Alaşım
Alaşım, en az biri metal olan kimyasal elementlerin bir karışımıdır. Metalik bazlı kimyasal bileşiklerin aksine, bir alaşım, elde edilen malzemede bir metalin elektrik iletkenliği, süneklik, opaklık ve parlaklık gibi tüm özelliklerini korur, ancak saf metallerinkinden farklı özelliklere sahip olabilir, örneğin daha fazla güç veya sertlik gibi. Bazı durumlarda, bir alaşım önemli özellikleri korurken malzemenin toplam maliyetini azaltabilir. Diğer durumlarda ise karışım, kendisini oluşturan metal elementlere korozyon direnci veya mekanik mukavemet gibi sinerjik özellikler kazandırır. ⓘ
Alaşımlar metalik bağ karakteri ile tanımlanır. Alaşım bileşenleri genellikle pratik uygulamalar için kütle yüzdesiyle ve temel bilim çalışmaları için atomik fraksiyonla ölçülür. Alaşımlar, alaşımı oluşturan atomik düzenlemeye bağlı olarak genellikle substitüsyonel veya interstisyel alaşımlar olarak sınıflandırılır. Ayrıca homojen (tek bir fazdan oluşan) veya heterojen (iki veya daha fazla fazdan oluşan) veya intermetalik olarak da sınıflandırılabilirler. Bir alaşım, metal elementlerin katı bir çözeltisi (tüm metalik tanelerin (kristallerin) aynı bileşimde olduğu tek bir faz) veya metalik fazların bir karışımı (metal içinde farklı kristallerin bir mikro yapısını oluşturan iki veya daha fazla çözelti) olabilir. ⓘ
Alaşımlara örnek olarak kırmızı altın (altın ve bakır), beyaz altın (altın ve gümüş), gümüş (gümüş ve bakır), çelik veya silikon çelik (sırasıyla metalik olmayan karbon veya silikon içeren demir), lehim, pirinç, kalay, duralumin, bronz ve amalgamlar verilebilir. ⓘ
Alaşımlar, binalardan otomobillere ve cerrahi aletlere kadar her şeyde kullanılan çelik alaşımlarından, havacılık ve uzay endüstrisinde kullanılan egzotik titanyum alaşımlarına ve kıvılcım çıkarmayan aletler için berilyum-bakır alaşımlarına kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. ⓘ
Özellikler
Alaşım, bir metalin özelliklerini koruyan saf olmayan bir madde (karışım) oluşturan kimyasal elementlerin bir karışımıdır. Bir alaşım saf olmayan bir metalden farklıdır, çünkü bir alaşımda eklenen elementler arzu edilen özellikleri üretmek için iyi kontrol edilirken, dövme demir gibi saf olmayan metaller daha az kontrol edilir, ancak genellikle yararlı olarak kabul edilir. Alaşımlar, en az biri metal olan iki veya daha fazla elementin karıştırılmasıyla elde edilir. Bu genellikle birincil metal veya ana metal olarak adlandırılır ve bu metalin adı aynı zamanda alaşımın adı da olabilir. Diğer bileşenler metal olabilir veya olmayabilir, ancak erimiş baz ile karıştırıldıklarında çözünür olacak ve karışım içinde çözüneceklerdir. Alaşımların mekanik özellikleri genellikle tek tek bileşenlerinden oldukça farklı olacaktır. Alüminyum gibi normalde çok yumuĢak (dövülebilir) olan bir metal, bakır gibi baĢka bir yumuĢak metalle alaĢım yapılarak değiĢtirilebilir. Her iki metal de çok yumuşak ve sünek olmasına rağmen, ortaya çıkan alüminyum alaşımı çok daha fazla mukavemete sahip olacaktır. Demire az miktarda metalik olmayan karbon eklenmesi, onun büyük sünekliğini çelik adı verilen bir alaşımın daha yüksek mukavemetiyle takas eder. Çok yüksek mukavemeti, ancak yine de önemli ölçüde tokluğu ve ısıl işlemle büyük ölçüde değiştirilebilmesi nedeniyle çelik, modern kullanımdaki en kullanışlı ve yaygın alaşımlardan biridir. Çeliğe krom eklenerek korozyona karşı direnci artırılabilir ve paslanmaz çelik elde edilirken, silikon eklenerek elektriksel özellikleri değiştirilir ve silikon çelik elde edilir. ⓘ
