چدن

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن
چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲٫۱ الی ۶٫۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می‌رود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل می‌دهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. به‌طور معمول بین ۲٫۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه‌گانه شناخته می‌شود. با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن-کربن بررسی می‌شود. جایی که نقطه یوتکتیک در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴٫۳ درصد کربن اتفاق می‌افتد که حدود ۳۰۰ درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است. چدنها، به استثنا نوع داکتیل، ترد هستند و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته‌گری، ماشین کاری، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربرد تبدیل شده و در تولید لوله‌ها، ماشینها، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه دنده به کار می‌روند. چدن همچنین به تضعیف و تخریب ناشی از اکسایش (خوردگی) مقاوم است.
تولید چدن
چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می‌آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع کاربرد، میزان کربن و سیلیسیم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳٫۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) کاهش داده می‌شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته‌گیری و قبل از شکل‌گیری نهایی، به مذاب افزوده می‌شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب می‌شود، عمدتا در کوره‌های القای الکتریکی تولید می‌گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته می‌شود.
انواع چدن‌ها
چدن خاکستری
چدن خاکستری ریزساختار گرافیتی خاصی دارد که باعث می‌شود مقطع شکست آن به رنگ خاکستری باشد. در این نوع چدن‌ها تمامی یا قسمت اعظم کربن به صورت آزاد (گرافیت) رسوب می‌کند. از نظر وزنی رایج‌ترین نوع چدن و پرکاربردترین ماده ریخته‌گری محسوب می‌شود. چدن خاکستری عمدتا حاوی ۲٫۵ تا ۴ درصد کربن، ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم و مابقی آهن است. این نوع چدن استحکام کششی و مقاومت به شوک کمتری نسبت به فولاد دارد اما از نظر استحکام فشاری با فولاد کربنی کم و میان کربن قابل مقایسه است.
انواع چدن‌های خاکستری از نظر شکل گرافیت
چدن‌های خاکستری با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای یا چدن‌های مالیبل با چکش‌خوار
چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای یا فلسی یا پولکی
چدن خاکستری با گرافیت کروی یا چدن داکتیل یا SG یا چدن نشکن
چدن خاکستری چشم گاوی (این نوع چدن ما بین خاکستری و سفید می‌باشد که به علت گرافیتهای نسبتا بزرگ در بین فاز روشن رنگ فریت به این اسم مشهور است
در سیستم آهن کربن ناپایدار نمی‌توان گفت تمام کربن به صورت گرافیت آزاد رسوب می‌کند چون شرایط تبرید و انجماد در نوع چدن حاصل نقش دارد
چدن داکتیل
چدن داکتیل یا چدن نشکن دارای زمینه فریتی، پرلیتی یا هر دو با کروی است. چدن نشکن به هنگام انجماد، کربن آن به صورت گرافیت کروی یا گلوله‌ای تشکیل می‌شود.
خواص چدن داکتیل :نقطه ذوب پایین، ریخته‌گری مناسب، ماشینکاری عالی، مقاومت سایشی خوب، شکل‌پذیری مطلوب
چدن سفید
چدن سفید از میزان کربن کمتر و سرعت سرد کردن بیشتر حاصل می‌شود جاییکه بخش عمده کربن به صورت فاز نیمه پایدار Fe3C (سمنتیت) رسوب می‌کند تا کربن آزاد (گرافیت). مقطع شکسته شده این نوع چدن‌ها سفید نقره‌ای رنگ است. سمنتیت رسوب کرده از مذاب ذرات بزرگی در فاز یوتکتیک شکل می‌دهد. فاز دیگر این نوع چدن آستنیت است که طی فرایند انجماد به مارتنزیت تبدیل می‌شود. این کاربیدهای یوتکتیک درشتتر از آن هستند که سخت گردانی رسوبی ایجاد کنند (مانند برخی فولادها که رسوب سمنتیت، با ممانعت از حرکت نابجاییها در فاز زمینه فریت، از تغییر شکل پلاستیک جلوگیری می‌کند). اما تا حدودی به دلیل سختی خود ذرات سمنتیت که بخشی از حجم ماده را اشغال می‌کنند، سختی کل افزایش می‌یابد به‌طوری‌که سختی چدن سفید بر اساس قانون مخلوطها برآورد می‌شود. در هر صورت سمنتیت‌ها سختی را افزایش و چقرمگی را کاهش می‌دهند. از آنجا که کاربید بخش بزرگی از ماده را می‌گیرد، چدن سفید را می‌توان نوعی سرمت به حساب آورد. چدن سفید برای بسیاری مصارف بیش از حد ترد است ولی به لطف سختی خوب، مقاومت به سایش بالا و قیمت پایین در ساخت قطعاتی چون سطوح در معرض سایش (مانند پروانه توربین)
در سیستم آهن-کربن پایدار، تمامی کربن به صورت گرافیت ظاهر می‌شود.
