متالورژي سمنان


عوامل مؤثر در حلاليت

Factors Affecting Solubility  عوامل مؤثر در حلاليت 

There are four major factors that determine whether a solid solution will indeed arise between two metals. The foremost is the atomic size factor. If a foreign atom is substituted into a lattice, there will naturally be a distortion of the lattice. This will cause the formation of a new phase. Well, more closely in size this atom is to the lattice atoms, the easier it will be to assimilate. Research has shown that the atomic sizes of the two components have to be within 15% to get complete solubility. However, size compatibility does not entail solubility. There are other forces at work here. The elements have to have similar electrochemical factors. The more electropositive one element and the more electronegative the other, the more there will be a tendency to form an intermetallic compound instead of a solid solution. The third factor of relevance is the relative valency of the two elements. The higher the valency of one component, the more likely will it tend to dissolve in the other component. And finally, the two potential solid solution members need to have the same crystal structure for complete solubility.

 

شرايطي كه دو عنصر در حالت جامد در تمام نسبتها در يكديگر محلولند عبارتند از :

1) شرط اوليه براي حلاليت كامل كريستال به صورت جانشيني ، داشتن شبكه كريستالي يكسان است.

2) اختلاف واحد شبكه يا شعاع اتمي يا يونـــــــي انها در حلاليت به صورت جانشيني بايد تا حد امكان كوچك بـــاشد.(حداكثر اختلاف15درصد)

 3) داشتن ظرفيت يكسان :

4 ) داشتن الكترو نگاتيويته يكسان نيز حلاليت اتمها را در هم مناسبتر مي كــــند.

بهترين مثال در مورد حلاليت كامل دو فلز در حالت جامد و  از نظر صنعتي ، حلاليت مس و نيكل و از نظر فلزات قيمتي طلا و نقره است ، of measuring solubility is to look at dHm, the enthalpy of mixing. The more positive this quantity is, the less ideal the solution. The diagram below shows a progression from ideal to less ideal solutions and what the corresponding diagrams look like as the dHm increases.

After that refreshing meal of metallurgical wisdom, we are ready to look at the most prominent type of phase diagram.

Eutectic Reactions   واكنش يا تحول يوتكتيك

 

در جريان سرد شدن مذاب ، اگردر درجه حرارت مشخصي يك فاز مذاب به دو فاز جامد تبديل شود و يا در جريان گرم كردن دو فاز جامد به يك فاز مذاب تبديل گردند تحول يوتكتيك صورت كرفته است .

Above is the typical eutectic diagram. At first, it may look formidable, but fear not, for we shall tame the roynish scoundrel. As you can see, we have all the regions common to a complete solubility system. Now, it is common to call the terminal solution on the left side the alpha and the one on the right the beta. And so it shall be. So we have the alpha, the beta, and the liquid phase. Thus the term three-phase equilibria. We also have the alpha + beta, alpha + L, and beta + L. The liquidus line in a binary eutectic is the curve Ta-E-Tb. The solubility curves ac and bd delimit the solid phases (a.k.a. the solvus curves). The solidus curve is the line Ta-a-E-b-Tb. Note that the solubility curves slope inward, in accordance with the fact that solubility increases with temperature.

Now lets consider what happens when a solution of certain composition cools. The simplest case is that of a compound of eutectic composition, denoted by line 1 on the diagram. The eutectic reaction occurs at Te, the eutectic temperature, and is denoted by:

L -> alpha + beta


where L is the liquid phase. As the compound cool, it will reach Te. Here, the eutectic reaction will proceed until all of the liquid has been consumed. At this point, the alpha and beta will be in equilibrium with each other. Now the resulting solid will cool, where the relative compositions of the phases will be controlled by the solubility curves ac and bd. Remember the lever rule and tie lines and all that? It is explained elsewhere in the analytic section, Interpretation of phase diagrams by that hardworking Chris Lattin, our Analytic Group leader.

Now, a eutectic mixture will have a characteristic microstructure. These structures are called lamellar, globular, rod and acicular, depending on the appearance of the two phases (see main analytical page). However, this classification is somewhat misleading, since it has been shown that the structure of the eutectic composition is dependent upon the conditions of solidification as well as the effect of impurities in the liquid. The solidification will initiate with the nucleation of one of the phases. This will cause the other phase to be rejected at the interphase of the first phase with the liquid. At some further point, the other phase will begin to nucleate. In the case of a lamellar eutectic, the second phase nucleates on the first phase, thus creating the lamellar growth which give it its name.

 

The diagram has been repeated above for convenience. This is a friendly page, afterall. Now we come to the case of hypo-eutectic alloys. These are ones whose Xb component is less than the eutectic composition. There are three different cases worth noting, denoted by 2a, 2b, and 2c. Lets look at 2a. This is the same case as for a two-phase system. The solid starts to nucleate when the cooling crosses the liquidus line and when it crosses the solidus line, there is no more liquid. So we get the regular grain structure of a metal. The 2b case is more interesting. It begins in the same way, freezing as an alpha solid solution. When it crosses the ac solvus line, however, the beta phase starts to deposit from the alpha phase. The beta phase can precipitate at the alpha grain boundaries, at certain crystallographic planes of the alpha phase, or around inclusions and dislocations. the final case is illustrated by 2c. Here, upon crossing the liquidus line, the alpha phase begins to deposit. When the composition reaches the eutectic temperature, the remaining liquid undergoes the eutectic reaction. The alpha phase is then present as primary (that fraction present before the eutectic reaction) and as one of the phases in the eutectic mixture.