Yağ ve su gibi, erimiş bir metal de her zaman başka bir elementle karışmayabilir. Örneğin, saf demir bakır ile neredeyse tamamen çözünmez. Bileşenler çözünebilir olsa bile, her birinin genellikle bir doyma noktası vardır ve bu noktanın ötesinde daha fazla bileşen eklenemez. Örneğin demir en fazla %6,67 oranında karbon tutabilir. Bir alaşımın elementleri genellikle sıvı halde çözünebilir olmak zorunda olsa da, katı halde her zaman çözünemeyebilirler. Eğer metaller katı haldeyken çözünebilir halde kalırlarsa, alaşım katı bir çözelti oluşturur ve bir faz olarak adlandırılan özdeş kristallerden oluşan homojen bir yapı haline gelir. Karışım soğudukça bileşenler çözünmez hale gelirse, iki veya daha fazla farklı kristal türü oluşturmak üzere ayrılabilirler ve bazıları bir bileşenden diğerine göre daha fazla içeren farklı fazlardan oluşan heterojen bir mikro yapı oluştururlar. Ancak diğer alaşımlarda çözünmeyen elementler kristalleşme gerçekleşene kadar ayrılmayabilir. Çok hızlı soğutulurlarsa, önce homojen bir faz olarak kristalleşirler, ancak ikincil bileşenlerle aşırı doyurulurlar. Zaman geçtikçe, bu aşırı doymuş alaşımların atomları kristal kafesten ayrılabilir, daha kararlı hale gelir ve kristalleri içten güçlendirmeye yarayan ikinci bir faz oluşturur. ⓘ
Gümüş ve altının bir alaşımı olan elektrum gibi bazı alaşımlar doğal olarak oluşur. Meteoritler bazen doğal olarak oluşan demir ve nikel alaşımlarından yapılır, ancak Dünya'ya özgü değildir. İnsanlar tarafından yapılan ilk alaşımlardan biri, kalay ve bakır metallerinin bir karışımı olan bronzdur. Bronz, eskiler için son derece kullanışlı bir alaşımdı, çünkü bileşenlerinden herhangi birinden çok daha güçlü ve serttir. Çelik de bir başka yaygın alaşımdı. Ancak antik çağlarda, demir üretimi sırasında demir cevherinin ateşte ısıtılması (eritme) sonucunda kazara ortaya çıkan bir yan ürün olarak üretilebiliyordu. Diğer antik alaşımlar arasında kalay, pirinç ve pik demir bulunmaktadır. Modern çağda çelik birçok şekilde üretilebilmektedir. Karbon çeliği, yalnızca karbon içeriği değiştirilerek yumuşak çelik gibi yumuşak alaşımlar veya yay çeliği gibi sert alaşımlar üretilerek yapılabilir. Alaşımlı çelikler, krom, molibden, vanadyum veya nikel gibi diğer elementler eklenerek yapılabilir ve yüksek hız çeliği veya takım çeliği gibi alaşımlar elde edilebilir. Az miktarda manganez, alaşım üzerinde zararlı etkileri olabilecek fosfor, sülfür ve oksijen gibi istenmeyen safsızlıkları giderme kabiliyeti nedeniyle genellikle çoğu modern çelikle alaşım haline getirilir. Bununla birlikte, çeşitli alüminyum, titanyum, nikel ve magnezyum alaşımları gibi çoğu alaşım 1900'lere kadar oluşturulmamıştır. Incoloy, inconel ve hastelloy gibi bazı modern süper alaşımlar çok sayıda farklı elementten oluşabilir. ⓘ
Bir alaşım teknik olarak saf olmayan bir metaldir, ancak alaşımlardan bahsederken safsızlık terimi genellikle istenmeyen elementleri ifade eder. Bu tür safsızlıklar ana metallerden ve alaşım elementlerinden gelir, ancak işleme sırasında giderilir. Örneğin, sülfür çelikte yaygın bir safsızlıktır. Sülfür demirle kolayca birleşerek çok kırılgan olan ve çelikte zayıf noktalar oluşturan demir sülfür oluşturur. Lityum, sodyum ve kalsiyum alüminyum alaşımlarında yaygın olarak görülen safsızlıklardır ve dökümlerin yapısal bütünlüğü üzerinde olumsuz etkileri olabilir. Buna karşılık, sadece istenmeyen safsızlıklar içeren saf metaller genellikle "saf olmayan metaller" olarak adlandırılır ve genellikle alaşım olarak adlandırılmazlar. Havada bulunan oksijen çoğu metalle kolayca birleşerek metal oksitleri oluşturur; özellikle de alaşımlama sırasında karşılaşılan yüksek sıcaklıklarda. Alaşımlama işlemi sırasında genellikle flakslar, kimyasal katkı maddeleri veya diğer ekstraktif metalurji yöntemleri kullanılarak fazla safsızlıkların giderilmesine büyük özen gösterilir. ⓘ
Teori
