מבנה החומר

כללי

חלק ניכר ממטוסים וחלקיהם עשויים מתכות, שלהן תכונות מיוחדות המצדיקות את השימוש הרב בהן. תכונות המתכות משתנות תוך תהליכי העבודה השונים בהתאם לתהליך.

(על פירוט המתכות השימושיות בתעופה נלמד בהמשך).

מתכות טהורות

מתכת טהורה הינה מתכת המורכבת מאטומים מאותו סוג (אותו מספר פרוטונים).

התכונות המכניות של המתכות הטהורות אינן עומדות בד"כ בדרישות השונות ולכן מוסיפים להן מתכות אחרות.

נתכים

נתך הוא הוספת מתכות אחרות בעלי אטומים אחרים למתכת הקיימת. פעולה זו נקראת סגסוג. הסגסוג משפר את התכונות המכניות של המתכות הטהורות. בנוסף לסגסוג חשוב גם מבנה הגביש.

קיימים מבנים חזקים יותר מהאחרים (כפי שנראה בהמשך), למשל פעולות חיסום שתפקידן לשנות את מבנה הגביש (קריסטל), ולא את מבנה החומר. כתוצאה מכך מתקבל נתך בעל תכונות אחרות.

סוגי מתכות שונות

סוגי מתכות שונות

תכונות

לסגסוגות ולמתכות הטהורות מספר תכונות:

  • מוליכות של חום וחשמל - למתכות יש אפשרות של הולכת חום וחשמל כתוצאה מתנועת אלקטרונים חופשיים במרחב.
  • התנגדות לדפורמציה - המתכות ואטומיהם מתנגדים (עד גבול מסוים) לשינוי מקומם. הדבר מתבטא בעיקר בהתנגדות לשחיקה, התעייפות, מתיחה וכו'.
  • דפורמציה אלסטית - כאשר מפעילים כח לא רב על מתכות הם חוזרים למצבם ההתחלתי (חוק הוק).
  • ברק - לרוב המתכות ברק חיצוני.
  • דפורמציה פלסטית - כאשר מפעילים כח רב העובר את נקודת הכניעה החומר אינו חוזר למצבו ההתחלתי.
  • התעייפות - שבירה פתאומית הנובעת בעיקר עקב הפעלת מאמץ מחזורי.

יש לזכור כי הפעלת כח/מאמץ מתחת לנקודת הכניעה פעם אחת אינה גורמת להתעייפות, אולם אם נוצרים סדקים, חריצים או פינות חדות המשך הפעלת המאמץ יגרום לשבר.

  • עמידה בטמפרטורה גבוהה - עם עליית הטמפרטורה חלה ירידה במאמץ המתיחה (הכח לחלק בשטח), ולכן נוצרת ירידה בנקודת הכניעה. כלומר,חומר יכול להיות בתחום האלסטי בטמפרטורה מסוימת ולעבור לתחום הפלסטי בטמפרטורה גבוהה יותר.

תכונות חומרים תעופתיים

כאשר מפתחים סגסוגת, חשוב להתייחס לשלושת התכונות המאפיינות חומרים תעופתיים; השפעות כימיות, מאמצים מכניים ויחס חוזק/משקל.

ה ב ר ז ל

כללי

הברזל הינו אחד היסודות החשובים בתעשיה ובחיי היום-יום. גם בקליפת כדור הארץ מצוי ברזל, אך לא בצורה חופשית. סימונו הכימי של הברזל הוא Fe. הברזל נכרה במכרות פתוחים או במכרות תת קרקעיים.

סוגי עפרות הברזל

עפרות הברזל הנכרים באדמה הם מסוגים שונים ובהתאם לכך שונים גם תהליכי הפקתם.

-          ברזל מגנטי - בצבע שחור אפור ובעל סגולות מגנטיות. עפרה זו עשירה וטובה ביותר ומכילה כ- 72%                                     ברזל.

-          ברזל אדום- בצבע חום אדמדם ומכילה כ- 65% ברזל.

-          לימוניט- בצבע חום, נחצבת בקלות ומכילה כ- 66% ברזל. (גם בישראל; במכתשים ובמנרה – נתגלו                           עפרות מסוג זה והן מכילות בממוצע 40% ברזל).

-          ברזל פחמני- עפרה זו מכילה כ- 48% ברזל.