Hyper-eutectic alloys are ones where the Xb composition is greater than the eutectic composition. They behave in a similar way to hypo-eutectics, the only change being that now the dominant phase is the beta phase. And thats all I have to say about that.

 

Actually, no its not. One more point will be made. Above is a representation of the evolution of the limiting form of a eutectic diagram. The diagram on the right is an impossibility, since it implies complete immiscibility. it also implies a melting range of Ta to Te for the alpha phase. Thus such a diagram cannot be. The complete immiscibility of two metals does not exist.

 

Peritectic Reactions   واكنش(تحول) پريتكتيك 

 

هر گاه در جريان سرد شدن آلياژي ، يك فاز جامد به همراه يك فاز مايع ، تبديل به يك فاز جامد متفاوت با فازجامد قبلي گردد ويا برعكس در جريان گرم كردن يك فاز جامد تبديل به يك فاز مايع و يك فاز جامداز نوع ديگر گردد تحول پريتكتيك صورت گرفته است.

 

Above is the picture of a typical phase diagram incorporating a peritectic reaction. We basically have all the same regions as in a eutectic. The only difference is that there is no eutectic reaction. instead we have a peritectic reaction:

L + alpha -> beta

 

دردياگرام آهن و سمانتيت تحول پري تكتيك در دماي 1493 درجه سانتيگراد صورت ميگيرد كه دراثر آن ،( در جريان سرد شدن ) يك مذاب به همراه يك جامد  ( آهن دلتا ) ، تبديل به اوستنيت كه خود جامدي است متفاوت با آهن دلتا تبديل ميگردد .


Instead of a eutectic temperature, we have the peritectic temperature, located at Tp in the diagram. P is called the peritectic point. Here we have three types of alloy, just like in the eutectic system. These are alloys of the peritectic composition, Xb = P, alloys with Xb<P, and as the clever reader might have guessed, alloys with Xb>P. The terms hypo- and hyper- can be used, but usually these are reserved for the eutectic case.

Let us examine the elusive conundrum of the peritectic reaction. Going down line 1 on the diagram, we cross the liquidus curve Ta-b-Tb. The alpha phase starts to separate and increases in fraction according to line Ta-a. When Tp is reached, the peritectic reaction occurs. When the reaction is completed, all the liquid has been consumed and all the alpha in the solution has been converted to the beta phase. So now we have 100% beta solution. As the solution cools further, the alpha phase begins to precipitate back from the beta phase. Unearthly, would you not say? had the curve Pd been sloping to the left, the solution would remain 100% beta.

Alloys with Xb<P are only interesting for the case a<Xb<P. These alloy undergo the peritectic reaction. As the liquid cools, it forms the alpha phase until it hits Tp. Then all the liquid reacts with some of the alpha solid to form the beta phase. Thus, after the peritectic reaction is complete, consists of the leftover primary alpha phase together with the newly formed beta.

For alloys with Xb>P, the same thing applies. For P<Xb<b, the peritectic reaction occurs. In these cases, there is an excess of the liquid phase over that required to form the necessary amount of beta. That is the only difference.

A common type of peritectic diagram is one with an intermediate phase. This intermediate phase has a composition between those of the terminal solutions. It usually as a different crystal structure which differs from the components. Also, there is usually a eutectic reaction between this phase and the beta phase. These phases can be classified into three broad categories:

  1. normal valency compounds: these are phases that obey the valency rules and have much in common with ionic compounds
  2. size factor compounds some phases have structures which are determined by the relative sizes of the constituent atoms
  3. electron compounds: with similar electrochemical properties and size factors, the composition occurs at one of three specific ratios. These are 3:2, , 7:4
Limited Solubility in the Liquid Phase  حلاليت محدود در فاز مايع 

موقعي آلياژ خوب توليد مي شود كه دو فلز در حالت مذاب بخوبي در يكديگر حل شده باشند كه يك مايع كاملا يكنواخت بدست بياييد . البته استثناء وجود دارد مثلا وجود ذرات سرب در آلياژهاي زود تراش لازم است تا ماشينكاري را آسانتر كند ، مذاب فلزاتي مثل مس و سرب هيچگونه انحلالي در حالت مذاب ندارند ضمن اينكه بايد دانست وقتي مذاب فلزاتي كه در حالت مذاب در همديگر حل ميشوند دليلي ندارد كه در حالت جامد نيز كاملا در همديگر محلول باشند بنابر اين چند حالت ممكن است پيش آيد.

1-    دو فلز در حالت جامد نيز صد در صد بصورت محلول باقي بمانند .

2-    دو فلز حلاليت محدود در همديگر داشته باشند و بقيه بصورت ذرات ريز يا درشت در بين دانه ها رسوب كنند.

3-    دو فلز از حالت انحلال بدر آمده و به دو صورت فلز خالص منجمد شوند.

4-    دو فلز از لحاظ شيمياييبر يكديگر اثر كرده و توليد تركيب فلزي نماييند.

It may indeed happen that in the liquid phase, we have partial immiscibility. If you ever mixed milk and motor oil, you know what I am talking about. Well, the same thing can happen with metals. Above is the diagram of a progression of the appearance of a phase diagram as the dHm, the enthalpy of mixing of the liquids gets more positive.