Bir metalin alaşım haline getirilmesi, bir veya daha fazla başka elementle birleştirilmesiyle yapılır. En yaygın ve en eski alaşımlama işlemi, ana metalin erime noktasının ötesinde ısıtılması ve ardından çözünen maddelerin erimiş sıvı içinde çözülmesiyle gerçekleştirilir; bu, çözünen maddenin erime noktası ana metalinkinden çok daha yüksek olsa bile mümkün olabilir. Örneğin, titanyum sıvı haldeyken çoğu metal ve elementi çözebilen çok güçlü bir çözücüdür. Buna ek olarak, oksijen gibi gazları kolayca emer ve nitrojen varlığında yanar. Bu, temas eden herhangi bir yüzeyden kirlenme olasılığını artırır ve bu nedenle vakum indüksiyonlu ısıtma ve özel, su soğutmalı, bakır potalarda eritilmelidir. Ancak demir ve karbon gibi bazı metaller ve çözeltiler çok yüksek erime noktalarına sahiptir ve eski insanların bunları eritmesi imkansızdır. Bu nedenle, alaşımlama (özellikle de interstisyel alaşımlama), pik demir (sıvı-gaz), nitrürleme, karbonitrürleme veya diğer sertleştirme (katı-gaz) veya blister çelik (katı-gaz) yapımında kullanılan sementasyon işlemi için yüksek fırında olduğu gibi gaz halindeki bir veya daha fazla bileşenle de gerçekleştirilebilir. Ayrıca, eski kalıp kaynağı (katı-katı), kesme çeliği (katı-katı) veya pota çeliği üretimi (katı-sıvı) yöntemlerinde olduğu gibi, katı haldeki bileşenlerden biri, daha fazlası veya tümü ile de yapılabilir, elementler katı hal difüzyonu yoluyla karıştırılır. ⓘ
Bir metale başka bir element eklendiğinde, atomların boyutlarındaki farklılıklar metalik kristallerin kafesinde iç gerilimler yaratır; bu gerilimler genellikle metalin özelliklerini geliştirir. Örneğin, karbonun demirle birleşimi, ana elementi olan demirden daha güçlü olan çeliği üretir. Alaşımların elektrik ve ısı iletkenliği genellikle saf metallerden daha düşüktür. Bir alaşımın yoğunluk, reaktivite, Young modülü gibi fiziksel özellikleri ana elementininkinden çok farklı olmayabilir, ancak çekme mukavemeti, süneklik ve kesme mukavemeti gibi mühendislik özellikleri, bileşen malzemelerinkinden önemli ölçüde farklı olabilir. Bu bazen alaşımdaki atomların boyutlarının bir sonucudur, çünkü daha büyük atomlar komşu atomlar üzerinde bir sıkıştırma kuvveti uygular ve daha küçük atomlar komşuları üzerinde bir çekme kuvveti uygular ve alaşımın deformasyona direnmesine yardımcı olur. Bazen alaşımlar, bir elementin küçük miktarları mevcut olduğunda bile davranışta belirgin farklılıklar sergileyebilir. Örneğin, yarı iletken ferromanyetik alaşımlardaki safsızlıklar, ilk olarak White, Hogan, Suhl, Tian Abrie ve Nakamura tarafından tahmin edildiği gibi farklı özelliklere yol açar. ⓘ
Saf metallerin aksine, çoğu alaşımın tek bir erime noktası yoktur, ancak malzemenin katı ve sıvı fazların bir karışımı olduğu bir erime aralığı vardır (bir slush). Erimenin başladığı sıcaklığa solidus, erimenin tamamlandığı sıcaklığa ise liquidus denir. Birçok alaşım için, ötektik karışım veya peritektik bileşim olarak adlandırılan belirli bir alaşım oranı (bazı durumlarda birden fazla) vardır, bu da alaşıma benzersiz ve düşük bir erime noktası verir ve sıvı/katı çamur geçişi olmaz. ⓘ
Isıl işlem
Alaşım elementleri, sertlik, tokluk, süneklik veya istenen diğer özellikleri kazandırmak için bir ana metale eklenir. Çoğu metal ve alaşım, kristal yapılarında kusurlar oluşturularak işle sertleştirilebilir. Bu kusurlar çekiçleme, bükme, ekstrüzyon vb. yöntemlerle plastik deformasyon sırasında oluşur ve metal yeniden kristalleştirilmediği sürece kalıcıdır. Aksi takdirde, bazı alaşımların özellikleri ısıl işlemle de değiştirilebilir. Neredeyse tüm metaller, alaşımı yeniden kristalleştiren ve kusurları onaran tavlama ile yumuşatılabilir, ancak pek çoğu kontrollü ısıtma ve soğutma ile sertleştirilemez. Birçok alüminyum, bakır, magnezyum, titanyum ve nikel alaşımı bazı ısıl işlem yöntemleriyle bir dereceye kadar güçlendirilebilir, ancak çok azı buna çelikle aynı derecede yanıt verir. ⓘ
