التصنيف: العلوم الكيميائية

إختلاف الخواص بين النظائر
فى النواة المتعادلة , عدد الإلكترونات يساوى عدد البروتونات . وعلى هذا فإن النظائر المختلفة يكون لها نفس عدد الإلكترونات ونفس الشكل الإلكتروني . ونظرا لأن تصرف الذرة كيميائيا يتم تحديده بالتركيب الإلكتروني , فإن النظائر تقريبا تسلك نفس السلوك الكيميائي . الإستثناء الأساسي أنه نظرا لوجود إختلاف فى كتلتها , فإن النظائر الثقيلة تميل لأن تتفاعل بصورة أبطأ من النظائر الأخف لنفس العنصر .( تسمى هذه الظاهرة تأثير حركة النظائر ).

وتأثير الكتلة يلاحظ بشدة عند النظر للبروتيوم (1^H) مقابل ديتيريوم (2^H), نظرا لأن الديتريوم له ضعف كتلة البروتيوم . أما بالنسبة للعناصر الأثقل فإن تأثير الكتلة النسبي بين النظائر يقل ويكاد ينعدم كلما زاد ثقل العنصر .

وبالمثل , فإنه لجزيئين يختلفان فقط فى طبيعة النظير المكون لكل “متناظرين” منهما سيكون لهما تقريبا نفس نفس التركيب الإلكتروني , وعلى هذا سيكون لهما خواص فيزيائية وكيميائية متشابهه . الأشكال الإهتزازية للجزيء يتم تحديدها بشكل الجزيء وكتلة الذرات المكونة له . وبالتالى فإن هذان المتناظران سيكون لهما شكلان إهتزازيان مختلفان . حيث ان الشكل الإهتزازي يسمح للجزيء بإمتصاص الفوتونات الملائمة لطاقة هذا الإهتزاز , ويتبع ذلك أن يكون للمتناظرين خواص ضوئية مختلفة فى المنطقة تحت الحمراء .

وبالرغم من أن النظائر لها تقريبا نفس الخواص الإلكترونية والكيميائية , فإن سلوكها الجزيئي مختلف تماما . تتكون النواة الذرية من بروتونات ونيترونات مرتبطة معا بقوى نووية قوية . ونظرا لأن البروتونات لها شحنة موجبة , فإنها تدفع بعضها البعض . وتقوم النيوترونات بعمل بعض الفصل بين الشحنات الموجبة , مما يقلل من التنافر الكهرستاتيكي , وتساعد على ثبات النواة . وبزيادة عدد البروتونات , تزداد الحاجة لنيوترونات أكثر لعمل ثبات للنواة . فمثلا , على الرغم من أن نسبة نيوترون / بروتون فى 3^He هى 1 / 2 , فإن نيوترون / بروتون فى 238^U أكبر وتصل إلى 3 / 2 . وفى حالة وجود نيوترونات أقل أو أكثر من المفترض , فإن النواة تكون غير مستقرة , وينتج الإضمحلال النووي .

التواجد فى الطبيعة
يمكن لعدة نظائر لنفس العنصر أن تتواجد فى الطبيعة . ونسبة التواجد لنظير تتناسب بشدة مع ميله ناحية الإضمحلال النووي , النيوكليدات التى تعيش لفترة قصيرة تضمحل سريعا , بينما تعيش مكوناتها . وهذا لا يعنى أن هذه الأصناف تختفى تماما , نظرا لأن كثير منها يتكون أثناء إضمحلال الأصناف ذات العمر الأطول . يتم حساب الكتل الذرية للعناصر بعمل متوسط للنظائر التى لها كتل مختلفة .

وبالتوافق مع علم الكون , فإن كل النيوكليدات ما عدا نظائر الهيدروجين والهيليوم نتجت من النجوم والسوبرنوفا . ويكون تواجدها الطبيعي ناتجا من الكميات الناتجة أثناء تلك العمليات الكونية , وأيضا توزيعها فى المجرة , ومعدلات إضمحلالها . وبعد الإتندماج المبدئي للنظام الشمسي , توزعت النظائر طبقل لكتلها ( شاهد أصل النظام الشمسي . تركيب نظائر العناصر يختلف على كل كوكب , مما يجعل من الممكن تحديد أصل النيازك .

تطبيقات النظائر
هناك كثير من التطبيقات التى يتم إستخدام الخواص المختلفة للنظائر فيها .
إستخدام الخواص الكيميائية

* أحد أهم التطبيقات هو التسمية بالنظائر , بإستخدام النظائر الغير عادية كأثر أو علامة فى التفاعلات الكيميائية . وفى الحالات الطبيعية , فإن ذرات عنصر معين لا يمكن تمييزها عن بعضها . ولكن بإستخدان النظائر التى لها كتل مختلفة يمكن تمييزها بواسطة سبكترومتري الكتلة أو مطياف الأشعة تحت الحمراء . ولو تم إستخدام نظائر نشيطة إشعاعيا , يمكن تحديدها عن طريق الأشعة التى تنبعث منها ( وهذا ما يسمي تسمية بالنظائر المشعة .

* وهناك تقنية أخرى مشابهه للتسمية بالنظائر المشعة وهى حساب الزمن بالإشعاع ( وأشهرها حساب الزمن بالكربون المشع ) ويمكن إستخدامها لدراسة الخواص الكيميائية التى لا يمكن للتجارب العادية ملاحظتها , بإستخدام أثار النظائر .

* كما يمكن إستخدام إستبدالات النظائر لتحديد ألية التفاعل خلال تأثير النظير الحركي .

