فصل اول: تولد تصادفی یک آلیاژ بی‌نام

مقدمه......................................................................................................................................... 27

1-1. نقاط عطف در فناوری...................................................................................................... 31

1-1-1. داستان فولاد ابزار جدید........................................................................................ 32

1-1-2. سه سال بعد از پرواز برادران رایت....................................................................... 33

1-1-3. کشف شگفت انگیز دکتر ویلم............................................................................... 35

1-1-4. هنری فورد و خودروی معروفش........................................................................... 38

1-1-5. فولاد زنگ نزن....................................................................................................... 38

1-2. دوره نوآوری..................................................................................................................... 40

1-2-1. فولاد های تندبر و فولادهای ابزار اولیه................................................................. 41

1-3. جدول زمانی برخی از تحولات در اوایل قرن 20ام.......................................................... 45

1-4. نوآوری مداوم مواد............................................................................................................ 49

فصل دوم: ساختار فلزات و آلیاژها

مقدمه......................................................................................................................................... 53

2-1. ساختمان اتم..................................................................................................................... 54

2-2. پیوند میان اتم‌ها................................................................................................................ 58

2-2-1. پیوند واندروالسی و پیوند هیدروژنی..................................................................... 60

2-2-2. پیوند فلزی.............................................................................................................. 61

2-2-3. پیوند یونی.............................................................................................................. 63

2-2-4. پیوند کووالانسی..................................................................................................... 64

2-2-5. پیوند ثانویه یا واندروالسی...................................................................................... 65

2-3. ساختارهای بلوری و عیوب در آن‌ها................................................................................. 66

2-3-1. شبکه فضایی و سیستم‌های بلوری......................................................................... 66

2-3-2. عیوب کریستالی و تغییر شکل پلاستیک................................................................ 70

2-4. ساختار بلوری فلز............................................................................................................. 78

2-4-1. سیستم مکعبی وجوه مرکز پر(fcc)....................................................................... 79

2-4-2. سیستم مرکز پر ( bcc).......................................................................................... 86

2-5. نفوذ.................................................................................................................................. 89

2-5-1. عملیات حرارتی و نفوذ.......................................................................................... 92

2-6. محلول‌های جامد............................................................................................................... 93

2-6-1. محلول‌هاى جامد جانشین...................................................................................... 94

2-6-2. محلول‌های جامد بین نشین.................................................................................... 95

2-7. آلوتروپی آهن.................................................................................................................... 99

2-8. ذوب............................................................................................................................... 102

2-9. ساختار های انجماد........................................................................................................ 106

2-9-1. ساختار ماکرو........................................................................................................ 108

2-9-2. ساختار مقیاس میانی............................................................................................ 108

2-9-3. ریز ساختارها........................................................................................................ 109

2-9-4. ساختارهای مقیاس اتمی ( مقیاس نانو)............................................................... 110

2-10. استفاده از نمودارهای فازی تعادل................................................................................ 110

2-10-1. قانون فاز گیبس................................................................................................. 111

2-11. ترمودینامیک شیمیایی.................................................................................................. 112

2-11-1. آنتالپی و ظرفیت حرارتی.................................................................................. 112

2-11-2. تعادل شیمیایی و انرژی آزاد گیبس.................................................................. 113

2-12. استحاله‌های فازی......................................................................................................... 114

2-12-1. قانون اهرم.......................................................................................................... 115

فصل سوم: خواص مکانیکی و مکانیزم‌های استحکام بخشی

مقدمه....................................................................................................................................... 119

3-1.خواص مکانیکی............................................................................................................. 119

3-1-1. الاستیسیته............................................................................................................. 124

3-1-2. پلاستیسیته............................................................................................................ 126

3-1-3. تغییر فرم خزشی.................................................................................................. 135

3-1-4. خستگی................................................................................................................ 137

3-1-5. چقرمگی............................................................................................................... 139

3-1-6. سختی................................................................................................................... 140

3-2. مکانیزم های استحکام بخشی......................................................................................... 140

3-2-1. استحکام بخشی محلول جامد.............................................................................. 141