 

 

Monotectic Reactions  واكنش منو تكتيك 

در تحول منوتكتيك يك مذاب در جريان سرد شدن به يك جامد ويك مذاب از نوع متفاوت با مذاب قبلي خواهد شد ويا برعكس ، يعني هرگاه در جريان گرم شدن يك مذاب به همراه يك جامد در درجه حرارت معيني تبديل به يك مذاب كه از نظر فازي متفاوت با مذاب قبلي باشد گردد تحول منوتكتيك صورت گرفته است ، به مثال زير توجه كنيد .

Above is a diagram of a typical system with a monotectic reaction. The monotectic reaction is:

L1 -> alpha + L2

 

In this reaction, a liquid decomposes into a solid phase and a new liquid phase. Above the monotectic temperature Tm, we have two liquid phases. From the Tm, to Tc, the critical temperature, the two liquids are immiscible and will separate as two layers. Below the monotectic temperature, there is usually a single solid phase in equilibrium with a liquid phase. Examples of this are the Ga-Pb and Ga-Tl systems.

The monotectic alloy goes through point M in the above diagram. At Tm, it undergoes the monotectic reaction. Once again, we see similarities to the eutectic reaction. As the solution passes point M, the alpha phase starts to nucleate. The L2 phase appears as well, dispersed among the alpha matrix. When the solution reaches the Te temperature, the L2 liquid solidifies into the beta phase

 

Syntectic Reactions  تحول يا واكنش سنتيكتيك 

درتحول سنتيكتيك دو فاز مايع در جريان سرد شدن در درجه حرارت معيني تبديل به يك فاز جامد مي گردند ويا برعكس يك فاز جامد در هنگام گرم شدن در درجه حرارت بخصوصي تبديل به دو فاز مايع مي گردد ، در نمودار ذيل دو تحول اتكتيك و يك تحول سنتيكتيك نشان داده شده است .

 

Above, a syntectic reaction lurks within the diagram. This is a rare beast among alloy systems, occurring in systems like K-Zn, Na-Zn, K-Pb, Pb-U and Ca-Cd. The pertinent reaction is:

L1 + L2 -> alpha

 

In a syntectic system, the alpha phase is an intermediate phase formed when the two liquids freeze, for a specified composition, the syntectic composition.

Solid State Reactions  تحولات در حالت جامد 

There are three major solid state reactions that arise:

سه تحول عمده ومهمي كه در حالت جامد صورت ميكيرد عبارتند از :

1-   تحول يوتكتوئيد ، اين تحول هنگامي صورت ميگيرد كه يك فاز جامد در هنگام سرد شدن در درجه حرارت خاصي تبديل به دو فاز جامد از نوع ديگر گردد ويا دو فاز جامد در هنگام گرم شدن در درجه حرارت خاصي تبديل به يك فازديگر شوند بهترين مثال در اين مورد تبديل اوستنيت  به پرليت (سمانتيت و فريت ) در دياگرام آهن و كربن است كه در درجه حرارت 727 درجه سانتيگراد صورت ميگيرد.

2-   تحول منوتكتيك ، در اين تحول يك فاز در جريان سرد شدن در درجه حرارت خاصي به دو فاز جامد كه يكي از آنها با فاز قبلي تفاوت چنداني ندارد و فقط  در نظم و يا بي نظمي متفاوت است تبديل ميشود.

3-   تحول پري تكتوئيد ، پري تكتوئيد تحولي است كه در آن دو فاز جامد در جريان سرد شدن تبديل به  يك فاز جامد ديگر شود و يا برعكس ،

  • The eutectoid: alpha -> beta + gamma                       يوتكتوئيد
  • The monotectoid: alpha1 -> beta + alpha2         منوتكتوئيد
  • The peritectoid: alpha + beta -> gamma           پري تكتوئيد        

 

These are exactly as the previously mentioned reactions, except now the liquid phase has been replaced by a solid phase. The only difference is in the kinetics of the reactions, the solid state reactions are slower than their liquid counterparts.

An additional factor must be considered in the free energy calculation. This is the Gstrain, the free energy of straining that occurs as a result of changing crystal structures and lattice parameters. Thus the reaction will occur if -dG.bulk > +dG.interface + +dG.strain.

That completes our tour through the phase equilibria zoo. Yet do not succumb to thanatopsical threnodies, do not sink into lachrymal elegies, for this is not the end. Here's something extra..

 

انواع تركيبهاي آلياژي

1-  تركيب والانسي يا ظرفيتي :

اين نوع تركيبات از قانون شيميايي پيروي شده و يك فلز با خاصيت فلزي زياد با فلز ديگري كه داراي خاصيت فلزي كم و در مرز شبه فلزات قرار دارد تركيب مي شود.مانند:

Mg3Bi-Mg3Sb-Mg2Sn – Mg2Si

 

2      - تركيبهاي بين نشيني (بين شبكه اي ) :

تركيبهاي بين نشيني بين فلزات انتقالي و اتمهاي كوچك مانند هيدروژن ، كربن ، بر ، اكسيژن ، نيتروژن تشكيل ميشود و تفاوت اين تركيبات با محلولهاي بين نشين در اين است كه محلولهاي جامد بين نشين با دامنه بسيار وسيعتري تشكيل مي شوند در حاليكه تركيبهاي بين نشين دامنه بسيار محدودي دارندبطوري كه ميتوان آنها را بوسيله فرمول شيميايي نشان داد.مانند،

W2C   Fe3C Fe2N CrN

اصولا اين تركيبات سختي زياد ، نقطه ذوب بالا و قابليت تورق كمي دارند.