* عنصر أ
* عنصر ب
* عنصر ج

1. عنصر 1
2. عنصر 2
3. عنصر 3==إستخدام الخواص النووية==

* تعتمد كثير من تقنيات المطياف على الخواص النووية المتفردة للنظائر . فمثلا ” مطياف الرنين النووي المغناطيسي ” NMR ” يتم إستخدامه فقط للنظائر التى لها قيمة دوران غير صفرية . وأكثر النظائر إستخداما مع مطياف رنين نووي مغناطيسي 1^H , 2^D , 13^C , 31^P .

* مطياف موس باوير يعتمد أيضا على الإنتقالات النووية لنظائر معينة مثل 57^Fe .

الخصائص الميتالورجية لوصلة اللحام

دورة الحرارة والبنية ألمجهريه لوصلة اللحام
تتراوح أعلى درجة حرارة لقوس اللحام بين 5000 إلى 6000ه م نتيجة لهذه الحرارة يتم تسخين وانصهار معدن الأساس بالقرب من القوس وبالتالي إجراء اللحام . ويعبر عن الطاقة الكهربائية المعطاة لوصلة لحام بالدخل الحراري . يتم تسخين وصلة اللحام بسرعة لدرجة حرارة عاليه ثم تبريدها بمعدل عالي بعد إطفاء القوس . ويبين الشكل السابق التغير في درجات الحرارة أثناء اللحام وتشمل وصلة اللحام معدن اللحام المتكون نتيجة انصهار سلك اللحام ومعدن الأساس ، المنطقة المتأثرة بالحرارة من معدن الأساس ، معدن الأساس غير المتأثر كما هو موضح بالشكل

خصائص معدن اللحام
معدن اللحام المنصهر من سلك اللحام يكون غالباً ممتزجا بانتظام مع معدن الأساس المنصهر بحرارة القوس ويكونان معا بركه منصهرة تتجمد من خلال بعض التفاعلات الكيميائية . وعمليه التجمد التي تحدث في اللحام تماثل تلك الخاصة بصب الصلب المنصهر حيث يتكون نتيجة لعمليه التجمد هذه بنيه مجهريه عموديه Columnar Structure وأثناء تجمد معدن اللحام ،تنمو البنية ألمجهريه العمودية من قاع البركة المنصهرة في اتجاه المنطقة المركزية أو السطح طبقاً للتدرج الحراري داخل البركة المنصهرة وفى حالة البنية ألمجهريه العمودية ، فان حجم الحبيبات يكون كبيرا ومما يقلل من متانة الشد والصدم . وفى حالة اللحام متعدد الامرارات ، يتم تسخين الطبقة السابقة لدرجة حرارة أعلى من A3 بواسطة حرارة اللاحقة ثم تبريدها بسرعة ، وبذلك تختفي البنية العمودية في جزء الطبقة السابقة والملاصق للطبقة اللاحقة كما هو مبين في الشكل . وبناء على ذلك فان قيمة الصدم لمعدن اللحام تزداد في حاله اللحام متعدد الامرارات نتيجة لتصغير الحبيبات أو البنية ألمجهريه الدقيقة.

وتتغير خواص معدن اللحام بناء على نوع عملية اللحام وأسلوب اللحام ، أو بمعنى أخر ، فإنها تختلف تبعاً لكمية الدخل الحراري ، دوره الحرارة ، التركيب الكيميائي للمعدن المترسب ونسبه المزج لمعدن الأساس. والعلاقة بين الدخل الحراري والخواص الميكانيكية لمعدن اللحام بالنسبة للصلـب عالي المتانة حيث يتضح أن كل من متانة الشد والصدم تقلان بازدياد الدخل الحراري – وأن نسبه المزج أو التخفيف بمعدن الأساس تتراوح بين 10 -20% في حاله اللحام اليدوي بصفه عامه ، وفى بعض الأحيان تصبح حوالي 60% في حاله لحام القوس المغمور ، ولذلك لا يمكن إهمال تأثير التركيب الكيميائي لمعدن الأساس على معدن اللحام . في حاله وجود اختلاف كبير في التركيب الكيميائي لكل من معدن الأساس ومعدن اللحام وهو أمر لا بد منه عند لحام المعادن غير متشابهه فيجب ملاحظة أن خواص معدن اللحام تتغير طبقاً لعمق التغلغل .

خصائص المنطقة المتأثرة بالحرارة (Heat Affected Zone – HAZ )
يتم تسخين وصله اللحام وتبريدها بسرعة كما هو مبين في الشكل المنطقة المتأثرة بالحرارة والملاصقة لمعدن اللحام تتعرض لدرجة حرارة قريبه من درجة الانصهار ثم تنخفض درجة حرارتها لتصل إلى درجة حرارة الغرفة خلال فتره زمنيه قصيرة – ويؤثر معدل التبريد على الصلادة – حجم الحبيبات والخواص الميكانيكية للمنطقة المتأثرة بالحرارة

كذلك يقل معدل التبريد بزيادة كمية الدخل الحراري ودرجة حرارة معدن الأساس بينما يزداد معدل التبريد بزيادة سمك معدن الأساس
وتختلف درجة حرارة ومعدل تبريد المنطقة المتأثرة بالحرارة بناء على المسافة من خط الانصهار بين معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة . وبالتالي نتيجة لهذا الاختلاف الحراري فأن البنية ألمجهريه تختلف بالرغم من عدم لاختلاف التركيب الكيميائي .ويبين الجدول تصنيف البنية ألمجهريه في المنطقة المتأثرة بالحرارة لملحومات الصلب الكربوني . كما توضح الصورة البنية ألمجهريه للمنطقة المتأثرة بالحرارة لصلب يحتوى على 0.35% كربوني.

