف می شود. آهن خام خاکستری دارای سیلیسیوم زیادتر، تردی کمتر و نرمی بیشتری است.
آهن خام نیمه خاکستری: جنس آن میان آهن خام سفید و خاکستری است و در ساختن فولاد و چدن سخت به کار میرود.
چدن
کربور آهن است که از کربن، سیلیسیم، منگنز، فسفر و گوگرد ساخته شده است. برای تولید چدن، آهن خام را در کوره دوباره ذوب می کنند و مقدار عناصر آن را تنظیم می نماید؛ درصد کربن از 1.7 به بالا در گروه چدن قرار می گیرد. در حرارت ۱۱۵۰ تا ۱۳۰۰ درجه بدون داشتن حالت خمیری ذوب میشود (شبیه آهن). مقاومت فشاری نسبتا خوبی دارد (آلیاژهای آن مقاومت فشاری بیشتری از فولاد دارند).
چدن مقاومت کششی کمی دارد. جنس چدن سخت و ترد است. در صورت زیاد بودن فسفر آن، چکش خواری آن خوب نخواهد بود. پسیار دیر زنگ می زند. در برابر آتش از فولاد پایدارتر است. جوش پذیر نیست و نورد نمی شود.
چگونگی سرد شدن و بستن چدن آبکی نیز در جنس أن اثر دارد. اگر زود سرد شود گرین أن گرانیت در نمی آید و رنگ چدن حاصل سفید می گردد و هرگاه کند سرد شود کربن آن به شکلی می آید و چدن خاکستری رنگ می گردد. مصرف چدن در لوله اتصالات و قطعات درپوش و پله و مانند ابتدا نکته: جنس چدن به جنس آهن خام مصرفی بستگی دارد.
فولاد – پولاد (steel)
فولاد آلیاژی از آهن با وزن مخصوص 7.58 و مصالح ایزوتروپیک (با خواص یکسان در همه جهان است که سوزاندن کربن آهن خام سفید و همچوش کردن آن با کمی کربن و افزودن برخی عناصر دیگر به دست میآید. نکته: حداکثر درصد کربن فولاد کربن دار 1.7 است.
آهن: اصلی ترین ماده در تولید فولاد. کربن نشان دهنده جنس فولاد است (همانند چدن). نقش های کرین در فولاد: ترد و شکننده می کند (مهم ترین نقش). به تاب کششی آن می افزاید. مرز تناسب میان تنش و انبساط فولاد را بالا می برد. سختی آن را زیاد می کند. هر چه کربن در فولاد کمتر باشد، جنس آن نرم تر و چکش خواری آن بیشتر است. کربن در فولاد گداز آور است.
منگنز: نقش های عمده ای بر عهده دارد – افزایش تاب کششی فولاد. افزایش سختی تا حد عدم شکل پذیری. سیلیسیم دارای کاربردهایی ویژه در این باره است. افزایش تاب کششی. افزایش سختی. فولاد سیلیسیمیترد و نورد زدنش دشوار است.
گوگرد، فولاد آب شده را کند روان می کند. از تاب ضربهای آن می کاهد.
فسفر، فولاد را ترد می کند نیز مقدار بیش از حد آن فولاد را شکننده می کند.
کزم، افزایش تاب کششی فولاد. از زنگ زدن آن جلوگیری می کند.
مس، برای جلوگیری از زنگ زدن فولاد در آب دریا به آن مس می افزایند یا آن را با مس روکش می کنند. فولاد مس دار در ساختن سپرها، شمع های فولادی سکوها و اسکله بندی ها مصرف دارد.
مزایای مهم فولاد به عنوان یک ماده ساختمانی
نسبت مقاومت به وزن بالاتر نسبت به بسیاری از مصالح – همگن بودن – جوش پذیر بودن – ضریب ارتجاعی بالا – تغییر شکل در اثر بارگذاری و توزیع گسترده و نسبتا یکنواخت تنشها – وجود خاصیت الاستیک و پلاستیک – شکل پذیر بودن – خاصیت چکش خواری و تورق – مقاومت خمشی زیاد (به دلیل مقاومت مطلوب هم از نظر کششی و هم از نظر فشاری) – خاصیت فنری و جهندگی – سختی استاتیکی و دینامیکی – امکان تقویت مقاطع در صورت نیاز – امکان استفاده از ضایعات و کاربرد مجدد مواد. معایب شاخص فولاد خوردگی، مقاومت کم در برابر حرارت و رطوبت.
روش شکل دهی فولاد
ریخته گری (شمش ریزی): حدود ۸۰ درصد فولادها را عمدتا به روش ریخته گری مداوم به شمش تبدیل و سپس به روش نورد به مقاطع تجاری تبدیل می کنند.
