تاريخچه

بشر از ديرباز با فلزات گوناگون آشنا بوده و از آنها براي ساخت نيزه و ديگر ابزارهاي دست ساز استفاده ميكرده است. به طوري كه اولين نشانه هاي استفاده از فلزات در ابزار سازي، در ميان سومريان و مصريان به سالهاي قبل از ميلاد مسيح باز ميگردد. اما تنها از اوايل قرن 18 ميلادي با پيشرفت صنعت، استفاده از فلزات وارد صنعت ساختمان سازي شد. ابتدا از آهن براي تزئينات و كلافبندي ساختمانها استفاده ميشد و در اواخر قرن 18 ، اولين بناها با سازه فلزي ساخته شدند. كريستال پالاس در شيكاگو يكي از اين ساختمانهاست. به تدريج استفاده از فلزات ديگر نظير چدن، فولاد (اواخر قرن 19 ميلادي)، آلومينيوم، مس و… در ساختمان سازي رواج يافت به طوري كه امروزه فلزات بخش مهمي از صنعت ساختمان را به خود اختصاص داده اند.

ضرورت استفاده و كاربرد فلزات

امروزه با مشاهده ساختمانهاي بديع و آسمان خراشهاي عظيم، بازتاب تأثير فلزات در زندگي انسان كاملاً آشكار است. در واقع اگر فلز نبود، زندگي و تمدن بشري به چنين مرحله اي نميرسيد.
فلزات گروهي از عناصر هستند كه خواص مشترك معيني دارند. اين مواد گرما والكتريسيته را به خوبي هدايت ميكنند، بر همين مبنا ظروف آشپزي و سيمهاي برق از فلز ساخته ميشوند. فلزات همچنين بسيار محكماند لذا از آنها در ساخت سازه هاي ساختماني استفاده ميكنند. فلزات به راحتي قابل شكل دادن هستند، بنابراين ميتوان از آنها مفتولهاي ظريف سيمي تا قطعات بزرگ آهني را توليد كرد. علاوه بر اينها،ويژگي قابل بازيافت بودن فلزات، مزاياي استفاده از آنها را دو چندان كرده است. انواع مختلف فلزات شباهتهاي زيادي با هم دارند ولي در عين حال تفاوتهايي نيز دارند كه مشخص ميكند يك فلز تا چه حد براي يك كاربرد خاص مناسب است.
از 109 عنصري كه امروزه شناخته شده است، 87 عنصر فلز است. از فلزات به ندرت به شكل خالص استفاده مي شود؛ معمولاً با مخلوط كردن يك فلز با فلزات ديگر يا غير فلزات، آلياژي از آن را توليد كرده و مورد استفاده قرار ميدهند.

خواص عمومي فلزات

همان گونه كه ذكر شد، فلزات گوناگون شباهتهاي زيادي با هم دارند كه از آن جمله ميتوان به موارد زير اشاره كرد.

• شكل ظاهري فلزات: اين مواد ظاهري درخشنده و براق دارند و ميتوان آنها را صيقل داد.
• ساختار فلزات: ساختار و شكل واقعي فلزات به اندازه يون و تعداد
الكترونهايي كه هر يون در حوزه اشتراكي دارد و نيز انرژي يونها و الكترونها بستگي دارد. هر قدر فلز گرمتر شود، اين انرژي افزايش خواهد يافت. بنابراين يك فلز ممكن است در حرارتهاي مختلف، شكلهاي متنوعي را اختيار كند. اما در بيشتر آرايشها، يونها كاملاً پهلوي هم قرار دارند و معمولاً تراكم در فلزات بيشتر از مواد ديگر است.
• تغيير شكل پذيري فلزات: بسياري از فلزات هنگام سرد بودن، به سختي تغيير شكل ميپذيرند. ولي اگر گرم شوند، به راحتي در اثر كوبيدن به صورت ورقه يا مفتنول سيمي در ميآيند. علت اين امر اين است كه بسياري از فلزات در حرارت خاصي آرايش يونهاي خود را تغيير ميدهند بنابراين قابليت شكل پذيري پيدا ميكنند. البته ممكن است با تغيير آرايش يونها،برخي از خصوصيات ديگر فلز نيز دگرگون شود.

• هدايت الكتريكي: تفاوت عمده فلزات با ديگر مواد، در توانايي هدايت الكتريسيته است. چون الكترونهاي آنها براي حركت مانعي ندارند.
• هدايت گرمايي: هادي خوب گرما جسمي است كه ذرات آن طوري آرايش يافته باشند كه بتوانند آزادانه نوسان يافته و به ذرات مجاور خود نيز امكان نوسان آزاد را بدهند. گرم شدن، همان نوسانات سريع يونها و الكترون هاست. در فلزات چون گروه الكترونهاي غبار مانند يونها را احاطه ميكنند، حرارت به خوبي هدايت ميشود.
• مقاومت فلزات: مقصود از مقاومت، ميزان باري است كه فلز ميتواند تحمل كرده و نشكند. بسياري از فلزات در زير فشار متغير مانند نوسانات، راحتتر از زماني كه باري سنگين را تحمل ميكنند، ميشكنند.فلزات را بر اساس منبع توليد آنها به دو گروه عمده فلزات آهني و فلزات غيرآهني تقسيم ميكنند. فلزات آهني (آهن، چدن و فولاد) مصرف بيشتري در ساختمان -سازي دارند. در ادامه اين دو گروه از فلزات بررسي خواهند شد.

