رقبای فولاد: موادی که آینده صنایع پیشرفته را می‌سازند

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، فلزات، پیشرفت تمدن بشری را از اولین ابزار‌ها و سلاح‌ها تا ماشین‌ها و فناوری‌های پیشرفته امروزی، شکل داده‌اند.

اما همه فلزات به طور یکسان ساخته نشده‌اند - برخی از آنها به دلیل سختی، استحکام و توانایی باورنکردنی در تحمل شرایط سخت، برجسته هستند.

این مواد نادر فقط کنجکاوی‌های علمی نیستند، بلکه در صنایعی که به مقاومت و دوام نیاز دارند، حیاتی هستند.

روش‌های اندازه‌گیری قدرت

مقاومت مصالح به روش‌های مختلفی اندازه‌گیری می‌شود که هر کدام نشان دهنده نحوه پاسخ یک ماده به انواع مختلف تنش است.

مقاومت کششی، حداکثر نیرویی را که یک ماده می‌تواند قبل از شکستن در هنگام کشیده شدن تحمل کند، اندازه‌گیری می‌کند. در مقابل، مقاومت فشاری، توانایی آن در مقاومت در برابر فشرده شدن یا خرد شدن را اندازه‌گیری می‌کند که اغلب با واحد PSI یا در مقیاس سختی Mohs بیان می‌شود.

استحکام تسلیم نقطه‌ای را توصیف می‌کند که در آن یک ماده تحت تنش به طور دائم تغییر شکل می‌دهد و مرز بین انعطاف‌پذیری الاستیک و شکست سازه‌ای را مشخص می‌کند - که برای مهندسانی که سازه‌های باربر طراحی می‌کنند، بسیار مهم است.

در نهایت، مقاومت ضربه، توانایی یک ماده را در جذب شوک‌های ناگهانی بدون خرد شدن ارزیابی می‌کند و این نکته را برجسته می‌کند که سختی به تنهایی همیشه به معنای چقرمگی نیست.

از عناصر طبیعی که در اعماق زمین یافت می‌شوند تا آلیاژ‌های مهندسی‌شده‌ای که مرز‌های علم را جابه‌جا می‌کنند، این مواد قدرت شگفت‌انگیز نهفته در منابع سیاره ما را آشکار می‌کنند. با این اوصاف، بیایید نگاهی به سخت‌ترین مواد شناخته‌شده برای بشر بیندازیم.

۱. بور

بور به طور همزمان در سال ۱۸۰۸ توسط شیمیدانان فرانسوی جوزف-لوئی گی-لوساک و لوئیس ژاک تنارد و به طور مستقل توسط شیمیدان بریتانیایی سر هامفری دیوی کشف شد. این عنصر نام خود را از بوراکس، اولین ماده معدنی استخراج شده، گرفته است.

با وجود سختی استثنایی بور که به الماس نزدیک می‌شود، این فلز برای استفاده مستقیم در ابزار یا کاربرد‌های ساختاری بسیار شکننده است. در عوض، بور به طور گسترده در صنعت شیشه برای ساخت شیشه‌های بوروسیلیکات، در کاربرد‌های هسته‌ای به عنوان جاذب نوترون و در سرامیک‌های پیشرفته استفاده می‌شود.

۲. کاربید تنگستن

کاربید تنگستن یکی از سخت‌ترین مواد مهندسی شده است که با ترکیب تنگستن و کربن تحت حرارت و فشار شدید تشکیل می‌شود. این ماده که اولین بار در اوایل قرن بیستم برای برآوردن نیاز‌های برش و حفاری صنعتی توسعه یافت، به سرعت با ارائه ماده‌ای تقریباً به سختی الماس، اما محکم‌تر، تولید را متحول کرد.

سختی بی‌نظیر آن، کاربید تنگستن را برای مته‌ها، ابزار‌های برش و ماشین‌آلات معدن که سایش زیادی را تحمل می‌کنند، ضروری می‌سازد. همچنین در پوشش‌های مقاوم در برابر سایش، قالب‌های کشش سیم و قطعات پیشرفته موتور استفاده می‌شود.

فراتر از صنعت، در گلوله‌های ضد زره نظامی و جواهرات نیز جایگاهی پیدا کرده است، جایی که مقاومت در برابر خراش و درخشندگی آن، آن را به انتخابی محبوب برای حلقه‌ها و لوازم جانبی لوکس تبدیل کرده است.

۳. کروم

کروم اولین بار در سال ۱۷۹۷ توسط شیمیدان فرانسوی، لویی-نیکلاس ووکلن، هنگام مطالعه یک ماده معدنی از سیبری شناسایی شد. کروم که به عنوان سخت‌ترین فلز خالص عنصری شناخته می‌شود، بیشتر به عنوان یک عامل آلیاژساز که فلزات دیگر را تقویت و بهبود می‌بخشد، شناخته می‌شود.

قابل توجه‌ترین کاربرد آن در فولاد ضد زنگ است، جایی که مقدار کروم حداقل ۱۰.۵ درصد به آلیاژ مقاومت قابل توجهی در برابر خوردگی می‌دهد. فراتر از این، کروم در آبکاری کروم تزئینی برای خودروها، وسایل و ماشین‌آلات می‌درخشد.

۴. تنگستن

تنگستن که در ابتدا با نام ولفرام شناخته می‌شد، اولین بار در سال ۱۷۸۳ توسط شیمیدانان اسپانیایی خوان خوزه و فاستو الهیار که آن را از سنگ معدن ولفرامیت با استفاده از احیای زغال چوب استخراج کردند، جداسازی شد.