 

 

 

 3- تركيبهاي الكتروني:

  تركيبهاي الكتروني  با نسبت هاي معيني مانبا هم تركيب ميشوند و اختلاف اندازه اتمهاي سازنده اين نوع آلياژها از 15% تجاوز نمي كند.

Cu9Al4 –Cu3Al – Cu5Zn8 – Cu3Sn

( نسبت اين تركيبها از تقسيم تعداد الكترون هاي ظرفيت به تعداد اتم ها به دست مي آيد.)

Cu=1  Zn=2  Al=3  Sn=4 الكترون ظرفيت ،

 به مثال توجه كنيد.

در تركيب الكتروني Cu3Sn   تعداد الكتونهاي ظرفيت  7=(4*1) + (1*3) خواهد بود و تعداد اتمهاي اين تركيب نيز  4=1+3 مي باشد بنابر اين تركيب الكتروني با نسبت 4 به 7 تشكيل شده است.

 

نمودارهاي تعادلـــــي سيستم دو عنـــصري ( دو جـزئي)

با استفاده از نمودارهاي تعادلي مي توان پيش بيني كـــرد كه در يك الياژ يا درصد تركيب (غلظت)

معين در هر درجه حرارت چه فازهايي در حال تعادل است .

و همچنين به كمك ان نمودارها مي توان درصد تركيب شيميايي و مقدار هر فاز را معـــــين كــــرد

اينكه چه فازهايي در يك الياژ و درجه حرارتي بستگي دارد

كاربرد نمودارهاي تعادلي

1) غلظتي را كه در ان مخلوطي از اجزاي سازنده الياژ ، بالاترين و پايين ترين نقطه ذوب را دارد.

2) محدوده حرارتي را كه يك ماده مي تواند حرارت داده شده رابدون اينكه فعل وانفعالات

از نوع كريستال به نوعي ديگر در حالت جــــامد ، تجزيه ويا جدايش در ان انجام گيرد.

3)تعداد و نسبتهاي حجمي فازهايي كه در غلظتهاي معيني شكل ميگيرند.

4) غلظتهايي كه براي الياژهاي ريخته گري مناسب مي باشد.

5) امكان تشكيل فازهاي جــــديد.

6)امكان شكل گيري فاز در درجه حرارت هاي پايين در هنگام ســــرد شدن
نعمت الله طاهری

بازيابي - تبلور مجدد - رشد دانه ها

 

بازيابي - تبلور مجدد - رشد دانه ها

Recovery  ,   Recrystallization  ,  and Grain Crow th.

وقتي كه يك فلز يا آلياژ در اثر كار سرد تغيير شكل پلاستيك مي دهد  ( و يا بر اثر تابش دهي از يك واكنشگر هسته اي آسيب مي بيند )در يك حالت پرانرژي شبه  ( نيمه ) پايدار قرار مي گيرد كه خواص فيزيكي و مكانيكي آن تغيير يافته و دانه هاي آن به صورت كشيده و گاهي هم دانه هاي هم محور قبلي خرد مي گردند و به هر حال فلز ديگرحالت تعادل ندارد ، اين فلز را مي توان با درجه حرارت و زمان ( عمليات تابكاري ) به حالت پايدارتر تبديل نمود .( ساختمان تغيير شكل يافته در اثر كار سرد را از بين برد و خواص فلز را به حالت معمولي باز گرداند ) .

فرايند باز پخت ( تابكاري ) در سه مرحله انجام مي گيرد :

(1 )  بازيابي يا ترميم        (2) تبلور مجدد           (3) رشد دانه ها

بديهي است اگر تغيير شكل در درجه حرارت بالا انجام شده باشد ( مانند خزش ) ، عمليات باز پخت سبب برگشت خواص و ساختار اوّليه آن نخواهد شد.

1- بازيابي يا ترميم

در مرحله اوّل ( باز يابي يا ترميم ) دانه هاي جديدي تشكيل نمي شود بلكه فقط معايب اتمي مانند كمبود اتم و خصوصاً نابجايي ها كم شده و آرايش جديدي به خود مي گيرند زيرا اتم ها كه در اثر افزايش درجه حرارت قابليت تحرك آنها زياد شده بسوي مكان تقريباً متعادل تري حركت مي كنند و نخستين اثر قابل توجه آن كاهش تنش هاي داخلي محبوس شده است لذا اين عمليات براي جلوگيري از ترك خوردگي و به حداقل رساندن واپيچش حاصل از تنش هاي موضعي كاربرد دارد . در مرحله ترميم علاوه برمورد فوق (‌ آزاد شدن انرژي ذخيره شده و حذف يا كاهش تنش ها ) خواص مكانيكي ، مقاومت الكتريكي و ساختار شبكه فلزات نيز تا حدودي ترميم خواهد شد .

2-تبلور مجدد

اگر چه بخشي از انرژي ذخيره شده در فلزي كه بشدت در معرض سرد كاري قرار گرفته در حين عمل باز يابي آزاد مي شود امّا بخش عمده باقي مانده به عنوان نيرويي محركه فرايند تبلور مجدد عمل مي كند به اين صورت كه موجب تشكيل هسته هاي جديد بدون كرنش در داخل زمينه سرد كاري شده مي گردد و رشد اين هسته ها ( جوانه ها ) موجب بوجود آمدن دانه هاي هم محور جديد مي گردد كه از نظر ساختار داراي نظم بيشتري هستند ، بنابراين مكانيسم تبلور مجدد به دو مرحله جوانه زدن و رشد تقسيم مي شود . علاوه برزمان و دما عوامل ديگري نيز در تبلور مجدد مؤثرند كه مهمترين آنها عبارتند از : عناصر آلياژي - ميزان سرد كاري - دانه بندي فلز  .