3-2-2. استحکام بخشی محلول جامد آهن و فولادها...................................................... 142

3-2-3. اثر اندازه دانه....................................................................................................... 143

3-2-4. ضعیف شدن مرزدانه‌ها........................................................................................ 146

3-2-5. کار سرد................................................................................................................ 147

3-2-6. آنیل....................................................................................................................... 148

3-3. پارامترهای کرنش سختی................................................................................................ 150

3-3-1.کرنش سختی در آلومینیوم خالص صنعتی........................................................... 153

3-3-2. معمای دکتر ویلم ( پیرسختی)............................................................................. 155

3-3-3. مثال هایی از سایر آلیاژهای رسوب (پیر) سختی پذیر آلومینیوم......................... 159

3-4. سایر مکانیزم های استحکام بخشی مهم.......................................................................... 160

3-4-1. سخت سازی توزیعی............................................................................................ 160

3-4-2. سخت سازی تشکیل مارتنزیتی............................................................................ 164

فصل چهارم: کشف فلزات- مروری تاریخی

مقدمه....................................................................................................................................... 167

4-1. فلزات بومی.................................................................................................................... 168

4-2.عصر برنز........................................................................................................................ 171

4-3.تولید فلزات – عملیات استخراج..................................................................................... 173

4-3-1. آهن....................................................................................................................... 176

4-4. کشف فلزات مدرن......................................................................................................... 182

4-4-1. بریلیم.................................................................................................................... 182

4-4-2. کادمیم................................................................................................................... 183

4-4-3.کروم....................................................................................................................... 183

4-4-4. مولیبدن................................................................................................................. 183

4-4-5. تنگستن................................................................................................................. 184

4-4-6. وانادیم.................................................................................................................. 184

4-4-7.منیزیم..................................................................................................................... 184

4-4-8.تیتانیم..................................................................................................................... 185

4-4-9. ایریدیوم، ردیم، پالادیم و پلاتین و طلا............................................................... 185

4-4-10. آلومینیوم............................................................................................................. 185

4-5. تصفیه فلزات.................................................................................................................. 186

فصل پنجم: تولید آلیاژ مدرن

مقدمه....................................................................................................................................... 191

5-1. اثر آلیاژی شدن بر انجماد............................................................................................... 194

5-1-1. انجماد فلزات خالص........................................................................................... 194

5-1-2. انجماد آلیاژها....................................................................................................... 196

5-2 . ساختار انجمادی........................................................................................................... 199

5-3 .کوره‌های ذوب................................................................................................................ 208

5-3-1. کوره‌های قوس الکتریکی..................................................................................... 211

5-3-2. کوره‌های القایی..................................................................................................... 213

5-3-3. ذوب القایی در خلاء (Vacuum induction melting)................................ 214

5-3-4. کوره‌های بوته دار................................................................................................. 216

5-3-5. سایر کوره‌ها ‌........................................................................................................ 220

5-4. ریخته‌گری محصول اولیه................................................................................................ 223

5-4-1. ریخته‌گری تک باره  شمش................................................................................. 224

5-4-2. روش‌های ریخته‌گری مداوم................................................................................. 225

5-5. ریخته‌گری صنعتی (کارخانه ای).................................................................................... 228

5-5-1. ریخته‌گری با قالب‌های یک بار مصرف ماسه ای................................................. 229

5-5-2. ریخته‌گری با قالب های مصرفی (یک بارمصرف) Expenduble :.................. 229

5-5-3. ریخته‌گری با قالب دائم ‌...................................................................................... 232

5-5-4. ریخته‌گری تحت فشار Die casting................................................................. 233

5-5-5. ریخته‌گری آلیاژهای غیرآهنی............................................................................... 235

5-5-6. آلیاژهای ریخته‌گری آلومینیوم.............................................................................. 236

5-6. آلیاژهای آلومینیوم – مس – سیلیسیم‌............................................................................. 239

5-6-1. آلیاژهای ریخته‌گری مس...................................................................................... 241

5-6-2. آلیاژهای ریخته‌گری منیزیم.................................................................................. 243