چدن مالیبل
چدن مالیبل یا چدن چکش خوار، ذاتا از نوع چدن‌های هیپو یوتکتیکی کم آلیاژی یا غیر آلیاژی هستند. جهت ایجاد گرافیت‌های کروی فشرده و حصول خواص مکانیکی مانند استحکام و چکش خواری، عملیات آنیل کردن انجام می‌گیرد. پس از ریخته‌گری، کربن این چدن‌ها به شکل ترکیبی (ترکیب با آهن) بوده و قطعات به صورت چدن سفید درآمده که با فرایند حرارتی بخصوصی به چدن مالیبل تبدیل می‌شوند.
کربن این نوع چدن بیشتر به‌صورت کره‌هایی (کلوخه) از گرافیت و با اشکال نامنظم می‌باشد (شکل زیر). چدن چکش‌خوار ابتدا به صورت چدن سفید و با ترکیب شیمیایی مناسب ریخته می‌شود. سپس به هنگام آنیل از سمنتیت چدن سفید، گرافیت جوانه زده و به صورت کروی رشد می‌کند. با تغییر دادن عملیات آنیل، می‌توان چدن چکش خوار با خواص مکانیکی مختلف به دست آورد، از آنجا که ابتدا برای تولید چدن سفید انجماد سریعی لازم است لذا ضخامت قطعات چدن چکش خوار محدود است.
پس از اتمام مرحله اول آنیل، ساختار دارای کربن برفکی در زمینه آستنیت اشباع شده از کربن بوده و در مرحله دوم می‌توان با تنظیم سرعت سرد کردن ساختار را از فریت تا پرلیت تغییر داد. شکل گرافیت در چدن مالیبل (چکش خوار) کروی نبوده و به شکل برفکی می‌باشد.
انواع چدن‌ها از نظر فاز زمینه
زمینه فریتی
زمینه فریتی-پرلیتی
زمینه پرلیتی
زمینه مارتنزیتی
زمینه آستنیتی
زمینه بینیتی
فلزات و آلیاژهای آنها
معماری چدنی
تاریخچه
نوعی از معماری است که چدن در آن نقش اصلی را ایفا می‌کند. این سبک، سبکی برجسته در انقلاب صنعتی بود یعنی زمانی که چدن نسبتا ارزان بود و فولاد هنوز فراگیر نشده بود. در اوابل عصر انقلاب صنعتی از چدن در ساخت کارخانه‌ها اغلب استفاده می‌شد تا حدودی به خاطر فکر اشتباهی که می‌کردند و آن این بود که این ساختارها ضدآتش‌اند. چون به قدر کافی برای تحمل ابزار آلات سنگین مقاوم است. اما در مقابل آتش که معمولا در این کارخانه‌ها اتفاق می‌افتد آسیب‌پذیر است. چدن هم جنین بسیار در ساخت پل برای سیستم‌های جدید راه‌آهن که اغلب نتایج وحشتناکی داشت به کار می‌رفت. بعدها هم در خط ریل‌های زیر پل استفاده شد که خطرات بسیاری داشت و جان چندین نفر را گرفت.
معماری چدن برای چندین قرن استفاده می‌شد. به خصوص در معماری پیش از مدرن در قرن ۱۸ انگلستان برای اولین بار روش‌های تولید جدید چدن به صورت فراوان و ارزان در ساختمان‌های بزرگ استفاده شد. یکی از اولین و مهم‌ترین پل‌های آهنی در شوپ شایر که تقریبا تمام ساختار آن با چدن ساخته و تنظیم شده بود. کیفیت چدن استفاده شده در پل زیاد بالا نبود و نزدیک به ۸۰ ترک ترد در ساختار آن مشاهده شده‌است.
موارد استفاده
برای ساخت پل، لوله‌ها، درپوش چاه‌های خیابان، ماشین آلات و بسیاری چیزهای دیگر تا زمان جایگزین شدن فولاد استفاده می‌شد. شکل توسعه یافته‌اش به عنوان خرپای سقف، شاغول کردن، خطوط گازی و هم چنین پنجره‌های دکوراتیو استفاده می‌شده‌است.
معایب و مزایا
چدن دارای مزیت‌ها و معایبی در معماری است. در فشرده‌سازی قوی و در کشش و خمش ضعیف است. مقاومت و سختی آن مخصوصا در حرارت بالا (هنگام آتش‌سوزی) بسیار پایین می‌آید.
آهن
آلیاژ
فولاد
کربن
نمودار فازی آهن-کربن