3- رشد دانه ها و تبلور مجدد ثانويه

 آلياژي كه به وسيله تبلور مجدد اوّليه ساختاري با دانه هاي ريز تشكيل داده است را مي توان به وسيله ادامه دادن عمل باز پخت به ساختاري با دانه هاي درشت تر تبديل كرد زيرا دانه هاي ريز در پايدارترين حالت خود نيستند و داراي مقداري انرژي اضافي بصورت مرز بين دانه اي مي باشند كه در اثر ادامه عمليات باز پخت از بين خواهد رفت ماند مجموعه اي از حبابهاي صابون كه در آن حبابهاي بزرگتر ، حبابهاي كوچكتر را جذب مي كنند ( در اينجا نيروي محركه فشار گاز داخل حباب است .) مكانيسم عمل شامل مهاجرت سريع مرز دانه ها ودر نتيجه  بوجود آمدن دانه هاي بزرگتر است . فرق بين بزرگ شدن دانه ها و تبلور مجدد ثانويه در اين است كه در تبلور مجدد ثانويه بعلت مهاجرت سريع مرزها بعضي از دانه ها رشد سريع دارند و دانه هاي بسيار بزرگ در كنار دانه هاي كوچك قرار دارند ، امّا بزرگ شدن  دانه ها در رشد دانه اي يكنواخت است . ( بعلت مهاجرت آرام مرزها ) .

 

  به سئوالات زير پاسخ دهيد ؟

1- بارسم بازيابي  - تبلور مجدد - تبلور مجدد ثانويه و رشد دانه ها را بر روي يك فلزي كه كار سرد بر روي آن انجام گرفته نشان دهيد ؟

2-با رسم يك نمودار تغييرات خواصي مانند سختي - مقاومت كشش -تنش هاي داخلي و انعطاف پذيري را در جريان عمليات حرارتي ( بازيابي - تبلور مجدد - رشد دانه اي ) يك فلز فرض را نشان دهيد ؟

3- شرايط و نكات مهمي كه در مورد تبلور مجدد بايد مورد توجه قرار گيرد را بنويسيد ؟                                 


نعمت الله طاهری

خير مقدم و معرفي

بسمه تعالي

از اوايل سال تحصيلي ۸۶-۸۷ طي حكمي از طرف سازمان آموزش و پرورش استان سمنان جناب آقاي مهندس مجيد قوشچي به سمت سر گروه آموزشي متالور‍ژي استان سمنان منصوب شدند . ضمن تبريك . آرزوي موفقت براي اين عزيز و ديگر هنرآموزان محترم اين رشته در شاخه هاي  فني و حرفه اي و كار دانش دارم .

اينجانب ضمن  ادامه همكاري در بروز رساني اين وبلاگ با آقاي مهنس قوشچي . بيشتر در خدمت شما در گروه كارآفريني استان خواهم بود .

وبلاك سرگروه كارآفريني استان سمنان     http://www.karafariny11.persianblog.ir/

موفق باشيد.