و تتصلد المنطقة المتأثرة بالحرارة نتيجة التسخين والتبريد السريع ..ويلاحظ ازدياد الصلادة بصوره ملحوظة نتيجة لمعدل التبريد العالي في الجزء الملاصق لخط الانصهار.

جدول رقم 1 . تصنيف المنطقة المتأثرة في ملحومات الصلب الكربوني

قد يؤدى تصليد المنطقة المتأثرة بالحرارة إلى حدوث شروخ نتيجة لانخفاض اللدونه ، وعلى ذلك فمن المستحب تقليل الصلادة إلى أقل ما يمكن للوصول إلى جودة عاليه لوصلة اللحام . ويتحكم في صلادة المنطقة المتأثرة بالحرارة عنصران أساسيان هما العناصر السبائيكيه في الصلب ومعدل التبريد ولكنها أكثر تأثرا بنسبه الكربون . ومع ذلك ففي حاله الصلب لا يمكن إهمال تأثير العناصر الأخرى بخلاف الكربون ويمكن تحديد المكافئ الكربوني بحساب تأثير العناصر الأخرى مقارنة بالكربون وجمعها معا وعادة تستخدم المعادلة ألأتيه لتقدير التصليد :

Ceq = 1/6 Mn + 1/24 Si + 1/40 Ni + 1/5 Cr + 1/4 Mo

حيث أن ، Ceq تعنى مكافئ الكربون C, Mn, Si … تعنى نسبة كل عنصر في الصلب وبالنسبة للعلاقة بين أعلى صلادة ومكافئ الكربون لألواح كل من الصلب الكربوني والصلب عالي المتانة بسمك 20مم . بناء على مكافئ الكربون الموضح عاليه فانه يمكن حساب أعلى صلادة من المعادلة ألأتيه:

Hv(max) = (666 x Ceq + 40 ) + 40

حيث أن ، Hv (max) أعلى صلادة بالفيكر

تزداد قابلية التشرخ بزيادة الصلادة أو بمعنى أخر بزيادة مكافئ الكربون
. وبجانب مكافئ الكربون ، تتأثر أعلى صلادة في المنطقة المتأثرة بالحرارة بسمك الوصلة ، الدخل الحراري ، درجة حرارة التسخين السابق للحام. و يتضح من هذا أن أعلى صلادة تقل بزيادة درجة حرارة التسخين المسبق وزيادة كمية الدخل الحراري .

نظرا لأن معادلة مكافئ الكربون لا تشمل على الهيدروجين المذاب وتخانة الوصلة واللذان يؤثران في قابلية التشرخ للصلب عالي المتانة فان المعادلة ألأتيه تستخدم لتقييم قابلية التشرخ في المنطقة المتأثرة بالحرارة لهذا النوع من الصلب :

Pc = C% + Si% / 30 + Mn% / 20 + Cu% / 20 + Ni% /60 + cr% /20 + Mo% /15
+V% /10 + 5B% + t/600 + H/60
حيث ، Pc قابلية التشرخ
L تخانة الوصلة (مم)
H الهيدروجين المذاب في معدن اللحام (سم3 /100جم)
يغطى المعدن المنصهر أثناء اللحام يكون بغازات مختلفة ويمتص كميات كبيره من الأكسجين والنتروجين والهيدروجين في فتره زمنيه قصيرة . كما هو واضح في الجدول فان المعدن المترسب يحتوى على كمية كبيره من الغازات إذا ما قورن بالصلب ،مما يؤثر على قابلية اللحام وينتج عنه فجوات غازيه وشروخ وتقصف.

أمثله لنسب الأكسجين والنتروجين والهيدروجين في كل من المعدن المترسب والصلب

1- الهيدروجين
يذوب الهيدروجين في شكل ذرات في أطوار الصلب والسائل بدون تكون مركبات .ونظراً لصغر القطر الذرى للهيدروجين فانه ينتشر ويتحرك بسهوله داخل الشبكية البلورية للمعدن . كميه الهيدروجين الناتجة من المعدن المترسب باستعمال سلك لحام E6010 أعلى منها في حاله استعمال سلك لحام E7016 ، وأعلى أيضاً بكثير من الحد الأقصى لذوبان الهيدروجين في الحديد ومن ثم سينتشر في اللحام مسبباً شروخاً وفجوات غازيه

2- الأكسجين
يترسب الأكسجين في المعدن المترسب على هيئة أكسيدات مثل أكسيد السيلكون وأكسيد المنجنيز وأكسيد الحديد والتي يمكن أن يبقى في المعدن المترسب كخبث على أشكال كرويه حيث أنه من الصعب أحياناً إزالة الخبث المنصهر نتيجة لمعدل التبريد السريع بعد اللحام.

كما هو موضح في الجدول فإن نسبة الأكسجين في المعدن المترسب أعلى من تلك الموجودة بالصلب بحوالي عشرة أضعاف . يوجد الأكسجين كشوائب غير معدنية في المعدن المترسب وله تأثير ضار على خواص الصدم.

3- النتروجين
يدخل النتروجين إلى المعدن المترسب من الجو المحيط نتيجة حماية غير كافيه لبركة اللحام . تتراوح نسبة النتروجين في المعدن المترسب باللحام اليدوي ما بين 0.008 إلى 0.02 % بصرف النظر عن نوع الالكترود المغطى وذلك في حاله اللحام باستعمال الطول القياسي للقوس بصفه عامه . هذه النسبة أعلى بكثير من تتلك الموجودة بالصلب . يسبب النتروجين زيادة في متانة الشد والصلادة إلا أنه يقلل الصدم وممكن أن يسبب ترسيب النتريدات تقصفا ولكن إضافة نسبه صغيره من النتروجين للصلب الأوستينتيتى المقاوم للصدأ ممكن أن يؤدى إلى زيادة المتانة . ويلاحظ أن نسبة النتروجين في المعدن المترسب تتأثر بالرياح الجوية وطول القوس أثناء اللحام .

