متالوگرافی و ریزساختار در فلزهای باستانی و تاریخی

Metallography and Microstructure of Ancient and Historic Metals

این مجلد که مقدمه‏ ای بر شناخت ساختار و مورفولوژی مواد فلزی باستانی و تاریخی محسوب می‏شود به قلم دیوید ای. اسکات، در سال 1991 نوشته و توسط موسسه ی حفاظت گتی به چاپ رسیده است. کتاب مزبور به طور جامع بسیاری از موضوعات و مسائل عملی مرتبط با آماده سازی نمونه، مانت کردن، پولیش کردن، اچ کردن و مطالعه ی میکروسکوپی از نمونه های فلزی را دربرداشته و گزارش هایی مبنی بر چگونگی تفسیر ساختاری فلزات را با کمک فازهایی که نمودارهای مربوطه نشان می دهند، شرح داده است.

کتاب شامل 18 بخش است که بخش اول آن با عنوان ماهیت فلز، ساختارهای کریستالی فلز را با طرح شماتیک آن‏ها بسط داده و نیز چگونگی اندازه گیری سختی فلزات و شناخت عیوبی از جمله واپیچیدگی و ایجاد گسستگی در لبه‏ ها را در این بخش می توان آموخت.

بخش دوم با نام ریزساختار فلزات باستانی، با توضیح دو روش ساخت این فلزات به صورت کارشده و ریخته گری، آغاز می گردد و با تفسیر عکس های میکروسکوپی هر کدام از این فلزات باستانی، روش های شناخت آن ها از یکدیگر را به تقضیل شرح می دهد.

بخش سوم با عنوان مواد دوفازی، مخاطب با ساختارهای یوتکتیک، یوتکتویید، پریتکتیک و به طور کلی ساختارهای مرکب بین فلزی و ساختارهای ناهمگنی که به خاطر افت دما در شکل گیری نهایی آن ها به وجود می آید و چگونگی انتقال جرم  به صورت ظهور "ساختار ویدمن اشتاتن"[1] آشنا می گردد، و برای هرکدام مثالی با طرح شماتیک و نیز نموداری برای درک بهتر موضوع تنظیم شده است.

بخش چهارم که ریزساختار قلع برنز نام دارد، به دلیل وجود برخی خصوصیات یافت شده در آلیاژهای مس و قلع و ترکیب آن‏ها که پدبدآورنده ی برنز است، اینطور نام گذاری شده و این خصوصیات قلع است که باعث می شود آلیاژ برنز تقویت گردد و در نتیجه موجب قوی و سخت شدن ساختار برنز قلع می گردد. در ادامه با ارائه ی تصاویر میکروسکوپی، اشیای برنزی نقاط مختلف دنیا مانند ایران، چین و غیره را مقایسه نموده که تفاوت های آن ها از روی بررسی شکل ریزساختاریشان کاملاً مشهود است.

بخش پنجم توضیحاتی در باب فولاد کربنی یا همان فولاد سخت شونده داده است که شامل یادداشت هایی مبنی بر عملیات حرارتی تأثیرگذار بر میزان کربن فولادها و به وجود آمدن فازهای مختلف در فولاد است. به طور مثال ساختار یک فولاد کم کربن را در دمای اتاق، بعد از عملیات حرارتی و بعد از سرد شدن با هم مقایسه نموده، ساختار مرزدانه ها و ریزدانه ها را به تصویر کشیده و در مثال ملموس دیگری اندازه ی ریزدانه های لبه ی برش یک چاقوی فولادی و اندازه ی دانه های درشت تر بدنه ی همان چاقو نشان داده شده که در ابعاد متفاوت هستند و مارتنزیت موجود در ساختار لبه را دلیل بر سخت و تیز بودن آن می داند.

بخش ششم به مارتنزیت موجود در فولادهای کم کربن اشاره نموده است. در تعریف، ساختار سختی که نتیجه سرد کردن سریع آستنیت با سرعت بالا است، فاز غیر تعادلی مارتنزیت نام دارد و این بخش از کتاب ناحیه ی فاز آستنیت و عملیات حرارتی را که مهم ترین مراحل تولید ابزارهای فولادی (فلزی) است، به طور خلاصه شرح می دهد و مطالبی پیرامون تأثیر درصد کربن و محیط سردکننده بر سختی و ریزساختار فولادهای ساده کربنی ارائه می دهد.