-          ברזל גפריתני- בצבע צהוב, ומכילה כ- 46% ברזל.

תנור רם

העפרות מוכנסות לתנור רם (גבוה), בו מופרד הברזל מהחמצן שבו וע"י כך מקנים לברזל את הסגולות המאפשרות את השימוש בו. את התנור מסיקים באמצעות קוקס הנותן גם טמפרטורה גבוהה (C 16000) וגם "אוסף" אליו את החמצן.

התוצר שיוצא מתנור רם נקרא  ב ר ז ל  ח י.

ברזל חי

ברזל חי הוא הברזל הגולמי המתקבל לאחר התכת עפרות הברזל בתנור רם. הוא מכיל בנוסף לברזל שהוא העיקר גם פחמן, צורן, מנגן, זרחן וגפרית בכמויות משתנות.

(בהמשך נלמד שיש "לסלק" את הפחמן מהברזל החי).

הפחמן בברזל החי יכול להיות קשור לברזל או חופשי. בד"כ הפחמן נמצא בברזל בשני המצבים יחדיו.

ה פ ל ד ה

סוגי הפלדה השונים שאנו מכירים מיוצרים מברזל חי בתוספת חומרים זרים. את הברזל החי מפיקים מהמחצבים של עפרות הברזל הגולמי ויש להפרידו מהחמצן המורכב איתו באופן כימי ומיתר החומרים הזרים. תהליכי הפקת הפלדה מפחיתים את אחוז הפחמן שבברזל החי. (ברזל חי מכיל כ- %5-3 פחמן, הפלדה מכילה פחות ומקסימום 1.3% פחמן).


הפקה

תהליך יצור הפלדה בא לתת לברזל את כמות הפחמן הדרושה ולהרחיק את הסיגים המיותרים. הפלדה מופקת באחד מהתהליכים הבאים בהם נשרפת הפלדה ומוצא ממנה הפחמן.

התהליכים העיקריים המקובלים בעולם הם:

  • בסמר
  • סימנס-מרטין
  • חשמלי
  • כורים

סגסוג

את הפלדה ניתן לסגסג (להוסיף חומרים) על מנת לקבל תכונות יחודיות.

החומר

ההשפעה

דוגמאות לשימוש

הערות

צורן Si

אלסטיות, חוזק, פריכות

קפיצים

מנגן Mn

חוזק וקשיות, התנגדות לשחיקה

שיני דחפורים, שרשרות

כרום Cr

חוזק בחום ולמשיכה, קשיות

כדוריות וגלילים למיסבים

ניקל Ni

חוזק וצמיגות

חלקי מנועי סילון

פלדת אל חלד. נקראת גם 18/8 כי היא מכילה 18% כרום ו-8% ניקל ולא נתקפת בשיתוך.

וולפרם W

קשיות וחוזק בחום

כלי חיתוך, מקדחים

קובלט Co

קשיות, מגנטיות

מגנטים קבועים, מבלטי חיתוך

פלדה מקצועית לעבודה לאחר עיבוד

פלדה מקצועית לעבודה לאחר עיבוד

טיפול טרמי לנתכי פלדה

הטיפולים הטרמיים נועדו להקנות תכונות חוזק וקשיות בהתאם לדרישות.

 

 

 

 

 

 

חיסום - הקשיה וחוזק לנתכי פלדות.

ריפוי - הורדה מקסימלית של הקשיות.

הרפיה - שחרור מאמצים.

  • חיסום - חימום איטי של הפלדה עד שצבעה הופך אדמדם בהיר לטמפ' של כ- C 8000-C7500, וצינונה המהיר בנוזל. החיסום מקשה את הפלדה ומקנה לה עמידות בפני שחיקה.
  • ריפוי - חימום איטי של הפלדה והשהייתה בתנור וקירור איטי. הריפוי משחרר מאמצים פנימיים הנוצרים בזמן טיפולים טרמיים. מתקבלת פלדה רכה המתאימה לעיבוד ושיבוב.
  • הרפיה - חימום המוצר לטמפ' של כ- C4000-C2000 וקירורו באוויר החופשי. ההרפיה מבוצעת בד"כ לאחר החיסום על מנת להקטין מעט את הקשיות ולהגדיל את הגמישות כדי למנוע את סכנת השבירות.