العنصران الأساسيان فى الصلب المقاوم للصدأ هما الكروم والنيكل . يعتبر الكروم عنصر أساسى فى هذا النوع من الصلب لأنه يكون أكسيد الكروم الذى يغطى سطح الصلب ويحميه من الصدأ . أقل نسبه كروم ضرورية للحصول على صلب مقاوم للصدأ هى 12% تقريباً . مجموعه 400 من هذا الصلب هى المحتويه على الحديد والكروم وهى قابله للمغنطه كما هو الحال فى الصلب الكربونى باضافة كل من الكروم والنيكل للحديد يتم الحصول على مجموعه 300 لهذا الصلب وهى غير قابله للمغنطه

بصفه عامه فإن سبائك الصلب المقاوم للصدأ لها مقاومه ممتازه للتأكل والأكسده بعض هذه السبائك لها خواص فيزيقيه محسنه عند درجات الحراره العاليه نتيجه إضافه عناصر سبائيكيه أخرى . يعتبر الكروم هو العنصر الرئيسى فى جميع أنواع الصلب المقاوم للصدأ حيث أن نسبته تتراوح ما بين 12 الى حوالى 30%

يوجد ثلاثة أنواع أساسيه للصلب المقاوم للصدأ هى :
1- الصلب المارتنزيتى المقاوم للصدأ
2- الصلب الفريتى المقاوم للصدأ
3- الصلب الأوستنتيتى المقاوم للصدأ

كل من الصلب المارتنزيتى والفيريتى المقاوم للصدأ عباره عن سبائك مختلفه النسب من الحديد والكربون والكروم . فى حالة وجود النيكل فأن نسبته تقل عادة عن 1.5 – 4%.

يبين شكل رقم 1 منحنى الاتزان للحديد والكروم . المنطقه الموجوده فى أقصى الجانب الأيسر من المنحنى توضح أن الأوستنيت ممكن أن يكون موجوداً فقط فى الحديد الخالى من الكربون مع وجود كروم حتى نسبة 12% تقريباً . باضافة الكربون وبناء على نسبته المضافه فمن الممكن أن تمتد منطقة الأوستنتيت حتى 18% كروم فى الحديد

وهناك الصلب المقاوم للصدأ الفيريتى يحتوى على نسبة عاليه من الكروم ونسبه منخفضه من الكربون فى الحديد وطور الفيريت فى هذا النوع من الصلب يظل ثابت ومستقراً حتى نقطة الانصهار للصلب . بمعنى أخر لا يوجد تحول طورى فى هذا الصلب .

1 – الصلب المارتنزيتى المقاوم للصدأMartensitic Stainless steel
هذا النوع من الصلب هو جزء من مجموعه سبائك 400 وهو قابل للتصليد بالمعالجه الحراريه . ولذلك يجب أخذ هذه النقطه فى الاعتبار عند لحام هذا النوع من الصلب .بحيث يشتمل أسلوب لحام الصلب المقاوم للصدأ المارتنزيتى على كل من التسخين السابق والتسخين اللاحق للحام وذلك لتقليل أو منع تكون المارتنزيت فى المنطقه المتأثره بالحراره لوصلة اللحام.
تتراوح نسب الكروم فى هذا النوع من الصلب من 12 حتى 17% تقريباً مجالات استعمال هذا الصلب تشمل أدوات تناول الطعام كالسكاكين والشوك والملاعق – شفرات الحلاقه وتطبيقات أخرى تتطلب قابلية الاحتفاظ بدرجة عاليه من الصلاده

2 – الصلب الفريتى المقاوم للصدأFerretic Stainless Steel
يحتوى الفريتى الصلب المقاوم للصدأ على نسب كروم تتراوح من 17 حتى 27% تقريباً بدون اضافات ملموسه من النيكل والكربون أو أى عناصر أخرى تساعد فى تكوين الاوستينيت .

ويعتبر هذا النوع من الصلب غير قابل للتصليد ويحتفظ بطور الفريت حتى نقطة انصهار الصلب كما هو موضح فى منحنى الاتزان للحديد والكروم فى شكل رقم 1 . بمعنى أخر لا يتكون أو ستينيت فى هذا الصلب مع التسخين بالرغم من أن هذا الصلب يعتبر غير قابل للتصليد ، فان بعض أنواعه ممكن أن تحتوى على أوستنيت عند حدود الحبيبات الذى قد يتحول الى مارتنزيت فى المنطقه المتاثره بالحراره أثناء تبريد المعدن.

الصلب الفريتى المقاوم للصدأ معرض لنمو زائد فى الحبيبات عند تعرضه لدرجات حراره أعلى من 1100ه م ويمكن ملاحظة ذلك فى المنطقه المتأثره بالحراره من معدن الأساس بعد تبريد وصلة اللحام . لحسن الحظ فانه يمكن تصغير الحبيبات بالمعالجه الحراريه اللاحقه لللحام ، التىتحسن من متانته أيضاً .

ممكن استعمال سلك لحام من نفس النوع للحام سبائك الصلب الفريتى المقاوم للصدأ .إلا أنه يفضل استخدام اسلاك لحام من الصلب الأوستنيتى المقاوم للصدأ 312 ، 310 أو 309 للحام الصلب الفريتى المقاوم للصدأ .