بخش هفتم برگشت دادن یا تمپر کردن مارتنزیت نام دارد، که در واقع این اصطلاح نشان دهنده ی چگونگی تغییرات در مقطع ریزساختارها و خواص مکانیکی یک نمونه ی شبه پایدار است که تحت استحاله هم دما گرفته است، و البته در شرایط دمایی که آستنیت باعث تغییر در شکل و اندازه ریزساختارها نمی شود و لازم به ذکر است که هر آستنیتی که باقی مانده باشد، ممکن است در این فرآیند تجزیه شود و به منظور مقایسه، انواع مارتنزیت فولادهای باستانی با تصاویر میکروسکوپی در این بخش ارائه شده است.

بخش هشتم با عنوان ساختار و خواص چدن، بحث را پیرامون مهارت فلزکاران چین باستان و سلسله های غربی در تولید چدن سفید کروی(کلوخه دار) آغاز می کند که تا به امروز نیز با روش های نوین تری ادامه یافته است. در این بخش توضیحاتی پیرامون آنیل کردن چدن ارائه می شود و تغییر در روند آن را سبب ایجاد گرافیت های کروی فشرده که درصد بیشتر آن را کربن تشکیل می دهد، می داند که نهایتاً منجر به دستیابی خواص مکانیکی مختلف مانند استحکام بیشتر و چکش خواری، می گردد. توضیح بیشتر اینکه چدن چکش‌خوار، به‌ شکل چدن سفید با ترکیب شیمیایی مناسب تهیه گردیده و تحت عملیات آنیل، از سمنتیت چدن سفید، گرافیت به صورت کروی با اشکال نامنظم جوانه زده و رشد می ‌یابد. لازم به ذکر است، از آنجا که برای تولید چدن سفید انجماد سریع لازم است بنابراین ضخامت قطعات چدن چکش‌ خوار محدود است.

بخش نهم ریزساختار خورده شده نام دارد. در این قسمت با مطالعه و بررسی اشیای فلزی باستانی که دچار خوردگی هستند، خاطر نشان می شود که محصولات خوردگی آن ها ناشی از زمان تولید و یا محیطی مدفون شده در آن است. بنابراین می توان گفت با استفاده از آزمایش های متالوگرافی که در رابطه با نمونه های کوچکی از محصولات خوردگی این فلزات انجام می شود، می توان اطلاعات بسیار ارزشمند و مستنداتی مفید به دست آورد.   

بخش دهم، میکروسکوپ با نور پلاریزان انعکاسی را شرح می دهد، که این نور برای بررسی نمونه های باستانی کاربرد فراوانی دارد. در میکروسکوپ های زمینه روشن به دلیل وجود نور غیرپلاریزان (غیر قطبی)، بسیاری از اجزای غیر فلزی، محصولات خوردگی، مواد معدنی، توده هایی که در فلزات به دلیل محیط تدفین به وجود آمده و غیره به صورت سایه های خاکستری به نظر می رسند، اما به وسیله ی نور پلاریزان (نور قطبی) و تجزیه و تحلیلی که به واسطه ی آن صورت می گیرد می توان تفکیک پذیری رنگی کاملی را بین فازهای معدنی فلزات باستان انجام داد.

بخش یازدهم دانه بندی در فلزات باستان نام دارد که یکی از جنبه های کمّی مفید در متالوگرافی را، اندازه گیری دانه بندی و فاصله ی بازوی دندریتی مواد فلزی مورد مطالعه می داند. در ادامه نوموگراف هایی برای اندازه ی دانه بندی بر اساس برآورد روش هیلیارد ارائه شده، که به طور کامل تفسیر گردیده و فوتومیکروگراف هایی از فولادهایی که به آن ها در دمای مشخص کربن اضافه شده و تصاویری از مراحل کار، برای تکمیل مطلب نشان داده شده است.

بخش دوازدهم، متالوگرافی فلزهای باستانی و مطالعه ی مقاطع صیقلی مواد فلزی را با استفاده از

یک میکروسکوپ نور انعکاسی و عبوری توضیح می دهد. در این بخش نویسنده مطالعات متالوگرافی را به عنوان ابزاری مهم جهت رسیدن به شناخت تکنولوژی ساخت جسم معرفی می کند، که می تواند پاسخ گوی سوالات مرمت گران در طول درمان یک شیء فلزی باشد.

بخش سیزدهم، با عنوان نمونه ی متالوگرافی از فلزات، محدودیت های برداشتن یک قطعه ی فلزی را به منظور نمونه برای انجام آزمایش های متالوگرافی شرح می دهد. هر چند گاهی ابعاد این نمونه ها از 1 میلیمتر مکعب هم کمتر است، ولی در هر صورت باید عملیات آماده سازی نمونه بر روی آن ها نیز انجام شود و در ادامه معیارهای یک نمونه ی مورد قبول را برشمرده و با توجه به ماهیت هر فلز ابزارهای مناسب و مورد استفاده برای نمونه برداری را ذکر کرده است.