5-6-3. آلیاژهای ریخته‌گری روی..................................................................................... 246

5-7. متالورژی پودر................................................................................................................ 247

5-7-1. اتمیزه کردن با آب............................................................................................... 250

5-7-2. اتمیزه با گاز......................................................................................................... 251

فصل ششم: ساخت و پرداخت محصولات فلزی

مقدمه....................................................................................................................................... 257

6-1. فرآیندهای شکل‌دهی...................................................................................................... 259

6-1-1. تجهیزات شکل‌دهی فلز....................................................................................... 261

6-2. کارخانه های تولید اولیه.................................................................................................. 265

6-3. آهنگری.......................................................................................................................... 270

6-3-1. آهنگری قالب باز.................................................................................................. 272

6-3-2. آهنگری قالب بسته............................................................................................... 273

6-3-3. آهنگری نوردی.................................................................................................... 275

6-3-4. آهنگری شعاعی.................................................................................................... 277

6-4. کشش و روزن رانی........................................................................................................ 281

6-5. شکل‌دهی....................................................................................................................... 283

6-5-1. خم‌کاری میله و تیوب........................................................................................... 286

6-5-2. خم‌کاری ورقه‌ای.................................................................................................. 289

6-5-3. شکل‌دهی چرخشی.............................................................................................. 291

6-6. متالورژی پودر................................................................................................................ 293

6-7. فرآیندهای زدایش ماده................................................................................................... 296

6-7-1. راهبردهای پیوستگی سطحی برای فرآیندهای سایشی....................................... 301

6-7-2. راهبردهای صافی سطحی برای عملیات برداشت تراشه‌ای................................ 302

6-8. فرآیندهای اتصال............................................................................................................ 303

6-8-1. جوشکاری............................................................................................................ 304

6-8-2. لحیم‌کاری و زردجوش (Brazing And Soldering)..................................... 318

فصل هفتم: سنجش و بازرسی فلزات – جستجو برای کیفیت

مقدمه....................................................................................................................................... 323

7-1. متالوگرافی...................................................................................................................... 325

7-2. آزمون سختی.................................................................................................................. 329

7-2-1. تست های ماکروسختی سنجی............................................................................. 331

7-2-2.تست نانوسختی..................................................................................................... 336

7-3. تست کشش.................................................................................................................... 337

7-4. چقرمگی شکست........................................................................................................... 342

7-4-1.آزمون چقرمگی شکست....................................................................................... 350

7-5. تست ضربه..................................................................................................................... 352

7-5-1. تست خستگی...................................................................................................... 353

7-5-2. بررسی غیر مخرب............................................................................................... 360

فصل هشتم: چدن

مقدمه....................................................................................................................................... 371

8-1. مبانی متالورژی چدن...................................................................................................... 373

8-1-1. چدن های سفید و خاکستری............................................................................... 374

8-2. طبقه بندی چدن‌ها.......................................................................................................... 384

8-2-1. چدن های خاکستری............................................................................................ 385

8-2-2. چدن داکتیل......................................................................................................... 392

8-2-3. چدن مالیبل........................................................................................................... 402

8-2-4. چدن گرافیتی فشرده........................................................................................... 405

8-2-5. چدن های ویژه..................................................................................................... 406

فصل نهم: عملیات حرارتی فولاد

مقدمه....................................................................................................................................... 413

9-1. سیستم آهن-کربن.......................................................................................................... 414

9-2. فازهای متداول در فولادها.............................................................................................. 418

9-2-1. تشکیل سمنتیت و پرلیت..................................................................................... 418

9-2-2. فولادهای یوتکتوئید و تشکیل پرلیت................................................................... 419

9-2-3. مارتنزیت............................................................................................................... 428

9-2-4. بینیت.................................................................................................................... 435

9-3. دماهای بحرانی و نمودارهای تبدیلات فازی.................................................................. 439

9-3-1. نمودارهای تبدیلات فازی.................................................................................... 444

9-4. روش آنیل کردن (annealing) و افزایش سختی با عملیات حرارتی نرمال كردن.... 446

9-4-1. چرخههای حرارتی مربوط به روشهای متداول آنیل کردن................................. 446