Çelik olarak bilinen demir-karbon alaşımının ana metali demir, belirli bir sıcaklıkta (karbon içeriğine bağlı olarak genellikle 1.500 °F (820 °C) ile 1.600 °F (870 °C) arasında) kristal matrisindeki atomların düzeninde (allotropi) bir değişikliğe uğrar. Bu, daha küçük karbon atomlarının demir kristalinin aralıklarına girmesini sağlar. Bu difüzyon gerçekleştiğinde, karbon atomlarının demir içinde çözelti halinde olduğu ve östenit adı verilen belirli bir tek, homojen, kristalin faz oluşturduğu söylenir. Çelik yavaşça soğutulursa, karbon demirden dışarı yayılabilir ve yavaş yavaş düşük sıcaklıktaki allotropuna geri döner. Yavaş soğutma sırasında karbon atomları artık demirde çözünmez hale gelir ve saf demir kristalleri arasındaki boşluklarda daha konsantre bir demir karbür (Fe3C) formunda çekirdeklenerek çözeltiden çökelmeye zorlanır. Bu durumda çelik, sementit (veya karbür) olarak adlandırılan demir-karbon fazı ve saf demir ferrit olmak üzere iki fazdan oluştuğu için heterojen hale gelir. Böyle bir ısıl işlem oldukça yumuşak bir çelik üretir. Ancak çelik hızlı bir şekilde soğutulursa, karbon atomlarının difüzyona uğrayıp karbür olarak çökelmesi için zaman kalmayacak, demir kristalleri içinde hapsolacaktır. Hızla soğutulduğunda, karbon atomlarının çözelti içinde hapsolduğu difüzyonsuz (martensit) bir dönüşüm meydana gelir. Bu durum, kristal yapı düşük sıcaklıktaki haline dönmeye çalışırken demir kristallerinin deforme olmasına neden olarak bu kristalleri çok sert ancak çok daha az sünek (daha kırılgan) hale getirir. ⓘ
Çeliğin yüksek mukavemeti, difüzyon ve çökelme önlendiğinde (martensit oluşumu) ortaya çıkarken, ısıl işlem uygulanabilen alaşımların çoğu, mukavemetlerini elde etmek için alaşım elementlerinin difüzyonuna bağlı olan çökelme sertleşmeli alaşımlardır. Bir çözelti oluşturmak için ısıtıldığında ve ardından hızla soğutulduğunda, bu alaşımlar difüzyonsuz dönüşüm sırasında normalden çok daha yumuşak hale gelir, ancak daha sonra yaşlandıkça sertleşir. Bu alaşımlardaki çözeltiler zamanla çökelir ve ana metalden ayırt edilmesi zor olan intermetalik fazlar oluşturur. Katı çözeltinin farklı kristal fazlarına (karbür ve ferrit) ayrıldığı çelikten farklı olarak, çökelme sertleşmeli alaşımlar aynı kristal içinde farklı fazlar oluşturur. Bu intermetalik alaşımlar kristal yapıda homojen görünür, ancak sert ve biraz kırılgan hale gelerek heterojen davranma eğilimindedir. ⓘ
1906 yılında Alfred Wilm tarafından çökelme sertleşmeli alaşımlar keşfedilmiştir. Bazı alüminyum, titanyum ve bakır alaşımları gibi çökelme sertleşmeli alaşımlar, su verildiğinde (hızla soğutulduğunda) yumuşayan ve daha sonra zamanla sertleşen ısıl işlem uygulanabilir alaşımlardır. Wilm, makineli tüfek fişek kovanlarında kullanılmak üzere alüminyum alaşımlarını sertleştirmenin bir yolunu arıyordu. Alüminyum-bakır alaşımlarının bir dereceye kadar ısıl işleme tabi tutulabileceğini bilen Wilm, alüminyum, bakır ve magnezyum ilavesinden oluşan üçlü bir alaşımı su vermeyi denedi, ancak başlangıçta sonuçlardan hayal kırıklığına uğradı. Ancak Wilm ertesi gün tekrar test ettiğinde, alaşımın oda sıcaklığında bekletildiğinde sertliğinin arttığını ve beklentilerinin çok ötesine geçtiğini keşfetti. Her ne kadar bu olguya 1919 yılına kadar bir açıklama getirilememiş olsa da, duralumin kullanılan ilk "yaşla sertleşen" alaşımlardan biri olmuş, ilk Zeplinler için birincil yapı malzemesi haline gelmiş ve kısa süre sonra diğerleri tarafından takip edilmiştir. Genellikle yüksek mukavemet ve düşük ağırlığın bir kombinasyonunu sergiledikleri için, bu alaşımlar modern uçakların yapımı da dahil olmak üzere birçok endüstri biçiminde yaygın olarak kullanılmaya başlandı. ⓘ
Mekanizmalar
Erimiş bir metal başka bir madde ile karıştırıldığında, bir alaşımın oluşmasına neden olabilecek iki mekanizma vardır; bunlar atom değişimi ve ara madde mekanizması olarak adlandırılır. Karışımdaki her bir elementin göreceli boyutu, hangi mekanizmanın gerçekleşeceğini belirlemede birincil rol oynar. Atomlar nispeten benzer büyüklükte olduğunda, genellikle metalik kristalleri oluşturan atomların bazılarının diğer bileşenin atomlarıyla yer değiştirdiği atom değişimi yöntemi gerçekleşir. Buna ikame alaşımı denir. Sübstitüsyon alaşımlarına örnek olarak, bakır atomlarının bir kısmının sırasıyla kalay veya çinko atomlarıyla yer değiştirdiği bronz ve pirinç verilebilir. ⓘ