3 – الصلب الأوستنيتى المقاوم للصدأ Austenitic Staniless Steel
هذا النوع من الصلب عباره عن سبائك من الحديد والكروم والنيكل أيضاً مضافاً اليه نسب مختلفه من الكربون وعناصر سبائكيه أخرى للحصول على خواص معينه مثل مقاومة التأكل والأكسده والمتانه عند درجات الحراره العاليه وقابلية اللحام.

البنيه المجهريه للأوستنيت تظل ثابته وغير متغيره عند جميع درجات الحراره وذلك بإضافة النيكل ونسب أقل من الكربون والمنجنيز وهذا يعنى عدم تحول الأوستنيت الى فيريت عند أى درجة حراره.
و الصلب الاوستنيتى المقاوم للصدأ لا يمكن تصليده بالمعالجه الحراريه حيث لا يحدث تحول الى فيريت وهى ميزه لعدم امكانيه تصليد أى جزء فى معدن الأساس هذا النوع من الصلب له قابليه لحام ممتازه وذلك لجميع سبائك المجموعه 300 .

وكذلك فليس من الضرورى عمل تسخين سابق للحام بل على العكس يجب تجنب التسخين المسبق تماماً كما يجب أن تكون درجة الحراره بين الامرارات أقل من 95ه م.

4 – اسلاك اللحام للصلب المقاوم للصدأ
لعل أحد أهم العوامل فى اختيار سلك اللحام هى مضاهاته معدن الأساس بقدر الامكان فى التركيب الكيميائى والمتانه ومقاومة التأكل والأكسده.بالرغم من عدم وجود ألفا فيريت فى الصلب الاوستنيتى المقاوم للصدأ فانه عاده يحتوى على نسبه صغيره من دلتا فيريت . وتعتبر هذه ميزه حيث أنها تساعد فى تقليل امكانية التشرخ على الساخن فى اللحام أثناء دورة التبريد كذلك فالتحكم فى نسبة الفيريت الموجود فى الصلبالاوستنيتى المقاوم للصدأ هام للغايه فاضافه نسبه صغيره من دلتا فيريت تقلل مشاكل اللحام الخاصه بالتشرخ على الساخن لمعدن اللحام.
الشكل رقم 2 يوضح الطور المتوقع بعد عملية اللحام من واقع تحليل معدن اللحام ومعدل التبريد ويجب ان يوضع فى الحسبان ان ذلك الشكل ليس منحنى طور ثنائي

5 – طور سيجما Sigma phase
بالرغم من أن وجود الفيريت فى معدن اللحام له ميزه فى عملية اللحام الإ أنه قد يسبب مشاكل بالنسبه للخواص الفيزيقيه عند درجات الحراره العاليه أثناء الاستخدام .ذلك لأن بعض سبائك الصلب الاوستنتيتى المقاوم للصدأ وبالأخص تلك المحتويه على فيريت تكون طوراً هشاً يعرف بطور سيجما عند تعرضها لدرجات حراره ما بين 480 الى 960 م ويترسب طور سيجما بسرعه زائده عند درجات حراره معينه خلال هذا المدى الحرارى فى خلال وقت قصير جداً . كمثال فان طور سيجما سوف يترسب فى أقل من ساعه عند درجة حراره 840 م.

ونتيجه لترسيب طور سيجما يقل كل من مقاومة التأكل ولدونه الصلب فى حين تزداد صلاده الصلب وتقل متانته بصوره واضحه . بالرغم من أنه يمكن التخلص من طور سيجما بالتلدين عند درجات حراره أعلى من 980م ، إلا أنه من الأفضل اختيار السبائك المناسبه وبالأخص عند استعمالها عند درجات حراره أعلى من 540م ، فيجب تأن تكون نسبة دلتا فيريت الموجوده فى السبيكه التى تم اختيارها فى أقل حد ممكن . كذلك عند أختيار سلك اللحام للصلب المقاوم للصدأ المستخدم فى درجات الحراره العاليه . يجب أن يكون هو أيضا منخفض فى نسبة دلتا فيريت وذلك لتحاشى طور سيجما فى معدن اللحام المترسب.

6 – ترسيب الكربيدات
يوجد مدى حرارى حرج يجب أن يأخذ فى الاعتبار فى حاله لحام الصلب الاوستنيتى المقاوم للصدأ أو تسخينه .ذلك انه فى مدى الحرارى ما بين 430 الى 820م ، يتحد الكروم مع الكربون لتكوين كربيدات كروم عند الحدود الفاصله للحبيبات ونتيجه لذلك تفقتد مناطق المعدن حول حدود الحبيبات الحمايه التى يوفرها أكسيد الكروم وتصبح عرضه للتأكل بسهوله.

وأثناء اللحام يحدث ترسيب للكربيدات فى المناطق المتأثره بالحراره من معدن الاساس إذا ما يتم تعريضها للمدى الحرارى الحرج . لفتره زمنيه كافيه لاتحاد الكربون بالكروم وتزداد الخطوره الناتجه عن ترسيب الكربيدات بزيادة هذه الفتره الزمنيه.