بخش چهاردهم به چگونگی آماده سازی نمونه و مانت کردن می پردازد. در این بخش مباحثی پیرامون خشکاندن نمونه قبل از قرارگیری در قالب با قرار دادن در اتانول و یا استون، روش های صحیح ثابت نگه داشتن انواع قطعات فلزی کوچک و ورقه های فلزی نازک در رزین بیان شده است. به طور کلی در این بخش، نحوه ی جاسازی نمونه ها با طرح های شماتیک کاملاً نشان داده شده و برای نمونه های خیلی کوچک، که اغلب برای بررسی مقطع عرضی رنگ استفاده می شود، قالب های مستطیلی شکل را که نیمی از حجم آن ها با رزین پر می شود را معرفی می کند. همچنین مراحل پولیش نهایی را شرح می دهد و تأکید می کند که قبل از اجرای مرحله مانت تمامی پروسه آماده سازی باید توسط متالوگرافر و یا فرد مسئول مرور گردد.

بخش پانزدهم درباره ی ثبت نتایجی همچون شواهد تصویری به صورت عکاسی از ریزساختارهای فلزات با بزرگنمایی مناسب، ثبت دقیق اجزا و محصولات خوردگی حتی در رابطه با نمونه های مورد آزمایش سخن به میان رفته، چرا که ممکن است در زمان پولیش و اچ کردن حل شده و از بین بروند، بنابراین باید توسط نور پولاریزان مورد بررسی دقیق قرار گیرند تا محدوده ها و ترکیب مواد غیر فلزی در صورت وجود، آشکار گردد. بسته به نوع نمونه های مورد بررسی، طیف وسیعی از خصوصیاتی که تحت عملیات اچ کردن رؤیت می شود متغیر هستند. همچنین در این بخش چند مورد از راه های صحیح عملیات اچ کردن بیان شده است.

بخش شانزدهم مفهوم اچ کردن و محلول ها و مواد آن را تشریح نموده و اذعان دارد، اساس عملیات اچ کردن فروبردن سطح نمونه در محلولی است که در نقاط پرانرژی سطح نمونه چون مرزِ دانه ها و فازها ایجاد خوردگی نموده و در نتیجه ی آن دانه بندی فازها، اجزای ریزساختار، همگنی ریزساختار، پوشش، فصل مشترک ها، الگوی دندریتی، جدایش و تغییر فرم در آن آشکار می گردد. سپس مواد شیمیایی اسیدی و محلول خورنده ی اچ کردن را برای فلزهایی مانند آهن، فولاد، چدن، قلع، روی، آلیاژهای طلا، آلیاژهای سرب، آلیاژهای مس و لایه های اکسید شده ی آهن و آلیاژهای نقره معرفی می کند و در انتها نکاتی مبنی بر استفاده از معرف های رنگی اچ و اچانت های رنگی برای شناسایی فازهای مختلف آلیاژ مس ذکر شده است.

بخش هفدهم با نام رزین های مانت کردن، انواع رزین ها را برای مصارف مختلف مانت کردن همچون اپوکسی و پلی استر معرفی نموده است.

بخش هجدهم تست سختی است و نویسنده بیان می دارد که تست سختی مواد فلزی با مواد معدنی متفاوت است. از جمله قدیمی ترین روش های انجام تست سختی سنجی برای فلزات روش برینل است که در واقع نوعی آزمون سختی سنجی ایستایی است که مبنای آن فشردن یک ساچمه فولادی سخت بر سطح نمونه است. در ادامه نیز روش های راکول، نوپ و ویکرز را شرح می دهد.

مطالعات ریز ساختاری که بر روی تعداد کثیری از نمونه‏ های فلزی باستانی و تاریخی در آزمایشگاه انجام شده، در انتهای کتاب ضمیمه گردیده است. به طور مثال ضمیمه ی A طرح شماتیک اشکال رایج ریز ساختارها، ضمیمه ی B طرح شماتیک ریزساختارهای فلزهای خورده شده، ضمیمه ی C درجات سختی فلزات و آلیاژهای آن، ضمیمه ی D آلیاژهای مورد استفاده در دوران باستان، ضمیمه ی E اصطلاحات و فنون فلزکاری دوران باستان، ضمیمه ی F مطالعات متالوگرافی بر روی بسیاری از اشیای شناخته شده ی فلزی و ضمیمه ی G نمودار فازهای مختلف به دست آمده از مطالعات متالوگرافی را ارائه داده است. همچنین واژه نامه ی تخصصی نسبتاً کاملی در انتهای کتاب تدوین شده است.

این مجلد توسط امید عودباشی و عاطفه شکفته در سال 1395 ترجمه و به چاپ رسیده است.

نوشته ی نازنین شریفان