İnterstisyel mekanizma durumunda, atomlardan biri genellikle diğerinden çok daha küçüktür ve ana metalin kristallerinde diğer atom türünün yerini başarıyla alamaz. Bunun yerine, daha küçük atomlar kristal matrisin atomları arasındaki boşluklarda, yani ara boşluklarda sıkışıp kalırlar. Bu durum interstisyel alaşım olarak adlandırılır. Çelik bir interstisyel alaşım örneğidir, çünkü çok küçük karbon atomları demir matrisinin boşluklarına yerleşir. ⓘ
Paslanmaz çelik, interstisyel ve substitüsyonel alaşımların bir kombinasyonunun bir örneğidir, çünkü karbon atomları ara boşluklara sığar, ancak demir atomlarının bir kısmı nikel ve krom atomları ile ikame edilir. ⓘ
Metallerin büyük çoğunluğu kafes yapısı içerisinde belirli sayıda yabancı atom barındırabilir. Yabancı atom asıl metalin atomu yerine yerleşiyor ise asal yer katı çözeltisi, kafes aralıklarındaki boşluklara yerleşiyor ise arayer katı çözeltisi oluşur. ⓘ
Tarihçe ve örnekler
Meteorik demir
Alaşımların insanlar tarafından kullanımı, doğal olarak oluşan bir nikel ve demir alaşımı olan meteorik demirin kullanımıyla başlamıştır. Demir meteoritlerinin ana bileşenidir. Demiri nikelden ayırmak için herhangi bir metalürjik işlem kullanılmadığından, alaşım olduğu gibi kullanılmıştır. Meteorik demir, aletler, silahlar ve çiviler gibi nesneler yapmak için kırmızı bir ısıdan dövülebilirdi. Pek çok kültürde soğuk çekiçle şekillendirilerek bıçak ve ok uçları haline getirilirdi. Genellikle örs olarak kullanılırlardı. Meteorik demir çok nadir ve değerliydi ve eski insanlar için işlenmesi zordu. ⓘ
Bronz ve pirinç
Demir, Grönland'da İnuitler tarafından kullanılan bir yerli demir yatağı dışında, Dünya üzerinde genellikle demir cevheri olarak bulunur. Bununla birlikte yerli bakır, gümüş, altın ve platin ile birlikte dünya çapında bulunmuş ve Neolitik dönemden beri alet, mücevher ve diğer nesnelerin yapımında kullanılmıştır. Bakır bu metaller arasında en sert olanı ve en yaygın olarak bulunanıdır. Eskiler için en önemli metallerden biri haline geldi. Yaklaşık 10.000 yıl önce Anadolu'nun (Türkiye) dağlık bölgelerinde insanlar bakır ve kalay gibi metalleri cevherden eritmeyi öğrendi. MÖ 2500 civarında insanlar bu iki metali alaşım haline getirerek bileşenlerinden çok daha sert olan bronzu oluşturmaya başladılar. Ancak kalay nadirdi ve çoğunlukla Büyük Britanya'da bulunuyordu. Orta Doğu'da insanlar bakırı çinko ile alaşım haline getirerek pirinç elde etmeye başladılar. Eski uygarlıklar, modern alaşım faz diyagramlarında yer alan bilgilerin çoğunu geliştirerek, karışımı ve çeşitli sıcaklık ve iş sertleştirme koşulları altında sertlik, tokluk ve erime noktası gibi ürettiği çeşitli özellikleri dikkate aldı. Örneğin, Çin Qin hanedanlığından (M.Ö. 200 civarı) kalma ok uçları genellikle sert bir bronz kafa, ancak daha yumuşak bir bronz diş ile inşa edilmiş ve kullanım sırasında hem körelmeyi hem de kırılmayı önlemek için alaşımlar birleştirilmiştir. ⓘ
Amalgamlar
Cıva binlerce yıldır zinoberden eritilmektedir. Cıva, altın, gümüş ve kalay gibi birçok metali çözerek amalgamlar (ortam sıcaklığında yumuşak bir macun veya sıvı formda bir alaşım) oluşturur. Amalgamlar M.Ö. 200'den beri Çin'de zırh ve ayna gibi nesneleri değerli metallerle yaldızlamak için kullanılmaktadır. Antik Romalılar zırhlarını yaldızlamak için sıklıkla cıva-kalay amalgamları kullanmışlardır. Amalgam bir macun olarak uygulanır ve ardından cıva buharlaşana kadar ısıtılarak geride altın, gümüş veya kalay bırakılırdı. Cıva genellikle madencilikte, altın ve gümüş gibi değerli metalleri cevherlerinden çıkarmak için kullanılırdı. ⓘ
Değerli metaller