تاريخ الكربون

تم اكتشاف الكربون في عصور ما قبل التاريخ وكان معروف عند القدماء الذين حصلوا عليه بحرق المواد العضوية بمعزل عن الأكسجين لتصنيع الفحم …. و كلمة كربون (“كربو” تعني باللغة اللاتينية “فحم”)
يوجد عنصر الكربون في الشمس والنجوم والمذنبات وفى غلاف معظم الكواكب …كما يوجد في الغلاف الجوي للأرض وذلك باتحاده مع الأكسجين ليكوّن ثاني أكسيد الكربون وهو مركب له أهميته الحيوية في عملية البناء الضوئي التي يقوم بها النبات … وعند إتحاده مع الهيدروجين, فإنه ينتج العديد من المركبات المعروفة بالهيدروكربونات وهذه المركبات لها أهميتها في الصناعة وكذا أهميتها كوقود عضوي ….
كما يوجد أيضا كمادة مذابة في الأجسام المائية… وبكميات قليلة من الكالسيوم والماغنسيوم والحديد فإنه المكوِّن الأساسي للكربونات, و بعض الصخور (كالحجر الجيري, والدولميت, والرخام ).

لم يصنف الكربون كعنصر حتى عام 1789م عندما أعلن أنتوين لافويسر Antoine Lavoisier في باريس بأن الكربون هو عنصر لافلزي قابل للتأكسد و تكوين الأحماض .

و يعتبر الكربون عنصر مميز لأسباب عديدة…. إذ أنه يتضمن صور مختلفة ؛ فمادة (الجرافيت) من أنعم المواد في حين أقسى المواد و أكثرها صلادة (الماس). كما أن لذرة الكربون قابلية كبيرة للترابط مع الذرات الأخرى الصغيرة, بما فيها ذرات الكربون نفسه, وحجمه الصغير يجعله يستطيع تكوين روابط عديدة. ونظرا لذلك فإن الكربون يكون ما يقرب من 10 ملايين مركب, أي معظم المركبات الكيميائية تقريبا.

و قد عُرف الكربون في صوره النقية على هيئة جرافيت و ماس بالإضافة إلى الفوليرينات و التي تعد إحدى صور الكربون المكتشفة حديثاً هذا بالإضافة إلى أنابيب النانو و النانوفوم…

نظائر الكربون :
للكربون نظيرين طبيعيين مستقرين هما كربون 12ويشكل 98.89% من مجموع الكربون في الطبيعة والنظير كربون13 والذي يشكل 1.11% ….
كما أن للكربون نظير غير مستقر يظهر في الطبيعة هو الكربون14 . كما و يوجد نظير آخر هو كربون 15 نظير …. أما كربون 8 أقلهم عمراً إذ يبلغ نصف عمره 1.98739× 10 -21 ثانية .
و في عام 1961 أعلن الاتحاد الدولي للكيمياء المجردة والتطبيقية (IUPAC) ، باعتبار النظير كربون12 كأساس لقياس الكتل الذرية.
نظير كربون14 له عمر نصف مقداره 5715 عام، وهو يستخدم بشكل كبير لقياس تحديد الزمن إشعاعيا للحفريات.

ظاهـرة التآصـل
وجود العنصر في عدة صور مختلفة في الخواص الفيزيائية و متشابهة في الخواص الكيميائية يعرف بظاهرة التآصل .
و يتميز الكربون بهذه الظاهرة … إذ يوجد منفرداً في الطبيعة في عدة صور منها ما هو بلّوري مثل الجرافيت و الماس و منها ما هو غير بلّوري مثل الفحم النباتي و الفحم الحجري و فحم الكوك .

الصـور التـآصليـة للكـربـون

الصور التآصلية غير البلّورية :
توجد أنواع عديدة من الكربون غير النقي تنتج عن تفاعلات كيميائية مصحوبة بالحرارة ، تتجمع على هيئة كتل سوداء تُعرف بالفحم … و هناك أنواع مختلفة من الفحم تتمثل بـ :

• فحم الكوك : و يحضر بتقطير الفحم تقطيراً إئتلافياً .

• فحم الخشب : و يحضر بتسخين الخشب في معزل عن الهواء كدفنه في حفرة و من ثم طمرها …

• فحم العظام ( الفحم الحيواني ) : و يحضر بتسخين العظام بعد تنظيفها و تنقيتها من المواد الدهنية ، و يمتاز هذا الفحم بقدرته على إزالة الألوان من المحاليل ؛ لذا فإنه يستخدم في صناعة الطلاء الأسود المستخدم في صناعة الجلود .

• السناج : و يتكون عند التحليل الحراري لكثير من الهيدروكربونات الغازية … و يستخدم هذا الفحم في صناعة حبر الطابعات .

• فحم المعوجات : و يتكون كمادة متخلفة من عمليات تفحيم المواد المختلفة و كذلك فإنه ينتج عن التقطير الائتلافي للفحم الحجري .

• الفحم الحجري : و يتكون نتيجة للضغط و درجة الحرارة الشديدين ، و اللذان يؤثران على بقايا النباتات المطمورة في باطن الأرض … حيث تحدث هذه التغيرات بالتدريج و بمعزل عن الهواء ، و يستخدم الفحم الحجري كوقود حيث يتميز بأنه لا يولد دخاناً .

3الفوليرينات

هي جزيئات كبيرة تتكون من ذرات كربون مترابطة ثلاثيا تعطى شكل كريات لها بناء يماثل الجرافيت, ولكن بدلا من الشكل السداسي النقي, فإنها تحتوى على أشكال خماسية (و احتمال سباعية) من ذرات الكربون, مما يؤدى لإنثناء الطبقات إلى كريات أو أسطوانات ….

