درک تخلخل: بنیاد علم مواد

قبل از اینکه بتوانیم پاسخ دهیم که آیافولاد ضد زنگواقعا متخلخل است، ابتدا باید بفهمیم که تخلخل در زمینه علم مواد به چه معناست. تخلخل به وجود حفره ها، شکاف ها یا کانال های کوچک در یک ساختار جامد اشاره دارد. اندازه این منافذ می تواند بسیار متفاوت باشد-از میکروسکوپی (نانومتر) تا ماکروسکوپی (میلی متر)-و مستقیماً بر نحوه تعامل یک ماده با هوا، آب، گازها یا سایر مواد تأثیر می گذارد.

تخلخل یکی از اساسی ترین ویژگی هایی است که در علم مواد درک نشده است. وقتی مردم کلمه "متخلخل" را می شنوند، اغلب یک اسفنج یا فوم - را تصور می کنند که ماده ای پر از سوراخ های قابل مشاهده است که مایعات را جذب می کند. اما در مواد صنعتی، مفهوم تخلخل بسیار عمیق تر، تا سطح میکروسکوپی اتم ها و مولکول ها گسترش می یابد. برای اینکه واقعاً بفهمیم که آیا فولاد ضد زنگ متخلخل است یا خیر، باید با یک دیدگاه جامع از معنای تخلخل، نحوه شکل گیری، نحوه اندازه گیری و چرایی اهمیت آن در مهندسی عملی شروع کنیم.

1.1 تخلخل چیست؟

به ساده ترین عبارت،تخلخلبه نسبت فضای خالی (حفره ها یا منافذ) در یک ماده جامد اشاره دارد. اغلب به صورت a بیان می شوددرصد از حجم کلو می تواند از تقریبا 0٪ (در فلزات متراکم مانند فولاد ضد زنگ) تا بیش از 90٪ (در مواد فوم شده یا متخلخل) متغیر باشد.

تخلخل به طور پیش فرض یک نقص نیست. این یک استمتغیر طراحی- گاهی ناخواسته، گاهی عمداً مهندسی شده است. به عنوان مثال:

تخلخل در بتنبر استحکام و نفوذپذیری آب تأثیر می گذارد.

سرامیک متخلخلبرای فیلتراسیون و کاتالیزور استفاده می شود.

فلزات متخلخلمانند برنز متخلخل در سیستم های روانکاری و صدا خفه کن ها ضروری است.

با این حال، برای موادی که نیاز دارنداستحکام، بهداشت و نفوذ ناپذیریمانند فولاد ضد زنگ،تخلخل کم یا صفریک ویژگی حیاتی است.

در نماد علمی، تخلخل (φ) به صورت زیر محاسبه می شود:

ϕ=VvoidVtotal×100%\\phi=\\frac{V_{\\text{void}}}{V_{\\text{total}}} \\times 100\\%ϕ=Vtotal​Vvoid​​×100%

که در آن VvoidV_{\\text{void}}Vvoid حجم همه منافذ است و VtotalV_{\\text{total}}Vtotal حجم کل مواد است.

1.2 انواع تخلخل

تخلخل یک پدیده واحد نیست. بسته به نحوه ساخت و استفاده از یک ماده، به اشکال مختلف وجود دارد. دانشمندان معمولا تخلخل را به چند دسته طبقه بندی می کنند:

تخلخل باز:
منافذ از سطح ماده به هم متصل و قابل دسترسی هستند و به مایعات یا گازها اجازه نفوذ می دهند. در فوم ها، فیلترها و سرامیک ها یافت می شود.

تخلخل بسته:
منافذ در داخل مواد مهر و موم شده است، نه در معرض سطح. این حفره ها گازها را به دام می اندازند اما نفوذپذیری را تحت تأثیر قرار نمی دهند. در برخی از فلزات ریخته گری و شیشه یافت می شود.

میکرو-تخلخل:
منافذ کوچکتر از یک میکرون (1 میکرومتر)، اغلب در مرزهای دانه یا آخال در فلزات.

ماکرو-تخلخل:
منافذ قابل مشاهده یا بزرگ ناشی از همجوشی ناقص یا به دام افتادن گاز در طول ریخته گری.

درفولاد ضد زنگ متراکم و خوب-فرآوری شده، تمام این انواع تخلخل تا حدی تقریبا ناچیز به حداقل رسیده و از نفوذ ناپذیری کامل اطمینان حاصل می کنند.