Birçok eski uygarlık metalleri tamamen estetik amaçlarla alaşım haline getirmiştir. Eski Mısır ve Miken'de altın genellikle kırmızı altın elde etmek için bakırla ya da parlak bordo altın elde etmek için demirle alaşım haline getirilirdi. Altın genellikle gümüş ya da diğer metallerle alaşım haline getirilerek çeşitli renklerde altınlar elde edilirdi. Bu metaller aynı zamanda daha pratik amaçlarla birbirlerini güçlendirmek için de kullanılıyordu. Bakır genellikle gümüşe eklenerek som gümüş elde edilir, böylece tabaklarda, gümüş eşyalarda ve diğer pratik eşyalarda kullanılmak üzere dayanıklılığı artırılırdı. Çoğu zaman değerli metaller, alıcıları kandırmak için daha az değerli maddelerle alaşım haline getirilirdi. MÖ 250 civarında Arşimet, Siraküza Kralı tarafından bir taçtaki altının saflığını kontrol etmenin bir yolunu bulması için görevlendirildi ve Arşimet'in prensibinin keşfi üzerine hamamda "Eureka!" diye bağırılmasına yol açtı. ⓘ
Kalay
Kalay terimi, esas olarak kalaydan oluşan çeşitli alaşımları kapsar. Saf bir metal olarak kalay, çoğu pratik amaç için kullanılamayacak kadar yumuşaktır. Ancak Bronz Çağı'nda kalay Avrupa ve Akdeniz'in birçok yerinde nadir bulunan bir metaldi, bu nedenle genellikle altından daha değerliydi. Kalaydan mücevher, çatal bıçak takımı ya da başka nesneler yapmak için işçiler genellikle kalayı diğer metallerle alaşım haline getirerek mukavemetini ve sertliğini artırırlardı. Bu metaller tipik olarak kurşun, antimon, bizmut ya da bakırdı. Bu çözeltiler bazen değişen miktarlarda tek tek eklenir ya da bir araya getirilerek tabak, cerrahi alet, şamdan ya da huni gibi pratik eşyalardan kulak halkası ve saç tokası gibi dekoratif eşyalara kadar çok çeşitli nesneler yapılırdı. ⓘ
Kalayın en eski örnekleri M.Ö. 1450 civarında eski Mısır'dan gelmektedir. Kalayın kullanımı Fransa'dan Norveç ve Britanya'ya (antik kalayın çoğunun çıkarıldığı yer) ve Yakın Doğu'ya kadar tüm Avrupa'da yaygındı. Alaşım Çin ve Uzak Doğu'da da kullanılmış, MS 800 civarında Japonya'ya ulaşmış ve burada tören kapları, çay kutuları veya Şinto tapınaklarında kullanılan kadehler gibi nesnelerin yapımında kullanılmıştır. ⓘ
Demir
Bilinen ilk demir eritme işlemi MÖ 1800'lerde Anadolu'da başlamıştır. Bloomery işlemi olarak adlandırılan bu yöntemle çok yumuşak ama sünek dövme demir üretiliyordu. MÖ 800'lere gelindiğinde demir yapım teknolojisi Avrupa'ya yayılmış ve MS 700 civarında Japonya'ya ulaşmıştır. Demir ve karbonun çok sert ama kırılgan bir alaşımı olan pik demir, MÖ 1200 gibi erken bir tarihte Çin'de üretiliyordu, ancak Orta Çağ'a kadar Avrupa'ya gelmedi. Pik demirin erime noktası demirden daha düşüktür ve dökme demir yapımında kullanılırdı. Ancak bu metaller, MÖ 300 civarında pota çeliğinin kullanılmaya başlanmasına kadar çok az pratik kullanım alanı bulmuştur. Bu çeliklerin kalitesi düşüktü ve MS 1. yüzyıl civarında kalıp kaynağının kullanılmaya başlanmasıyla, daha sert bir metal yaratmak için alaşımların aşırı özellikleri lamine edilerek dengelenmeye çalışıldı. MS 700 civarında Japonlar, cüruf ve yabancı maddeleri gidermek için kil eriticileri kullanarak kılıçlarının gücünü arttırmak için çiçek çeliği ve dökme demiri dönüşümlü katmanlar halinde katlamaya başladılar. Japon kılıç ustalığının bu yöntemi, antik dünyanın en saf çelik alaşımlarından birini üretti. ⓘ
Demirin kullanımı M.Ö. 1200 civarında, özellikle de kalay ticaret yollarındaki kesintiler nedeniyle daha yaygın hale gelmeye başlamış olsa da, metal bronzdan çok daha yumuşaktı. Bununla birlikte, çok az miktarda çelik (demir ve yaklaşık %1 karbon alaşımı) her zaman bloomery işleminin bir yan ürünü olmuştur. Isıl işlemle çeliğin sertliğini değiştirme yeteneği MÖ 1100'den beri biliniyordu ve bu nadir malzeme alet ve silah üretimi için değerliydi. Eskiler demiri tamamen eritecek kadar yüksek sıcaklıklar üretemedikleri için, Orta Çağ'da blister çeliğin kullanılmasına kadar yeterli miktarlarda çelik üretimi gerçekleşmemiştir. Bu yöntemde işlenmiş demir uzun süre odun kömürü içinde ısıtılarak karbon elde ediliyordu, ancak karbonun bu şekilde emilimi son derece yavaş olduğundan nüfuz çok derin değildi, dolayısıyla alaşım homojen değildi. 1740 yılında Benjamin Huntsman, karbon içeriğini eşitlemek için blister çeliği bir potada eritmeye başladı ve takım çeliğinin seri üretimi için ilk süreci yarattı. Huntsman'ın süreci 1900'lerin başına kadar takım çeliği üretiminde kullanıldı. ⓘ