بدأ اكتشاف الفوليرين والأنابيب فائقة الدقة بالصدفة عام 1944 عندما لاحظ أوتوهان وجود سلاسل من الكربون أثناء إجرائه لتجارب كانت تستهدف تكوين ذرات ثقيلة من ذرات أخف عن طريق امتصاصها للنيوترونات . إذ أن بحثه كان منصباً في الكشف عن الفروق الصغيرة في الوزن بين بعض ذرات العناصر الثقيلة التي يقوم بتبخيرها في قوس كربوني .
وأثناء مشاهدته لتلك النتائج ، لاحظ أن القوس أنتج أيضا سلاسل من الكربون كان لها – بالصدفة البحتة – نفس الوزن الجزيئي للمعدن …. وحيث أنه لم يكن مهتما بسلاسل الكربون فقد دوَّن ملحوظة بشأنها في نهاية تقريره ثم انطلق وراء الهدف الرئيسي من بحثه ( وقد اكتشف هان الانشطار النووي بالصدفة أيضا أثناء تلك التجارب ).
ولم تتم متابعة النتائج التي توصل إليها بشأن سلاسل الكربون بعده مباشرة ، ولذا فقد تأخر اكتشاف C60 لسنوات عديدة.

وفي الثمانينات من القرن العشرين جاء من يهتم بتلك الجزيئات الكربونية

إنه هارولد كروتوHarold Kroto و معه كل من روبرت كيرل Robert Curl و ريتشارد سمالي Richard Smalley

الذين توصلوا إلى أن سلاسل الكربون تلك … ما هي إلاّ صورة جديدة من صور الكربون …

التجربة وصولاً إلى الاكتشاف :
تم بتبخير قطعة صغيرة من الجرافيت بواسطة جهاز ليزر قوي لتتحول إلى سحابة ساخنة من الجسيمات التي يتم تبريدها باستخدام تيار من غاز الهيليوم ، مما يسمح للذرات بالتكثف على شكل عناقيد . وتم تحليل الخليط باستخدام جهاز مقياس طيف الكتلة ، وقد أوضح هذا الجهاز وجود عدد كبير من الجزيئات كتلتها 720 وكانت العناصر الوحيدة الموجودة هي الهليوم والكربون . وحيث أن الهليوم هو عنصر خامل تماماً ، فقد كان الاستنتاج أن تلك الجزيئات الكبيرة يجب أن تكون مصنوعة من 60 ذرة من الكربون …
و قد أوضح الرسم الناتج من مقياس طيف الكتلة أن لتلك الجزيئات قمة أكبر من القمم الأخرى المجاورة ، مما يعني أن جزئ C60 يمكن أن يتكوَّن وأن يظل باقيا في ذلك الوسط ذي الطاقة العالية لمقياس طيف الكتلة ، حيث تتكسر العديد من الجزيئات الأخرى (تنشظي) بطرق مميزة لكل منها ، مما يسمح بالتعرف عليها . وتعني تلك السحابة شيئا واحداً فقط ، وهو أن تجمُّع 60 ذرة كربون كان تجمُّعاً ثابتاً بدرجة غير عادية .

أطلق على جزيء الـ 60 ذرة كربون اسم بكمنستر فوليرين buckministerfullerene و ذلك لكونها تبدو مثل هيكل البناء الذي ابتكره المهندس الأميركي بكمنستر فولير Buckminister Fuller
و تسمى تلك الجزيئات اختصاراً باسم كرة بكي Buckyballs

مدرج فاتكو في كندا الذي صممه المهندس بكمنستر فولير

و بهدف الحصول على كميات أكبر من C60 تم استخدام قوس الكربون في وعاء على شكل جرس مملوء بالهيليوم إلى الحصول على السناج المحتوي على C60 بكميات اكبر …. مما يعني إمكانية إجراء التحاليل التركيبية للجزيء ….

و يعد أكثر الفوليرينات شهرة هو الجزئ C60 ، حيث تترتب الـ 60 ذرة كربون بداخلها على رؤوس مجسم عشريني ناقص … وشكل المجسم العشريني الناقص وهو نفس شكل كرة القدم … و يتميز بأنه جزيء ممغنط و غير قابل للاحتكاك.

أصغر جزيء فوليرينC20
أنتج العلماء في الولايات المتحدة وألمانيا أصغر جزيء فوليرين ممكن وهو C20 … و هذا الجزيء ليس فيه أشكال سداسية بل يحتوي فقط على 12 شكلا خماسياً .

وقد كان من المعروف منذ فترة أن جزيئات C20 يمكن وجودها من الناحية النظرية ؛ ولكن كان من الصعب إنتاج إحداها …. ويرجع أحد الأسباب إلى أنه أصغر من جزيئات الفوليرين الأخرى ، ولذا فإن انحناء سطحه سيكون أكبر ، وسوف يكون أكثر ميلا للتفسخ ، كما سيكون نشاطه التفاعلي عاليا أيضا ولذا سيميل إلى الاتحاد بعناصر أخرى لتكوين جزيئات جديدة .

وقد تم إنتاج C20 بالبدء بالدوديكاهيدران ، C20 H20 ، وهو مركب هيدروكربوني ثابت يتكون من 20 ذرة كربون و 20 ذرة هيدروجين . وفي عملية من خطوتين تم إحلال ذرات البروم محل ذرات الهيدروجين ثم تمت إزالة البروم ليتبقى C20
وكانت جزيئات C20 الناتجة غير ثابتة إلى حد ما ولكن وجودها تم تأكيده باستخدام الفحص الطيفي .

وبالإضافة إلى أصغر “بيكي بول” قام الباحثون أيضا بتحضير صورتين أخرتين هما بمثابة أيزوميرات لـ C20 أولاهما في صورة حلقية والثانية على شكل تجويف ….