تنگستن که به خاطر سختی فوق‌العاده و نقطه ذوب بی‌سابقه ۳۴۲۲ درجه سانتیگراد مشهور است، در کاربرد‌های دما و تنش بالا بسیار حیاتی است. دوام آن باعث شده است که برای رشته‌های لامپ انتخاب شود، در حالی که صنایع هوافضا برای نازل‌های موشک و سپر‌های حرارتی به آلیاژ‌های تنگستن متکی هستند.

۵. وانادیوم

وانادیوم برای اولین بار در سال ۱۸۰۱ توسط آندرس مانوئل دل ریو، کانی‌شناس اسپانیایی-مکزیکی، کشف شد. امروزه، وانادیوم به دلیل تأثیر قدرتمندش بر آلیاژ‌های فولاد، حتی در مقادیر بسیار کم، ارزشمند است. افزودن آن در مقادیر کم می‌تواند استحکام کششی و مقاومت در برابر سایش را تا حد زیادی افزایش دهد.

ابزار‌های پرسرعت برای حفظ لبه‌های تیز در دما‌های بالا به وانادیوم وابسته هستند، در حالی که صنعت خودرو از فولاد‌های سخت‌کاری‌شده با وانادیوم در فنرها، محور‌ها و میل‌لنگ‌ها استفاده می‌کند.

فراتر از متالورژی، پنتوکسید وانادیوم تولید اسید سولفوریک را کاتالیز می‌کند و کاربرد‌های جدیدتر آن شامل باتری‌های جریان اکسایش-کاهش وانادیوم برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ است.

۶. رنیوم

رنیوم آخرین عنصر طبیعی کشف شده بود و در سال ۱۹۲۵ توسط شیمیدانان آلمانی والتر نوداک، آیدا تک و اتو برگ شناسایی شد. رنیوم که به دلیل خواص استثنایی‌اش ارزشمند است، دارای نقطه ذوب ۳۱۸۶ درجه سانتیگراد است و در برابر حرارت شدید نیز مقاومت خود را حفظ می‌کند.

این ویژگی‌ها، رنیوم را برای پره‌های توربین موتور جت ضروری می‌کند، جایی که سوپرآلیاژ‌های مبتنی بر رنیوم، تنش و دمای شدیدی را تحمل می‌کنند. آلیاژ‌های تنگستن-رنیوم در ترموکوپل‌هایی که قادر به اندازه‌گیری تا ۲۲۰۰ درجه سانتیگراد هستند، استفاده می‌شوند، در حالی که صنعت پتروشیمی برای هیدروژناسیون و اصلاح به کاتالیزور‌های رنیوم متکی است.

۷. اوسمیوم

اسمیوم در سال ۱۸۰۳ توسط شیمیدان انگلیسی اسمیتسون تنانت، به همراه ایریدیوم، که در پس‌مانده سیاه باقی‌مانده پس از حل کردن پلاتین خام در تیزاب سلطانی یافت می‌شد، کشف شد. با وجود اینکه اسمیوم متراکم‌ترین عنصر طبیعی است، شکنندگی و سمیت شدید آن کاربرد‌های آن را به شدت محدود می‌کند.

کاربرد‌های تاریخی شامل نوک خودنویس و نوک سوزن گرامافون است که در آنها سختی و مقاومت در برابر سایش ضروری بوده است. کاربرد‌های مدرن همچنان تخصصی هستند، از جمله تشخیص اثر انگشت و اتصالات الکتریکی با سایش بالا.

۸. تانتالوم

تانتالوم در سال ۱۸۰۲ توسط شیمیدان سوئدی آندرس گوستاف اکبرگ کشف شد، که آن را در مواد معدنی فنلاند یافت و نام آن را از تانتالوس از اساطیر یونان گرفت. مقاومت استثنایی در برابر خوردگی و سختی خوب تانتالوم، آن را برای تجهیزات فرآوری شیمیایی که در معرض محیط‌های خورنده قرار دارند، ایده‌آل می‌کند.

صنعت الکترونیک به دلیل نسبت بالای ظرفیت به حجم خازن‌های تانتالیوم در دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند و رایانه‌ها، به شدت به آنها وابسته است. کاربرد‌های پزشکی از تانتالیوم بهره می‌برند؛ کاربرد‌های هوافضا از آلیاژ‌های تانتالیوم در اجزای توربین‌های دما بالا استفاده می‌کنند.

۹. ایریدیوم

ایریدیم همزمان با اسمیوم در سال ۱۸۰۳ توسط اسمیتسون تنانت کشف شد، که هر دو عنصر را از باقیمانده سیاه سنگ معدن پلاتین محلول جدا کرد.

ایریدیم به دلیل سختی استثنایی و مقاومت قابل توجه در برابر خوردگی، حتی در دما‌های بسیار بالا، بسیار ارزشمند است. این ویژگی‌ها، آن را برای کاربرد‌هایی که به دوام بسیار بالایی نیاز دارند، ضروری می‌کند.

در هوانوردی، الکترود‌های نوک‌تیز ایریدیوم در شمع‌های با عملکرد بالا استفاده می‌شوند که عمر مفید طولانی‌تر و احتراق قابل اعتمادی را در شرایط سخت فراهم می‌کنند. در سال‌های اخیر، صنعت الکترونیک از ایریدیوم برای تولید LED و فناوری‌های پیشرفته نمایشگر استفاده کرده است.