السبائك والمركبات المعدنية

السبائك والمركبات المعدنية:

• السبيكة (alloy) هي عبارة عن خليط من العناصر المعدنية، حيث يتم تحضيرها عن طريق خلط المكونات المنصهرة ثم بعد ذلك يتم تبريد هذه المكونات؛ لإنتاج مادة صلبة، حيث تظهر هذه المادة الصلبة الخصائص المعدنية.

• تصنع العديد من السبائك قابلة للانصهار؛ وذلك حتى تذوب عند درجة حرارة تساوي 90-100 درجة مئوية، على سبيل المثال، هناك سبيكة (Darcet) والتي تتضمن 50 بالمئة من البزموت، 25 بالمئة من الرصاص، 25 بالمئة من القصدير تذوب عند درجة حرارة 98 درجة مئوية، ويتم ذلك عن طريق استبدال نصف القصدير في سبيكة (Darcet) بالكادميوم، ويتم الحصول على معدن سبيكة (Wood)، والذي يذوب عند درجة حرارة 70 درجة مئوية.

• حيث أنه يمكن أن تنتج مثل هذه المجموعات مواد مفيدة مع خصائص محسنة تكون أفضل من الخصائص الأصلية، مثل خاصية القوة وخاصية المرونة أو التطويع، بالإضافة إلى خاصية قوة الشد وخاصية الصلابة، أو خاصية مقاومة التآكل.

• المكونات عادة تكون عبارة عن معدنين حساسين للكهرباء، واللذان لهما كهرومغناطيسية متشابهة جدًا (حيث تكون منخفضة)، كما أنه تمتلك ذرات من نفس الحجم، لذلك من المحتمل أن تكون موجودة باتجاه الزاوية اليسرى السفلية من مثلث كيتيلار (Ketelaar triangle).

• مثلث كيتيلار، يوضح هذا المثلث كيف يمكن استخدام مخطط متوسط ​​القدرة الكهربية ℵmean [(ℵ a +ℵ b) / 2] ضد الفرق في الكهربية Δℵ للعمل على تصنيف نوع الرابطة الكيميائية للمركبات الثنائية (binary compounds).

أشكال السبائك المعدنية:

• الشكل الأول: أن تكون على شكل محاليل صلبة متجانسة فيها يتم توزيع ذرات المعدن الواحد بشكل عشوائي بين ذرات المعدن الآخر، كما ويكون المحلول الصلب، فيه الشبكة لذرات المذيبات (solvent) تستوعب ذرات مذابة (solute) أخرى، حيث يمكن أن يكون أحد النوعين: النوع الأول هو البديل (substitutional)، أما النوع الثاني هو خلالي أو متخلل (interstitial).

• الشكل الثاني: أن تكون على شكل مركبات معدنية ذات تكوين المحدد وذات هيكل داخلي منتظم محدد، وهي السبائك التي يختلف الهيكل المعتمد فيها عن الهياكل المعدنية المكون، مثال على ذلك: β-brass (CuZn) عند درجة حرارة تساوي 298 كلفن، يحتوي النحاس Cu على الشبكة البلورية ccpوالزنك Zn له هيكل ذو صلة بمصفوفة hcp، لكن النحاس الأصفر يعتمد البنية أو الهيكل من نوع  bcc.

المحاليل الصلبة البديلة (Substitutional Solid Solutions):

• في هذا النوع من المحاليل ما يحدث هو أن ذرات المذاب تحل محل ذرات المذيب في الشبكة.

• مثال على هذا النوع من المحاليل: الفضة الإسترليني (sterling silver)، حيث تتضمن الفضة Ag بنسبة 92.5 ٪، وتتضمن النحاس بنسبة 7.5 ٪، كلا المعدنين يعتمدان الهيكل ccp، حيث يمتلكان أنصاف أقطار معدنية مماثلة.

• إذا كان استبدال الذرات قد تم بطريقة منظمة، حيث أنه أصبح منتظمًا ومرتبًا في جميع أنحاء الشبكة، عندها يقال إنه في “superstructure phase”.

• من الأمثلة على ذلك، كلا من الأنظمة التالية: البالاديوم والنحاس Pd-Cu، وبالإضافة إلى الفضة والنحاس Ag-Cu وأيضا هناك الفضة والذهب Au-Ag، حيث أن جميع هذه الأمثلة تمتلك تكوين محدد، بالإضافة إلى هيكل داخلي منتظم.

المحاليل الصلبة الخلالية (Interstitial Solid Solutions):

• في هذا النوع من المحاليل تكون الذرات “المذابة” أصغر بكثير من الذرات “المذيبة”، وتشغل الذرات المذابة الفجوات أو الثقوب (holes) الموجودة في شبكات المذيبات الصلبة.

• قد يتم الحفاظ على الهيكل أو البنية الأساسية، وذلك على الرغم من تشويهها، ومن الممكن أن يكون هناك بعض التراكيب المتغيرة.

• عادةً ما تكون الذرات الصغيرة عبارة عن ذرات غير فلزية مثل الهيدروجين H والبورون B والكربون C والنيتروجين N، حيث أن وجودهم له تأثير ملحوظ على كلا من التالية مثل أولا التشوه (الصلابة، المرونة، قوة الشد)، ثانيا نقطة الانصهار، وثالثا تفاعل المعدن على سبيل المثال مثل تفاعل الكربون في الحديد (steel).

• الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steels): يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ أن كانت هياكل السبيكة خلالي وبديلة، مع احتلال الكربون C للثقوب في الشعرية الخاصة بالحديد، وذرات معدنية أخرى بشكل رئيسي تكون الكروم Cr تقوم باحتلال المواقع الشبكية، بأنها ذات قيمة تجارية عالية؛ وذلك بسبب المقاومة العالية للتآكل.

• حيث تحتوي جميعها على ما لا يقل عن نسبة 10.5٪ (من الكتلة) من الكروم Cr، وتنشأ مقاومة التآكل من خلال تكوين طبقة سطحية رفيعة ذاتية الإصلاح من أكسيد الكروم Cr2O3 بسمك تقريبا يساوي 13000 بيكرو متر.