نعمت الله طاهری

چه چيزي خواص مواد را مشخص مي‌‌كند؟



شايد تا بحال از خود پرسيده باشيد كه چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخي از آن‌ها محكم تر از سايرين هستند؟ چرا برخي از مواد رسانا و برخي نارسانا؟ چرا نور مي‌تواند از بعضي از مواد عبور ‌كند و از بعضي ديگر نه؟
سئوالاتي از اين دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌هاي مواد از نظر خواص مي‌‌كند و ما را در رابطه با علت اين تفاوت‌‌ها، به تفكر بيشتر وادار مي‌‌كند. با اطلاعاتي كه ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌هاي موجود در عناصر داريم شايد گمان كنيم كه تفاوت‌‌‌‌هاي موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌هاي عناصر تشكيل دهنده آنها است. با اين تفكر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشكيل دهنده خود خواهند بود و تمامي ويژگي‌‌هاي رفتاري مواد با شناخت عناصر تشكيل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر اين اساس مشخص شدن عناصر تشكيل دهنده يعني تعيين تركيب شيميايي همه اسرار مربوط به خصوصيات مواد را آشكار مي‌‌كند. براستي با دانستن تركيب شيميايي، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با كمي دقت و توجه به تركيبات شيميايي مواد پيرامون خويش در مي‌‌يابيم كه بسياري از آنها با وجود اين كه در رفتار و خواص با يكديگر بسيار متفاوتند، داراي عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي يكسان مي‌باشند و برخي ديگراز مواد با داشتن عناصر تشكيل دهنده و تركيب شيميايي متفاوت با يكديگر، داراي خواص و رفتار مشابهي هستند. پس چه چيزي بجز تركيب شيميايي موجب تفاوت در رفتار مواد مي‌‌شود؟
براي جواب اين سئوال لازم است كه بيشتر با ساختار و ويژگي‌هاي مواد آشنا شويم.
ساختار مواد چيست؟
ساختار مواد ارتباط بين اتم‌‌ها، يون‌‌ها و مولكول‌‌هاي تشكيل دهنده آن مواد را مشخص مي‌‌كند. براي شناخت ساختار مواد ابتدا بايد به نوع اتصالات بين اتم‌‌ها و يون‌‌ها پي برد. به طور حتم با پيوندهاي شيميايي آشنايي داريد. پيوندهاي شيميايي نحوه اتصال ميان اتم‌‌ها و يون‌‌ها را مشخص مي‌‌كنند. بنابراين تفاوت پيوندهاي شيميايي مختلف را در ويژگي‌هاي اين پيوندها مي‌‌توان مشاهده كرد. به عنوان مثال در نمك طعام به دليل وجود پيوند يوني كه منجر به محصور شدن الكترون‌‌ها مي‌‌شود، خاصيت "رسانايي" مشاهده نمي‌شود زيرا الكترون‌‌ها كه حامل و انتقال دهنده‌ي بار الكتريكي هستند، به دليل محصور شدن امكان حركت ندارند و چيزي براي انتقال بار الكتريكي در ميان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دليل وجود پيوند فلزي كه موجب آزادي الكترون‌‌ها مي‌‌شود و امكان تحرك الكترون‌‌ها را فراهم مي‌‌نمايد، مي‌‌توانيم خاصيت رسانايي را انتظار داشته باشيم. زيرا الكترون‌‌هاي آزاد، امكان انتقال بار الكتريكي را در طول ماده فراهم مي‌آورند. همانطور كه ذكر شد اطلاع از نوع پيوندهاي اتمي مي‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد كمك كند. اما آيا تنها با دانستن نوع پيوندها تمامي خواص و رفتار يك ماده را مي‌‌توان پيش‌‌بيني كرد؟
براي روشن شدن مطلب مثال معروفي را ارائه مي‌‌كنيم. همانطور كه مي‌‌دانيد گرافيت و الماس هر دو از اتم‌‌هاي كربن تشكيل شده‌‌اند و هر دو "ريخت‌‌هاي" مختلفي از عنصر كربن هستند. اما چرا خواص گرافيت و الماس تا اين حد با يكديگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترين ماده طبيعي معرفي مي‌‌گردد و گرافيت به دليل نرمي بسيار، به عنوان ماده "روانساز" به كار گرفته مي‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافيت و الماس را به نوع اتصال و پيوند شيميايي اتم‌‌هاي كربن نمي‌‌توان نسبت داد زيرا در هر دو شكل اين ماده - كه تنها داراي اتم‌‌هاي كربن است - يك نوع پيوند شيميايي وجود دارد. بلكه علت در "چگونگي اتصالات و پيوندهاي شيميايي" اين دو شكل كربن است. در گرافيت اتم‌‌هاي كربن شش ضلعي‌‌هاي پيوسته‌‌اي شبيه به يك لانه زنبور تشكيل مي‌‌دهند كه در يك سطح گسترده شده است. لايه‌‌هاي شش ضلعي ساخته شده با قرار گرفتن روي هم، حجمي را تشكيل مي‌‌دهند كه به آن گرافيت مي‌‌گوييم. واضح است كه در ساختار گرافيت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: يك نوع اتصال، اتصالي است كه بين اتم‌‌هاي كربن هر لايه لانه زنبوري وجود دارد و جنس آن از نوع پيوند كوالانسي است. نوع دوم اتصالي است كه لايه‌‌هاي لانه زنبوري را به يكديگر وصل مي‌كند. بديهي است كه اين نوع از جنس اتصالات اوليه يعني پيوندهاي اتمي نيست. بنابراين پيوند به هم پيوستگي دوم - كه قدرت به هم پيوستگي لايه‌‌ها را مشخص مي‌‌كند - ضعيف‌‌تر از اتصال اوليه كه يك پيوند كوالانسي است، خواهد بود. پس مي‌توان انتظار داشت كه گرافيت، در جهت صفهات لانه‌زنبوري به دليل داشتن پيوند قوي كووالانسي استحكام بالايي داشته باشد؛ بالعكس، اين ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوري به علت وجود پيوند ضعيف ثانويه بين لايه‌ها، به مراتب كمتر از استحكام درون آنها، داراي مقاومت است. از طرفي به دليل پيوندهاي ضعيف بين لايه‌‌اي انتظار مي‌‌رود كه با اعمال نيرويي بيشتر، لايه‌‌هاي لانه زنبوري بتوانند بر روي يكديگر بلغزند. 