Yüksek fırının Orta Çağ'da Avrupa'ya girmesi, insanların dövme demirden çok daha yüksek hacimlerde pik demir üretebileceği anlamına geliyordu. Pik demir eritilebildiğinden, insanlar çelik oluşturmak için sıvı pik demirdeki karbonu azaltacak süreçler geliştirmeye başladılar. Çin'de birinci yüzyıldan beri kullanılan ve 1700'lerde Avrupa'da da kullanılmaya başlanan puddling, erimiş pik demirin havaya maruz bırakılarak karıştırıldığı ve karbonun oksidasyon yoluyla uzaklaştırıldığı bir yöntemdi. 1858'de Henry Bessemer, karbon içeriğini azaltmak için sıvı pik demire sıcak hava üfleyerek bir çelik üretim süreci geliştirdi. Bessemer süreci ilk büyük ölçekli çelik üretimine yol açtı. ⓘ
Çelik, demir ve karbonun bir alaşımıdır, ancak alaşımlı çelik terimi genellikle yalnızca temel çeliğin özelliklerini değiştirmeye yetecek miktarda vanadyum, molibden veya kobalt gibi diğer elementleri içeren çelikleri ifade eder. Çeliğin öncelikle aletler ve silahlar için kullanıldığı eski zamanlardan beri, metalin üretilmesi ve işlenmesi yöntemleri genellikle yakından korunan sırlardı. Akıl Çağı'ndan çok sonra bile çelik endüstrisi çok rekabetçiydi ve üreticiler süreçlerini gizli tutmak için büyük çaba sarf ettiler ve yöntemlerini ortaya çıkaracağı korkusuyla malzemeyi bilimsel olarak analiz etme girişimlerine direndiler. Örneğin, İngiltere'de çelik üretiminin merkezi olan Sheffield halkının, endüstriyel casusluğu caydırmak için ziyaretçilerin ve turistlerin şehre girmesini rutin olarak engellediği bilinmektedir. Dolayısıyla, 1860 yılına kadar çelik hakkında neredeyse hiç metalürjik bilgi mevcut değildi. Bu anlayış eksikliği nedeniyle, çelik 1930-1970 yılları arasındaki on yıllara kadar (özellikle William Chandler Roberts-Austen, Adolf Martens ve Edgar Bain gibi bilim adamlarının çalışmaları nedeniyle) genel olarak bir alaşım olarak kabul edilmedi, bu nedenle "alaşımlı çelik" üçlü ve dörtlü çelik alaşımları için popüler bir terim haline geldi. ⓘ
Benjamin Huntsman 1740 yılında pota çeliğini geliştirdikten sonra, fosfor ve oksijen gibi safsızlıkların giderilmesine yardımcı olan manganez gibi elementlerin (spiegeleisen adı verilen yüksek manganezli pik demir formunda) eklenmesiyle ilgili deneyler yapmaya başladı; Bessemer tarafından benimsenen ve modern çeliklerde hala kullanılan bir süreç (hala karbon çeliği olarak kabul edilecek kadar düşük konsantrasyonlarda olsa da). Daha sonra pek çok kişi çeşitli çelik alaşımları üzerinde denemeler yapmaya başlamış ancak başarılı olamamıştır. Ancak 1882'de çelik metalürjisinde öncü olan Robert Hadfield bu konuya ilgi duydu ve yaklaşık %12 manganez içeren bir çelik alaşımı üretti. Mangalloy olarak adlandırılan bu alaşım, aşırı sertlik ve tokluk sergileyerek ticari olarak uygulanabilir ilk alaşımlı çelik oldu. Daha sonra, silisyum çeliğini yaratarak diğer olası çelik alaşımlarını araştırmaya başladı. ⓘ
Robert Forester Mushet, çeliğe tungsten ekleyerek yüksek sıcaklıklarda sertliğini kaybetmeyen çok sert bir kenar üretebileceğini keşfetti. "R. Mushet'in özel çeliği" (RMS) ilk yüksek hız çeliği oldu. Mushet'in çeliği kısa sürede yerini 1900 yılında Taylor ve White tarafından geliştirilen ve tungsten içeriğini iki katına çıkarıp az miktarda krom ve vanadyum ekleyerek torna ve işleme aletlerinde kullanılmak üzere üstün bir çelik üreten tungsten karbür çeliğine bıraktı. 1903'te Wright kardeşler uçak motorlarının krank milini yapmak için krom-nikel çeliği kullanırken, 1908'de Henry Ford Model T Ford'unda krank mili ve supap gibi parçalar için daha yüksek mukavemetleri ve yüksek sıcaklıklara karşı dirençleri nedeniyle vanadyum çelikleri kullanmaya başladı. 1912 yılında Almanya'daki Krupp Ironworks, %21 krom ve %7 nikel ekleyerek paslanmaya karşı dayanıklı bir çelik geliştirdi ve ilk paslanmaz çeliği üretti. ⓘ
Diğerleri