1.3 چگونه تخلخل در مواد تشکیل می شود

تخلخل می تواند در طی مراحل مختلف تولید مواد ایجاد شود:

بازیگری:اگر فلز مذاب خیلی سریع جامد شود، گازها (اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن) می توانند به دام افتاده و حفره های کوچکی ایجاد کنند.

تف جوشی:در متالورژی پودر، همجوشی ناقص ذرات منجر به شبکه‌های منافذ باقی‌مانده می‌شود.

جوشکاری:گیر افتادن گاز یا محافظ نامناسب ممکن است باعث ایجاد تخلخل در درزهای جوش شود.

تولید افزودنی (چاپ سه بعدی):اگر چگالی پودر یا انرژی ورودی متناقض باشد، ذوب شدن پرتوهای لیزر یا الکترونی{0}}ممکن است منافذ ایجاد کند.

با این حال، فولاد ضد زنگ با درجه بالا-تحمل می‌شودتولید کنترل شده- ریخته‌گری پیوسته، نورد گرم، کار سرد، و بازپخت - که به‌طور مؤثر این عیوب را برطرف می‌کند.

1.4 چگونه تخلخل اندازه گیری می شود

مهندسان از چندین تکنیک علمی برای تشخیص و کمیت تخلخل استفاده می کنند. از جمله رایج ترین آنها عبارتند از:

برایفولاد ضد زنگ، سطوح تخلخل اغلب هستندزیر 0.1٪، که از نظر عملی عملاً-تخلخل ندارد. به همین دلیل است که قطعات فولادی ضد زنگ می توانند فشار را حفظ کنند، از نفوذ مایعات جلوگیری کنند و سطوح استریل را حتی پس از سال ها استفاده حفظ کنند.

1.5 تخلخل و تأثیر آن بر خواص مواد

تخلخل به طور قابل توجهی بر عملکرد یک ماده تأثیر می گذارد. هر چه تخلخل بیشتر باشد، استحکام و دوام کمتر است، اما نفوذپذیری بیشتر است. بیایید این رابطه را خلاصه کنیم:

بنابراین، در فولاد ضد زنگ، به حداقل رساندن تخلخل به معنایبه حداکثر رساندن قابلیت اطمینان و بهداشت- دو مورد از مزایای تعیین کننده آن.

1.6 تخلخل در مواد روزمره در مقابل فولاد ضد زنگ

برای درک اینکه چقدر فولاد ضد زنگ منحصر به فرد است، آن را با مواد متخلخل و غیر متخلخل معمول مقایسه کنید:

این مقایسه فولاد ضد زنگ را برجسته می کندچگالی استثنایی و ساختار غیر متخلخل-، تنها با شیشه - رقابت می کند اما مقاومت مکانیکی بسیار بالاتری دارد.

1.7 چرا تخلخل در کاربردهای مهندسی اهمیت دارد؟

تخلخل مستقیماً بر عملکرد در صنایعی مانند:

هوافضا:فلزات متخلخل می توانند تحت چرخه فشار از بین بروند.

غذا و نوشیدنی:سطوح متخلخل میکروب ها را به دام می اندازند و بهداشت را به خطر می اندازند.

تجهیزات پزشکی:تخلخل در ایمپلنت ها می تواند منجر به عفونت یا خستگی ساختاری شود.

فیلتراسیون:تخلخل کنترل شده برای نفوذپذیری انتخابی مفید است.

بنابراین، درک و کنترل تخلخل در قلب مهندسی مواد مدرن است. تخلخل نزدیک به-صفر فولاد ضد زنگ آن را تبدیل به یکمعیار برای تمیزی و قابلیت اطمینان، به ویژه در بخش هایی که به محیط های استریل و بدون خوردگی- نیاز دارند.

1.8 رابطه بین تخلخل و خوردگی

تخلخل سطحی را که در آن خوردگی شروع می شود افزایش می دهد. در فولادهای کربنی یا چدن‌ها، رطوبت یا یون‌های کلرید محبوس شده در منافذ، تشکیل زنگ را تسریع می‌کنند. از سوی دیگر، فولاد ضد زنگ، مقاومت در برابر خوردگی خود را مدیون آن استماتریس غیر متخلخل و لایه محافظ اکسید کروم آن-، که حتی عیوب- را نیز مهر و موم می کند.

آن ترکیب ازچگالی + غیرفعال شدنتوضیح می دهد که چرا فولاد ضد زنگ چندین دهه در شرایط سخت دریایی، شیمیایی و صنعتی با حداقل تخریب دوام می آورد.

بیشتر بدانید:درک مش سیم در کاربردهای روزمره خانگی