<در مقابل ساختار لايه‌اي گرافيت، الماس داراي يك ساختار شبكه‌اي است. در گرافيت پيوندهاي اوليه يعني پيوندهاي اتمي تنها در يك سطح (در يك وجه) برقرار مي‌‌شود در حالي كه در ساختار الماس اين پيوندها به صورت شبكه‌‌اي سه بعدي فضا را پر مي‌‌كنند. در ساختار گرافيت هر اتم كربن با سه اتم كربن ديگر اتصال اتمي از جنس كوالانسي ايجاد مي‌‌كند، در حالي كه در ساختار الماس هر اتم كربن با چهار اتم كربن ديگر پيوند اتمي و از جنس كوالانسي برقرار مي‌نمايد.  
با توضيحاتي كه راجع به تفاوت‌‌هاي ساختاري گرافيت و الماس داده شد مشخص مي‌‌گردد كه دليل نرمي گرافيت و سختي الماس در چيست. همانطور كه ديديد ساختار با مشخص كردن نوع، تعداد و چگونگي پيوندهاي تشكيل دهنده مواد، تاثير به سزايي در خواص مواد دارد. بنابراين از طريق مطالعه در ساختار مواد، بسياري از رفتارها و خواص آنها را مي‌‌توان پيش‌‌بيني كرد. همچنين براي دستيابي به برخي از خواص مي‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحي نمود.
ريزساختار چيست؟
با شناختي كه نسبت به ساختار مواد پيدا كرده‌ايد، ممكن است گمان كنيد موادي كه ما به صورت توده‌اي در اطراف خود مي‌بينيم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاري اوليه به وجود آمده‌اند. به عبارت ديگر ممكن است تصور شود كه مواد توده‌اي، شكل گسترش يافته ساختار اوليه است و بنابراين تمامي خواص و رفتار ساختار اوليه را دارا خواهد بود. اين تصور با مشاهدات رفتاري مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافيت ما انتظار داريم كه استحكام در راستاهاي مختلف متفاوت باشد زيرا ساختار اوليه در جهت صفحات لانه زنبوري داراي استحكام بالا و در جهت عمود بر صفحات داراي استحكام كمي است. بنابراين گرافيت فقط در برخي جهات خاص مي‌بايست "قابليت حركت لايه‌ها بر روي يكديگر" را داشته باشد. مي‌دانيم كه از گرافيت به عنوان ماده اصلي مغز مداد استفاده مي‌شود و اثري كه از مداد بر روي كاغذ باقي مي‌ماند در حقيقت لايه‌‌هاي نازك گرافيت است كه با مالش نوك مداد بر روي كاغذ، از سطح آن كنده شده و بر روي كاغذ مي‌چسبد و همانطور كه پيش‌تر اشاره شد لايه‌هاي گرافيت به دليل پيوند ضعيف ثانويه امكان لغزش و حتي جدا شدن از يكديگر را دارند. حالا سئوال اينجاست كه اگر توده گرافيت گسترش همان ساختار اوليه گرافيت باشد، بايد مداد تنها در يك جهت خاص قابليت نوشتن داشته باشد زيرا ساختار گرافيت تنها لغزيدن لايه‌ها بر روي هم و كنده شدن آنها از توده و چسبيدن‌شان به سطح كاغذ را در جهت خاصي ميسر مي‌سازد و در غير از آن جهات خاص به دليل وجود پيوندهاي قوي درون لايه‌ها، امكان كنده شدن وجود نخواهد داشت. اين تعبير به آن معناست كه مداد تنها در برخي جهات خاص مي‌نويسد و در ديگر جهات مداد نخواهد نوشت و اين تصور با تجربه هر روزه ما از بكارگيري مداد متفاوت و متناقض است زيرا به تجربه دريافته‌ايم كه مداد در تمامي جهات مي‌نويسد. ما مداد را در هر زاويه و هر جهتي نسبت به كاغذ حركت دهيم مداد خواهد نوشت. پس دليل اين تناقض چيست؟ آيا ساختار گرافيت آنگونه كه گمان مي‌كنيم نيست؟ و يا اينكه توده گرافيت چيزي غير از گسترش يكنواخت و هماهنگ ساختار گرافيت است؟ 

براي درك درست از رفتار توده‌اي مواد لازم است كه با ريزساختار آنها آشنا بشويم. با بررسي ميكروسكوپي گرافيت درمي‌يابيم‌ كه توده گرافيت يكپارچه نيست بلكه اين توده متشكل از دانه‌هاي بسياري است كه هر يك به صورت مستقل و جدا از يكديگر در درون خود داراي ساختار گرافيت هستند. به عبارت ديگر توده گرافيت را مي‌توان اجتماع بي‌نظمي از بخش‌هايي كه هر يك داراي ساختار گرافيت هستند، دانست.  
تفاوت اين نوع ريزساختار از نوعي كه پيش‌تر تصور مي‌كرديم، يعني يك توده گسترده از ساختار گرافيت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافيت را يك ساختار يكپارچه و منظم از ساختار گرافيت كه در تمام توده گسترش يافته مي‌دانستيم در اين حالت نظم حاكم بر ساختار، يك نظم با دامنه بلند كه تمام توده را مي‌پوشاند در نظر گرفته مي‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافيت به صورت محلي و با دامنه‌هاي كوتاه مشاهده مي‌شود. اين بي‌نظمي در قرار گرفتن توده‌هاي داراي ساختار گرافيت باعث مي‌شود. تنوع و گوناگوني فراواني در بخش‌هاي گرافيت كه هر يك زاويه و جهت خاصي دارند، وجود داشته باشد. بنابراين هميشه بخش‌هايي كه زاويه و جهت مناسب براي حركت و كنده شدن لايه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگراني از جهت و زاويه قرار گرفتن مداد مي‌توانيم از نوشتن آن مطمئن شويم.
نتيجه‌گيري
عوامل تاثيرگذار در خواص توده‌اي مواد را به صورت اجمالي و ساده شناختيم. اين عوامل عبارت بودند از عناصر تشكيل دهنده مواد، ساختار مواد و ريزساختار مواد. به صورتي ساده مي‌توانيم خواص توده‌اي مواد را مشابه با خصوصيات يك شهر بدانيم. عناصر تشكيل دهنده مواد به صورت مصالح بكار گرفته شده در ساختمان‌هاي شهر، ساختار مواد كه چگونگي قرارگرفتن عناصر در كنار يكديگر و اتصالات ميان آنها را مشخص مي‌كند به صورت ساختمان‌هاي شهر و ريزساختار كه چگونگي كنار هم قرار گرفتن ساختار ميكروسكوپي را معين مي‌كند، به صورت الگوهاي شهرسازي در نظر گرفته مي‌شود. با اين تشبيه خصوصيات يك شهر نه تنها به مصالح(تركيب شيميايي بكار رفته در آن) بلكه به معماري ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازي(ريزساختار) نيز بشدت وابسته خواهد بود. 