Yüksek reaktiviteleri nedeniyle çoğu metal 19. yüzyıla kadar keşfedilememiştir. Boksitten alüminyum elde etmek için bir yöntem 1807 yılında Humphry Davy tarafından elektrik arkı kullanılarak önerilmiştir. Davy'nin girişimleri başarısız olsa da, 1855 yılında ilk saf alüminyum satışları piyasaya ulaşmıştır. Ancak, ekstraktif metalurji henüz emekleme aşamasında olduğundan, çoğu alüminyum çıkarma işlemi cevherde bulunan diğer elementlerle kontamine olmuş istenmeyen alaşımlar üretti; bunlardan en bol bulunanı bakırdı. Bu alüminyum-bakır alaşımları (o zamanlar "alüminyum bronz" olarak adlandırılıyordu) saf alüminyumun önüne geçerek yumuşak, saf metale göre daha fazla mukavemet ve sertlik sunuyordu ve bir dereceye kadar ısıl işleme tabi tutulabiliyordu. Ancak, yumuşaklıkları ve sınırlı sertleşebilirlikleri nedeniyle bu alaşımlar çok az pratik kullanım alanı bulmuş ve Wright kardeşler 1903 yılında ilk uçak motorunu yapmak için bir alüminyum alaşımı kullanana kadar daha çok bir yenilik olarak kalmıştır. 1865-1910 yılları arasında krom, vanadyum, tungsten, iridyum, kobalt ve molibden gibi birçok başka metalin çıkarılması için süreçler keşfedildi ve çeşitli alaşımlar geliştirildi. ⓘ
1910'dan önce araştırmalar çoğunlukla özel şahısların kendi laboratuarlarında yaptıkları çalışmalardan ibaretti. Ancak, uçak ve otomotiv endüstrilerinin büyümeye başlamasıyla birlikte, 1910'u takip eden yıllarda alaşım araştırmaları endüstriyel bir çaba haline gelmiş, arabalardaki pistonlar ve tekerlekler için yeni magnezyum alaşımları, kollar ve düğmeler için pot metal geliştirilmiş, uçak gövdeleri ve uçak kaplamaları için geliştirilen alüminyum alaşımları kullanıma sunulmuştur. ⓘ
Tarihçe
Alaşımların tarihi milattan önce 4. bin yıllara kadar uzanmaktadır. İran ve Mezopotamya bölgelerinde bulunan tunç (bronz) örnekleri bu zaman diliminde tarihlenmiştir. Demirden daha sert olan tunç; silah, kesici ve delici aletler, mutfak aletleri, süs eşyaları vb. yapımında günümüze değin kullanılagelmiştir. ⓘ
Yapılan arkeolojik çalışmalarda Çin'in Sincan bölgesinde M.Ö. 1000 yıllarına ve Hindistan'ın Merkez Ganj Vadisi ve Doğu Vindhyas bölgesinde M.Ö. 1800 yıllarına tarihlenen çelik buluntulara rastlanmıştır. Söz konusu buluntular çelik kullanımının en az 3000 yıllık bir tarihinin olduğunu belgelemektedir. Tunca göre daha sert ve dayanıklı olan demir-karbon alaşımı çelik çeşitli araç gereç yapımında yaygın olarak kullanılmıştır. ⓘ
Ara bileşikler
Ara bileşiklerde atomlar arası bağlar metalik bağ ile kimyasal bağ arasında değişen bir yapıya sahiptir ve kimyasal bileşiklere benzeyen AnBm şeklinde bileşikler oluşur. Ara bileşiklerin kristal yapıları karmaşıktır. Bazı zamanlarda birim hücrede yüzlerce atom bulunabilir. Sertlikleri bu yüzden yüksektir. C, N, B gibi elementler ile metallerin meydana getirdiği ara bileşiklerde kimyasal bağın payı daha büyüktür (karbür, nitrür, borür, vb). Bu bileşiklerin ergime noktaları çok yüksek ve çok serttirler. TaC, NbC, ZrC, VC, WC gibi bileşikler, takım çelikleri ve ısıya dayanıklı çeliklerde bulunması istenilen sert ve kararlı bileşiklerdir. ⓘ
Denge diyagramları
Alaşımların sıcaklık ve konsantrasyonlarına bağlı olarak durum değiştirmeleri denge diyagramları ile gösterilir. Denge diyagramlarında faz alanların sınırı belirlenir. Homojen ve özellikleri birbirinden farklı bölgelere faz denilir. Katı, sıvı, gaz birer fazdır. Ayrıca bu fazların içerisinde aynı anda birden fazla faz da bulunabilir. ⓘ
Belirli bir konsantrasyon altındaki alaşım sıcaklık etkisi altında katı, sıvı, gaz hâllerine dönüşür. Bazen katı fazı içerisinde kristal yapı değişerek faz değişikliği meydana getirebilir. Konsantrasyona bağlı olarak bu faz değişimleri tespit edilir ve alaşımların denge diyagramları çıkartılabilir. Alaşımı oluşturan bileşenlerin birbirlerinin içerisinde erimelerine göre önemli sayılacak denge diyagramlarını üç ana grupta toplamak mümkündür. ⓘ
- Sıvı ve Katı Durumda Tam Çözünürlük
- Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik
- Sıvı Durumda Tam Çözünürlük, Katı Durumda Sınırlı Çözünürlük ⓘ