מטלורגיה

מטלורגיה היא תחום בהנדסת חומרים שחוקר את התכונות המכניות והכימיות של מתכות, ואת השיטות להפקת מתכות ועיבודן. השם בא מהמילה היוונית metallourgos אשר משמעותו "כורה/מעבד מתכות" (metallon: מחצב, מתכת + ourgos: עובד).
המטלורגיה מלווה את האדם משחר האנושות ועד ימינו. זהו אחד מתחומי הטכנולוגיה הראשונים בהם עסק האדם, וכבר בתקופת האבן, לפני כ-8,000 שנה החל האדם לפתח כלים מנחושת. תיארוך פרקים בפרהיסטוריה ובהיסטוריה האנושית משתמש במושגים מטלורגיים: תקופת הברונזה שבה נעשה לראשונה שימוש בסגסוגת (תערובת של מתכות), ואחריה תקופת הברזל.
גם הטכנולוגיה המודרנית נשענת על המטלורגיה, מסגסוגות בתוך מעבדי מחשב והתקני סגסוגות זיכרון בגוף האדם, ועד ללוויינים בחלל. מטלורגיה היא תחום מחקר פעיל גם כיום, בהיי-טק כמו גם בענפים מסורתיים כמו תעשיית הרכב.
העיסוק במטלורגיה נחלק לנושאים רבים. כריה של חומר הגלם להפקת המתכת. הפקת המתכת עצמה מתוך עפרת המתכת, ושיטות שונות ליצירת חומר גלם מתכתי או סגסוגת. עיבוד תרמי (חימום) או עיבוד מכני להשגת הצורה והתכונות הרצויות. חקר התכונות המכניות, וחקר מבנה והרכב המתכת.

תהליכים לעיבוד מתכות

תכונות המתכת תלויות בהרכבה הכימי, אך גם בתהליך שהמתכת עוברת: ביצירת הנתך, וביצירת הצורה הסופית של חומר הגלם ושל המוצר הסופי. עיבוד מתכת (Metalworking) הוא פעולה לשינוי תכונות המתכת. הפעולות נחלקות באופן גס לטיפולים תרמיים ומכניים.

חקר ואפיון מתכות

חקר המתכות הוא תחום אשר מקשר בין המבנה הכימי והגבישי של פאזות המתכת, לתכונות שלה, בעיקר תכונות מכניות. לכן גם כלי המחקר נחלקים לשיטות אשר מאפיינות את מבנה החומר, ושיטות למדידת התכונות המכניות (תכונות שאינן מכניות לא נחשבות בתחום המטלורגיה).

מדידת תכונות מכניות

חוזק - אחת התכונות המרכזיות בחשיבותה עבור מתכת היא החוזק, שנמדד בניסוי מתיחה: כאשר מותחים דגם בעל שטח חתך ידוע, חוזק המתיחה של החומר הוא מאמץ המתיחה המרבי שבו החומר עומד. באופן מקביל נמדדים חוזק לחיצה, גזירה, פיתול, כפיפה.
מדידת קשיות - קשיות היא מידת ההתנגדות של החומר לשינוי קבוע בצורתו. קשיות נמדדת בחריצה, במכשיר סקלרומטר, או בדקירה באמצעות דוקרן בכוח מסוים ומדידת גודל החריץ שנשאר לאחר הסרתו. קיימות שיטות דוקרן שונות המתאימות לטווח קשיות שונה של החומר. השיטות הנפוצות למתכות: קשיות רוקוול, שיטת ויקרס ושיטת ברינל.
מודול האלסטיות - הוא היחס בין מאמץ (כוח ליחידת שטח בחומר) למעוות (שינוי בממדי החומר) בתחום האלסטי, או בניסוח פשוט יותר, ההתנגדות של החומר לשינוי קטן בצורתו באמצעות כוח חלש. שינוי אלסטי חוזר למצבו המקורי כאשר הכוח מוסר.
עייפות החומר - העמסה חוזרת מספר רב של פעמים, בעומס קטן מחוזק החומר.

מדידת מבנה

מתכת אופיינית היא בעלת מבנה גבישי, אך אינה מורכבת מגביש יחיד גדול ומושלם, אלא מהרבה גבישונים, או גרעינים בעגה המטלורגית (crystallite או grain). גודל הגרעין הוא אחד הגדלים המשפיעים ביותר על התכונות המכניות של המתכת. בנוסף קיימים פגמים בגבישים מסוגים שונים, שניתנים לאפיון. אם המתכת היא סגסוגת המורכבת מחומרים שונים, יכולות להיות פאזות שונות ומורכבות עבור צירופי סגסוגת וטיפולים תרמיים שונים.
השיטה המרכזית המשמשת לחקר מבנה המתכת היא מטלוגרפיה. המטלוגרפיה באופן טיפוסי כוללת את חיתוך החומר, ליטוש, איכול (etching) שמותאם למתכת המסוימת ולתופעה הנחקרת ומטרתו להבליט את הפרטים הרצויים, וצילום במיקרוסקופ. בדרך כלל מתעניינים במיקרומיבנה של החומר, שהוא הפאזות השונות של המתכת, גודל הגרעין ופגמים גדולים.
שיטה מרכזית נוספת היא קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן שבעזרתה מוצאים את הפאזות השונות בחומר וגם מעריכים את גודל הגרעין וקיום פגמים. הבסיס לשיטה הוא הקרנת החומר בקרני רנטגן ומדידת זוויות ההחזרה. מתוך זוויות ההחזרה ניתן לחשב את מבנה גבישי החומר לפי חוק בראג.