منبع : نانو کلوپ

نعمت الله طاهری

حالت‌های ماده

حالت‌های ماده

در دماهای عادی ماده سه حالت دارد که تقریباً برای همه شناخته شده است؛ گاز، مایع، جامد. علاوه براین حالات، حالات دیگری از ماده وجود دارد که در دمای معمولی جو زمين قابل تشکیل نیستند. مانند :پلاسما، بوز انیشتین و چگالی فرمیونی.

جامد

در حالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، بقدری قویتر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن می‌گردند. جامدات شکل و حجم معینی دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است. جامدات نمی‌توانند مانند وضعیتی که حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه ، در جامد ، مولکولها در مکانهای خاصی قرار می‌گیرند و فقط می‌توانند در اطراف این مکانها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند.

این حرکت نوسانی ، بخصوص در جامدات بلورین ، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد. مایع

در حالت مایع ، مولکولها بهم نزدیک‌تر بوده، بطوریکه نیروهای مابینشان قویتر از انرژی جنبشی آنان می‌باشد. از طرف دیگر ، نیروها آنقدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از این روست که جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغنها و گلسیرین بسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن ،یعنی ویسکوزیته آن خوانده می شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ، درجه حرارت و فشار می‌باشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند.

فاصله مولکولها در مایعات در مقایسه با گازها بسیار کم است. در مایعات ، مولکولها به اطراف خود حرکت می‌کنند و به سهولت روی هم می‌لغزند و راحت جریان (شارش) پیدا می‌کنند. مواد مایع با قابلیت شکل پذیری و جریان یافتن در شبکه‌های ریز ، کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کرده‌اند. گاز

حالت فیزیکی مواد در شرایط فشار و درجه حرارت طبیعی ، بستگی به اندازه مولکولی و نیروهای فی‌مابین آن دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگی قرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش می‌شوند. پخش سریع مولکولهای گاز دلالت بر آن می‌کند که نیروهای موجود فی‌مابین مولکولها ، بمراتب ضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهای گاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی به ظرفی دارد که در آن جای دارند.

در حالت گازی ، مولکولها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد می‌کنند. فاصله مولکولها در حالت گازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع و جامد است. اگر در یک ظرف نوشابه پلاستیکی را بسته و آنرا متراکم کنید و سپس آنرا با آب پر کرده و دوباره سعی کنید که آنرا متراکم کنید، در حالت اول بعلت فاصله زیاد بین مولکولی در گاز ، متراکم کردن سنگین‌تر و سخت‌تر صورت می‌گیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.

پلاسما

پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین می‌باشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده‌های طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار می‌گیرند.

پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله‌دار و شفقهای قطبی شمالی. نمایش خیره کننده از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می‌یابد.

بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هسته‌ای را نیز در دسته‌بندیها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب می‌آورد که از این حالات در توجیه خواص نکلئونهای هسته ، نیروهای هسته‌ای ، واکنش های هسته‌ای و در کل ((فیزیک ذرات بنیادی استفاده می‌شود.

چگال بوز-اینشتین

حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-اینشتین (Booze-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزون‌ها (Bosons) تا دماهایی بسیار پایین پدید می‌آید. بوزون‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابر ذره‌ای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌های معمولی ، شکل می‌گیرد. ماده چگال بوز-اینشتین شکننده‌ است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.


چگال فرمیونی

حالت تازه هم ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. "دبورا جین" (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده‌ است، می‌گوید: "وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی 40 تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان می‌یابند و این ، نشانه ظهور ماده‌ای جدید بود. در دماهای پایین‌تر چه اتفاقی میافتد؟ هنوز نمیدانیم."

ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه ماده چگال بوز-اینشتین (BEC) است. ذرات بنیادی و اتمها در طبیعت می‌توانند به شکل بوزون یا فرمیون باشند. یکی از تفاوتهای اساسی میان آنها حالتهای کوانتومی مجاز برای ذرات است. تعداد زیادی بوزون می‌توانند در یک حالت کوانتومی باشند ، مثلا انرژی ، اسپین و ... آنها یکی باشد ، اما مطابق اصل طرد پائولی ، دو فرمیون نمی‌توانند همزمان حالتهای کوانتومی یکسان داشته باشند.

برای همین ، مثلا در آرایش اتمی ، الکترونها که فرمیون هستند، نمی‌توانند همگی در یک تراز انرژی قرار گیرند.در هر اوربیتال تنها دو الکترون که اسپین‌های متفاوت داشته باشند، جا می‌گیرد و الکترونهای بعدی باید به اوربیتال دیگری با انرژی بالاتر بروند. بنابراین اگر فرمیونها را سرد کنیم و انرژی آنها را بگیریم ، ابتدا پایین‌ترین تراز انرژی پر می‌شود ، اما ذره بعدی باید به ترازی با انرژی بالاتر برود.

وجود ماده چگال فرمیونی همانند ماده چگال یوز- اینشتین سالها قبل پیش‌بینی شده و خواص آن محاسبه شده بود ، اما رسیدن به دمای نزدیک به صفر مطلق که برای تشکیل این شکل ماده لازم است تاکنون ممکن نشده بود. هر دو از فرورفتن اتمها در دماهایی بسیار پایین ساخته می‌شوند. اتمهای BEC بوزون ‌هستند و اتمهای ماده چگال فرمیونی ، فرمیون. منبع: http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php


نعمت الله طاهری