إستخدامات الفوليرين
من المرجح أن يكون للفوليرينات دوراً في إنتاج الأجيال القادمة من زيوت التشحيم المخففة للاحتكاك ، و كذلك في إنتاج المواد الحفازة و الصناعات الدوائية .
كما يتوقع أن تلعب هذه الجزيئات دوراً في تصميم آلات رقائق النانو، و هي ما تمثل تكنولوجيا المستقبل ….!

* القوس الكربوني : انتقال الكهرباء من الجهد العالي إلى الجهد المنخفض على شكل قوس .

4- أنابيب الكربون الدقيقة (أنابيب النانو ) :

أنابيب الكربون الدقيقة Nanotubes تترابط فيها الذرات ثلاثيا في رقائق منحنية تشكل أسطوانات مفرغة .

تم الحصول على الأنابيب النانومترية بطريقة قوس الكربون مع تغيير طاقة القوس الكربوني لكي يصبح التيار مستمرا بدلا من التيار المتردد ، و بالتالي أممكن الحصول على هياكل أنبوبية غريبة الشكل في أحد الرواسب على القطب. وهذه الأنابيب مكوَّنه بالكامل من الكربون، وتمَّت تسميتها الأنابيب النانومترية وذلك نظرا لقطرها الذي يبلغ عدة نانومترات ….

و قد اقترحت عدة طرق أخرى لإنتاج جزيئات الكربون المكونة من الأنابيب النانومترية، وهي تشتمل:

• عمل تحليل كهربي باستخدام أقطاب من الجرافيت في أملاح منصهرة .

• تحليل حراري مُحفِّز للهيدروكربونات .

• تبخير للجرافيت باستخدام الليزر.

و باختلاف طرق عمل الأنابيب النانومترية ، تكون لها خواص إلكترونية مختلفة … فبعضها يُتوقَّع أن يكون معدنيا بينما يكون البعض الآخر أشباه موصلات.

و اتضح أن تلك الأنابيب النانومتريَّه قويَّة بدرجة لا تُصدَّق – فهي أقوى بمئات المرات من الصلب، ويرجع ذلك جزئيا إلى شكلها الهندسي السداسي، والذي يمكنه توزيع القوى والتشوهات بسبب قوة رابطة الكربون – كربون ، و بالتالي فإن لها خواص إلكترونية غير عاديَّة … وقد تم التوصل إلى الأجهزة الإلكترونية البسيطة مثل الأقطاب الثنائية والمفاتيح و الترنزستورات باستخدام الأنابيب النانومتريه التي كانت أصغر بكثير من مكافئاتها من السيليكون المستخدم في تصنيع شرائح الحاسب الآلي .

وليس من المعروف حتى الآن إلي أي مدى سيؤثر اكتشاف الفوليرين والأنابيب النانومترية في حياتنا ، ولكن مع قوتها التي تبلغ 500 مرة قدر قوة الصلب ، و مع إمكانية استخدامها في الدوائر الإلكترونية، تصبح الاحتمالات هائلة .

5- فقاعات الكربون الدقيقة Carbon nanofoam :

الصورة الخامسة للكربون أُكتشفت في1997م من قبل ثلاثة علماء أحدهم أسترالي هو أندريه رود Andrei V. Rode ، و عالم يوناني هو جون جيابنتزاكيس John Giapintzakis ، و آخر روسي ( إذا حد عارف أسمه ياريت يقول لنا عليه )

تم الحصول على فقاعات الكربون الدقيقة بحرق كمية من الجرافيت بواسطة جهاز ليزري في جو من غاز الأرجون …. و فقاعات الكربون هذه مادة مسامية سوداء تبدو كشبكة مغناطيسية بالغة الدقة قليلة الكثافة شبيهة بالجرافيت .

و بحسب أندريه رود فإن النانوفوم يتكون من حوالي 10000ذرة كربون … يصل قطر كل منها 6- 9 نانومتر ، وأنه على الرغم من عدم وجود تطبيقات حالية للنانوفوم إلاّ أنه يتوقع أن يكون له استخداماته الطبية.

من خواص فقاعات الكربون :
مادة سوداء مسامية
هشة سهل الكسر
تظهر خواص مغناطيسية
لا تنحل بسهولة ؛ فيمكن أن تتعرض لألآلف من الدرجات الفهرنهايتية قبل أن تنحل
يمكن حفظ النانوفوم في درجات حرارة منخفضة جداً تصل إلى -297فهرنهايت

إن الكربون عنصر ضروري لكل الكائنات الحية المعروفة، و ذلك لوجوده في أجسام الكائنات ، بالإضافة إلى مركب ثاني أكسيد الكربون الذي يشترك مع الماء و في وجود ضوء الشمس في إتمام عملية البناء الضوئي التي تحدث في النبات …. و هذه العملية هي مصدر الغذاء على الأرض …
أما الاستخدام الاقتصادي الرئيسي للكربون هو عندما يكون على شكل مركبات هيدروكربونية ، كغاز الميثان والنفط الخام الذي يستخدم في صناعة البتروكيماويات وإنتاج الجازولين ،و زيت الديزل والكيروسين ، وذلك عن طريق عملية تقطير مرحلية .
كما يشكل النفط المادة الخام التي تصنع منها العديد من المواد الصناعية والتي تشكل اللدائن (البلاستيك) جزءاً كبيرا منها .
هذا بالإضافة إلى الأهمية المتوقعة للكربون و التي من شأنها أن تحدث ذلك التغيير النوعي في الصناعة من خلال تنكولوجيا النانو … و ربما يساهم الكربون في صوره المكتشَفة إسهاماً إيجابياً في علاج الأمراض الخبيثة ….!