 

שיטות עיבוד

את הפלדה הגולמית ניתן לעבד לצורה הנדרשת באחת מהשיטות הבאות:

  • ערגול - העברת המתכת דרך גלילים המסתובבים בלחץ. ערגול ניתן לבצע בחום ובקור בהתאם לדרישות.
  • השחלה - העברת המתכת במצב פלסטי דרך פתח צורתי ע"י דחיסה במכבש בעל עוצמה רבה.
  • משיכה - העברת המתכת דרך פתח בעל צורה מתאימה כשהוא במצב קר או חם.
  • חישול - עיבוד ע"י כבישה במכבש בעל עוצמה רבה לצורות נדרשות.
מתכות אלברזליות

מתכות אלברזליות הן מתכות שאינן ברזל (ברובן צבעוניות), ולהן תכונות מיוחדות הנדרשות במוצר. הן בד"כ יקרות יותר כי המצאותן בעפרות נמוכה מאד. מתכות אלברזליות מועילות מאד הואיל ואינן מחלידות וקל מאד לעבדן.

המתכות האלברזליות השימושיות ביותר הן:

נחושת Cu - צבעה אדמדם, מוליכה טוב חום וחשמל. נקודת ההיתוך של הנחושת C10830. הנחושת משמשת כחומר הרכב לנתכים רבים.

אבץ Zn -  חומר רך (יותר מנחושת). צבעו לבן כחלחל מבהיק, ניתן למשיכה ולריקוע במצב מחומם. מחליד בבואו במגע עם אויר (רק לעומק מסוים) ולכן מצפים בו צינורות, מרזבים, פחים לגגות וכו'. מוליך חום וחשמל נמוך, שימושי גם כחומר גלם ברפואה, בצבעים לצרכי חשמל וכו'.

בדיל Sn - צבעו לבן אפרפר קשה במקצת מהעופרת וחוזקו נמוך. ניתן לרקעו ולשטחו לגיליונות דקים ביותר. הבדיל אינו מחליד בטמפ' החדר ולכן מצפים בו פחיות שימורים, שפופרות למשחות וכד'. משמש חומר טוב להלחמות.

עופרת Pb - צבעה כחלחל אפור והיא רכה ופלסטית.  באוויר רטוב מתכסה העופרת בשכבת תחמוצת דקיקה המגנה על המתכת שתחתיה. העופרת לא נתקפת ע"י חומצות ולכן משמשת ככלי אחסון לחומצות. קרינה רדיואקטיבית וקרני רנטגן אינן עוברות דרך העופרת ולכן היא משמשת גם כהגנה בפני חומרים רדיואקטיביים בשל צפיפותה.

כדי להעלות את אוקטן הבנזין מוסיפים לו חומר על בסיס עופרת (טטרא-אתיל-העופרת).

העופרת רעילה ושייכת לקבוצת המתכות "הכבדות".

מגנזיום Mg - צבעה לבן אפור מבריק, והיא מתכת קלה ולא חזקה. נקודת התכתה נמוכה  כ- C6500. המגנזיום אינו עמיד בפני חומצות או מי ים ובוער היטב בלהבה בהירה.

נתכי מגנזיום משמשים בעיקר להכנת חלקי מטוסים בשל משקלם הקל.

ניקל Ni - צבעו לבן כסף והוא נתון לשינויי צורה. ניתן לעבדו ולערגלו במצב קר כמעט שאינו מחליד ולכן משתמשים בו לציפוי ברזל ונחושת. נקודת היתוכו גבוהה והיא C14500.

כרום Cr - צבעו אפור מבריק והוא מתכסה בשכבת תחמוצת דקיקה המונעת חמצון ולכן הוא משמש כציפוי של תנורים שונים. נקודת היתוכו גבוהה מאד C18300.  משמש כסגסוג לפלדה. פלדה המסוגסגת עם כרום קשה ועמידה בפני שחיקה.

הכרום משמש להכנת סכיני חריטה, מקדחים וכלי חיתוך שונים.

טיפול כימי במתכות

נתכי נחושת

שני נתכי הנחושת הנפוצים בתעופה הם הפליז והברונזה.

פליז (BRASS) - נתך של נחושת עם אבץ. ניתן לריתוך וכן להלחמה רכה וקשה.

ברונזה (BRONZE) - נתך של נחושת עם בדיל ניתנת להלחמה קשה לליטוש ולריתוך.