9-4-2. راهنمای عملیات آنیل کردن................................................................................ 450

9-5. انواع مختلف عملیات آنیل کردن فولاد........................................................................... 453

9-5-1. آنیل کردن با هدف تنشزدایی ساختاری.............................................................. 453

9-5-2. آنیل کردن با تبلور مجدد ساختار فولاد............................................................... 454

9-5-3.کروی کردن ساختار فولادها................................................................................. 455

9-5-4. نرمال کردن ساختار انواع فولاد........................................................................... 456

9-6. کوره‌های حرارتی و گرمایش القایی................................................................................ 457

9-6-1. حرارت‌دهی کورهای............................................................................................ 458

9-6-2.گرمایش القایی....................................................................................................... 459

9-6-3.اثر سرعت حرارت‌دهی فولاد بر دماهای تبدیلات فازی...................................... 464

9-7. سختگردانی و بازپخت ساختار فولاد............................................................................. 466

9-7-1. محیط سرمایش ناگهانی........................................................................................ 473

9-7-2.عملیات حرارتی بازپخت...................................................................................... 474

9-8. عملیات سردکاری فولاد................................................................................................. 476

9-8-1. تجهیزات مورد نیاز برای عملیان سردکاری......................................................... 479

9-9. سخت‌کاری یا سخت کردن سطحی (Surface or Case Hardening)............ 480

9-9-1. روش‌های پخش مولکولی دخیل در عملیات سخت‌کاری سطحی....................... 483

9-9-2.کربن‌دهی یا کربوره کردن (Carburizing)........................................................ 484

9-9-3. روش نیتروژندهی................................................................................................ 489

9-9-4.دیگر روش‌های انتشار مولکولی............................................................................ 490

9-10. فرآیندهای سخت‌کاری موضعی ساختار فولاد............................................................. 492

9-10-1. گرمایش القایی.................................................................................................... 493

9-10-2. عملیات حرارتی سطحی لیزری......................................................................... 496

9-10-3. سختکاری با پرتو الکترونی (EB).................................................................... 496

9-10-4. سخت‌کاری پوست‌های...................................................................................... 497

9-11. تجهیزات فرآیند حرارتی............................................................................................. 497

9-11-1.کوره‌های منقطع................................................................................................... 497

9-11-2.کوره‌های پیوسته.................................................................................................. 499

9-11-3.اتمسفرهای کوره................................................................................................. 500

9-11-4. اتمسفر طبیعی.................................................................................................... 500

9-11-5.کوره‌های خلاء..................................................................................................... 502

9-11-6. کورهی پلاسما.................................................................................................... 504

9-11-7. کوره سیال بستر................................................................................................. 505

9-11-8. کوره‌های دارای دیگ حمام نمک و مایع........................................................... 505

فصل دهم: ماندگاری و دوام فلزات و آلیاژها

مقدمه....................................................................................................................................... 511

10-1. انواع مختلف سایش..................................................................................................... 512

10-1-1. سایش خراشان (غیرچسبان)............................................................................. 512

10-1-2. سایش فرسایشی................................................................................................. 515

10-1-3. سایش چسبان.................................................................................................... 518

10-2. تخریب‌های ناشی از دما............................................................................................... 528

10-2-1. خستگی ناشی از حرارت.................................................................................. 528

10-2-2. تغییر شکل خزشی و گسیختگی تنشی............................................................. 528

10-2-3. شکست ناشی از اکسیداسیون........................................................................... 532

10-3. شکست ترد و شکست نرم........................................................................................... 532

10-3-1. شکست بین دانه‌ای............................................................................................ 533

10-3-2. شکست درون دانه‌ای......................................................................................... 534

10-3-3. شکست قطعات.................................................................................................. 534

10-4.خستگی........................................................................................................................ 542

10-4-1. رشد ترک خستگی............................................................................................ 545

10-4-2. علایم ساحلی..................................................................................................... 549

10-4-3. شکست در اثر بارگذاری بیش از حد پس از خستگی.................................... 550