نورد زدن: نورد زدن یا به صورت گرم یا به صورت نورد سرد انجام می شود. در نورد گرم تغییر شکل در یک مرحله صورت می گیرد ولی در نورد سرد که بیشتر جهت تهیه ورق کاربرد دارد. فولاد را کمی گرم می کنند و برای شکل دهی آن را چندین بار از غلطک عبور می دهند. برای تهیه فولاد بال پهن نورد با چهار غلتک انجام میشود که به آن نورد اینورسال می گویند در نوردزدن سرد، ورق فولادی سخت و ترد با خاصیت ارتجاعی حاصل می گردد، لذا برای آنکه تردی فولاد را بگیرند، به آن گرما می دهند تا سرخ شود.
کشیدن: برای ساختن میلگرد نازکتر از ۵ میلی متر و سیم فولادی، آن را می شکند. این روش به طور کلی برای تغییر قطر میله ها در دو روش گرم و سرد استفاده می شود. اگر فولاد سرد را بشکند سخت و ترد می شود. برای آنکه هنگام کشیدن فولاد سرد پاره نگردد، گهگاهی به آن گرما می دهند، تا سرخ شود. پس از گرما دیدن و سرخ شدن، فولاد تردی خود را کم می کند. مقاومت کششی و سختی میله و سیم فولادی سرد کشیده شده از فولاد گرم کشیده شده زیادتر است.
پیچش: برای افزایش توان کششی فولاد و غالیا برای مقاطع توپر از این روش استفاده می شود. با این روش مقاومت کششی قطعه فولادی تا ده برابر افزایش می یابد. (مثال: سیم بکسل با سیم تهیه شده به روش نورد سرد).
روش آهنگری: چنانکه پس از شکل دهی فولاد را به سرعت در آب قرار دهند، فولاد آبدیده حاصل می شود. فولاد بسمر (زیمنس – توماس – فولاد ویژه)، فولادی است که در کوره نسوز یا کوره برقی ساخته می شود و ویژگی آن پایداری در برابر حرارت بالا می باشد.
روش تهیه فولاد
الف: روش کوره باز؛ ب: روش دمیدن اکسیژن.
ج: روش کوره برقی، د: روش خلاء.
یکی از مشخصه های فولاد ساختمانی حداقل مقاومت نهایی فولاد در آزمایش کشش استاندارد است که در استاندارد اروپایی آن را بر حسب مگاپاسکال و با نمادST نشان میدهند. در ادامه به بررسی انواع فولاد می پردازیم. فولاد کربن دار: فولادی است که علاوه بر آهن حداکثر کربن 1.7 را داشته باشد. انواع مختلف فولاد در حد فاصل آهن خالص با صفر درصد کربن و چدن با 1.7 درصد کربن قرار می گیرند. این فولادها به چهار رده کم کربن (کمتر از 15%)، کربن ملایم (%۲۹-15%)، کربن متوسط (59%-30%) پر کربن (0.6 تا 1.7)تقسیم می شوند.
فولاد نرمه
فولادهای کربن دار ساختمانی در رده کربن های ملایم را فولاد نرمه می گویند. افزایش درصد کربن باعث افزایش تنش تسلیم کاهش شکل پذیری و مشکل شدن جوشکاری می شود. فولادهای TS37 (نظیر همان نوع فولاد که در ورزشگاه آشیانه پرنده استفاده شد) در این گروه قرار دارند و پرمصرف ترین نوع فولاد در ساختمان می باشد.
فولادهای پر مقاومت، کم آلیاژ
این فولادها با افزایش مقادیر ناچیزی آلیاژ (نظیر کروم و کلمبیوم، مس، منگنز، مولبیدن، نیکل، فسفر) به فولاد کربن دار به دست می آیند. افزایش آلیاژهای فوق، باعث ریزتر شدن ساختار بلوری آهن و در نتیجه افزایش مقاومت آن میشود. این فولاد در شرایط عادی (جوشکاری) مورد استفاده قرار می گیرد. فولادهای ST52 (نوع دیگری از فولاد که در ورزشگاه آشیانه پرنده مصرف شده برای استفاده در پل سازی و ساختمان های فولادی مهم و بلند در رده این فولاد می باشند.
فولاد آلیاژ آبدیده، باز پخته شده، اصلاح گرم
اگر فولادهای پرمقاومت کم آلیاژ را آب داده و سپس باز پخت نماییم (اصلاح گرم) تنش تسلیم فولاد بسیار بالا می رود و این دسته از فولادها به دست می آید. این فولادها به طور کلی کاربرد زیادی ندارند و برای جوشکاری آنها باید تدابیر ویژه ای در نظر گرفت. [۷] در نشریه ۵۵ دسته بندی فولادها براساس مقدار کربن به شکل زیر است.
فولاد نرم 0.90 – 0.25 درصد. فولاد نیم سخت 0.25 – 0.55 درصد. فولاد سخت 0.6 – 1.2 درصد.