فلزات آهني
فلزات آهني فلزاتي هستند كه از آهن (سنگ آهن) توليد ميشوند و شامل آهن، چدن و فولاد ميباشند. با گداختن سنگ آهن در كورههاي آهن گدازي، آهن خام توليد ميكنند و با آهن خام نيز آهن معمولي، چدن و فولاد ميسازند. در واقع چدن و فولاد آلياژهايي از آهن هستند.
آلياژ (چند جوش) تركيبي از فلزات مختلف است كه در صورت لزوم مواد افزودني غير فلزي نيز به آن افزوده ميشود. كاربرد فلزات آهني از تمامي فلزات بيشتر است و 95 % فلزات توليد شده در سراسر جهان را تشكيل ميدهند.

آهن
آهن يكي از رايجترين عناصر زمين است. )فلزي سنگين، درخشان و خاكستري رنگ است كه از سنگ معدن Fe) اين عنصر آهن استخراج ميگردد و به ندرت به حالت آزاد (عنصري) در طبيعت يافت ميشود.    كاربرد آهن از همه فلزات بيشتر است.
قيمت پايين و مقاومت بالاي تركيبات آهن، استفاده از آنها را در صنايع مختلف و نيز ساختمان سازي اجتناب ناپذير ميكند.  اين فلز در ساختمان به صورت نبشي، ناوداني، ورق، ميخ، پيچ و مهره و… به كار ميرود.

آهن گدازي و توليد آهن خام
سنگ آهن را در كوره با حرارت بالا ذوب ميكنند. ماده مذاب حاصل شامل فلز آهن و ناخالصيهاي سنگ آهن است ولي چون وزن مخصوص اين ناخالصيها با فلز مذاب متفاوت است، بنابراين ناخالصيها از آهن مذاب جدا شده و روي سطح آن شناور مي شوند. از اين رو آنها را سرباره يا تفاله كوره آهن گدازي مينامند. سرباره را توسط شير تخليه فوقاني و آهن مذاب را توسط شير تخليه تحتاني از كوره خارج ميكنند. فلز به دست آمده را آهن خام مينامند. هنگام تخليه آهن خام مقداري ناخالصي هم همراه آن تخلیع میشوند. به طوري كه آهن خام 10-5% ناخالصيهايي نظير گوگرد، سيليس، فسفر، منگنز و كربن دارد.آهن خام بدون حالت خميري از جامد به مايع تبديل ميشود. بنابراين قابليت چكبراي اينكه سنگ آهن در درجه حرارت پايينتر ذوب شود، به آن گداز آور مي افزايند.ش خواري خوبي ندارد و قابل نورد شدن هم نيست.

آهن خالص (آهن نرم – آهن ورزيده)

اين آهن فقط 02 كربن دارد و به دليل مخلوط شدن مقداري سرباره با آن، حالت فيبري دارد.
دماي ذوب آن بالا و حدود 1540 درجه سانتيگراد است به همين علت جوشكاري با آن امكان پذير نيست.
مقاومت کششی این نوع آهن بالاست به خاظر همین خاصیت انعطاف پذیری دارد بنابراین در زمان قدیم برای وسایل و قسمت هایی که باید کشش را تحمل میکردند استفاده میشده. همچنین در دمای سرخ به راحتی پرس کاری می شود به همین خاطر مقاومت بالاتر از انتظار در برابر خوردگی نشان میدهد.

آهن خام

این نوع آهن 2% کربن دارد و با کربنیزاسیون آهن خام و آهن قراضه در یک کوره به دست می آید.
دمای ذوب آن پایین(حدود 1130 درجه سانتی گراد) است و روان بودن بالای آن پس از ذوب،آن را برای ریخته گری مناسب می سازد،ولی برخلاف آهن نرم،نمی توان روی آن در حالت مذاب کار کرد و عموما یک ماده شکننده است و مقاومت آن در برابر خوردگی بالاست.

چدن
چدن آلياژي از آهن، كربن و سيليسيم است كه از آهن خام خاكستري ساخته ميشود. براي ساخت چدن، آهن خام را همراه با مقداري آهن قراضه در كوره هاي مخصوص ذوب ميكنند تا مقداري از كربن آن بسوزد و ناخالصيهايي نظير گوگرد و فسفر كه خصوصيات آن را تا حد زيادي تحت تأثير قرار ميدهند به صورت سرباره خارج گردند. فلز مذاب باقي مانده چدن نام دارد.
فسفر چدن را ترد و آبكي ميكند و سبب ميگردد كه حين كار از هم گسيخته شود و گوگرد نيز چدن را كند روان ميكند جنس چدن بستگي به سرعت سرد شدن و نيز جنس آهن  خامي دارد كه در ساخت آن مصرف ميشود. به خاطر قيمت نسبتاً پايين و نيز ويژگيهاي چدن سبب استفاده  از آن در صنايع مختلف شده است. در صنعت ساختمان از چدن  براي ساخت لوله هاي آب و فاضلاب، نرده، كف پوش، يراق آلات  و… استفاده ميكنند

فولاد

فولاد عنصر نيست بلكه معروفترين آلياژ است كه بين 51_2% كربن دارد. فولاد پرمصرفترين فلز آهني است. اين فلز را از آهن خام سفيد ميسازند.
بدين ترتيب كه آهن خام سفيد را همراه با مقداري آهن قراضه حرارت ميدهند تا كربن آن بسوزد و برخي از ناخالصي هاي آن نيز به صورت سرباره خارج شود. در حال حاضر تقريباً 50% توليد كنوني فولاد در دنيا از آهن قراضه است.

ادامه مطلب در فایل پائین …..

دانلود فایل رایگان