مقالات
تاریخچه فلزات از ماقبل تاریخ تا به امروز
اسفند
در طول تاریخ بشر و شکل‌گیری تمدن‌ها، کشف، توسعه و کاربرد فلزات، مسیر زندگی بشر و شکل گیری جوامع را به صورت بنیادی تحت تاثیر قرار داده است. مورخان از پیوند ذاتی توسعه تمدن‌ها و کشف فلزات در هر دوره تاریخی برای توصیف دوره‌های معینی از پیشرفت‌های اجتماعی و فناوری استفاده می‌کنند. دوره‌هایی مانند عصر حجر، عصر برنز و عصر آهن و در ادامه نیز با انقلاب‌های صنعتی که در دو قرن اخیر بشر را بصورت شتابان به سوی ناشناخته‌ها می‌برد.
از زمانی که انسان برای اولین بار در فلات ایران مس را کشف کرد، فلزی طبیعی و نسبتاً خالص تحولی در ساخت ابزار و شیوه زندگی انسان‌ها آن دوره بوجود آورد و برای حدود 5000 سال تنها فلزی بود که بشر کشف کرده بود. دانش و علوم مواد برگرفته از کنجکاوی‌هایی بسیار اساسی در مورد چگونگی استفاده از این مواد جدید و رفتار آنها در موقعیت‌های مختلف و شرایط مختلف بوده است. متالورژی امروزی طی قرن‌ها از رفع احتیاجات روزمره و پیشه‌وری به یک علم تبدیل شده است.
مجسمه مربوط به عصر برنز
شیفتگی بشر به فلزات با انسان ماقبل تاریخ آغاز شد که شروع به استفاده از چند نمونه محدود از فلزات کرد. در این مطلب می‌خواهیم تاریخچه فولاد،کشف و بکارگیری فلزات را بصورت گذرا بررسی کنیم. این بررسی به ما نشان خواهد داد که چقدر پیشرفت تمدن‌ها و زندگی انسان‌ها از گذشته‌های دور به فلزات وابسته بوده است.
شش فلزی که انسان ماقبل تاریخ استفاده کرد
انسان ماقبل تاریخ از شش فلز در طول تاریخ استفاده کرد و دوران‌های تاریخی مهمی را پشت سر گذاشت. این فلزات عبارت بودند از:
- طلا، از 6000 سال پیش از میلاد انسان عصر حجر به عنوان زیورآلات از آن استفاده کرد.
- نقره، از حدود 4000 سال قبل از میلاد به عنوان فلزی ارزشمند در تمدن‌های باستان مورد توجه بوده است.
- فلز مس، شواهدی از حدود 10 تا 18 هزارسال پیش نشان از کشف و بکارگیری این فلز دارد.
- قلع، حدود 5000 سال قبل این فلز در ترکیب با مس آلیاژی ساخت که عصر برنز را رقم زد.
- سرب، از حدود 7000 سال قبل مورد استفاده بشر بوده و خصوصیات ویژه آن باعث تحولاتی شده است.
- آهن، از حدود 1500 سال پیش از میلاد آثار کشف آهن در آناتولی دیده شده و تا به امروز تحولات چشمگیری را در پیشرفت بشر و انقلاب‌های صنعتی باعث شده است.
انسان ماقبل تاریخ متوجه شد که برخی از فلزات برای کارهای خاصی مفیدتر هستند و شروع به یافتن فلزات خاص برای کاربردهای مختلف کردند. مثلا؛ طلا و نقره بسیار نرم هستند و به همین دلیل عمدتاً برای تزئین و با توجه به ارزش بالا به مانند پول برای تجارت استفاده می‌شدند. مس قابلیت‌های بیشتری را به انسان ماقبل تاریخ ارائه می‌داد و می‌توانست با چکش کاری یا آهنگری سخت شود و به همین دلیل برای ساخت ابزارها، البته ابزارهای بسیار ابتدایی استفاده می‌شد. کشف برنز (آلیاژی از مس و قلع) شیوه زندگی، شکار، جنگ و کامیابی انسان را تغییر داد. این آلیاژ از مس قوی‌تر بود، می‌توانست با آهنگری سخت شود و به هر شکلی ریخته‌گری شود.
از دوران باستان به کارگیری و کشف فلزات تحولات بسیاری را به همراه آورد
سرب نرم است و به راحتی قابل شکل دادن است و انسان ماقبل تاریخ متوجه شد که برای ساختن ظروف و انتقال مایعات عالی است. بعدها، سرب به عنوان یک ماده اساسی در ساخت لوله‌هایی بود که در اوایل امپراتوری روم برای انتقال آب استفاده می‌شد. مس یکی از قدیمی‌ترین فلزاتی است که توسط انسان استفاده شده و بیش از ۱۰ هزار سال است که با کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مس و آلیاژهای آن
مس یک فلز چند منظوره با هدایت حرارتی و الکتریکی عالی است که آن را به یک ماده مفید برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است. مبدأ دقیق مس نامعلوم است، اما بسیاری باور دارند که در منطقه خاورمیانه، به ویژه در مناطق آناتولی یا ترکیه امروزی و فلات ایران اولین بار استفاده شده است. بشر در ابتدا از مس برای ساخت اشیاء تزئینی مانند جواهرات و تندیس‌ها استفاده می‌کردند. با این حال، هنگامی که روش استخراج مس از سنگ را کشف کرد و آن را پالایش کردند، به این نتیجه رسیدند که از ظرفیت آن برای ساخت ابزارها و سلاح‌ها استفاده کنند. ابزارهای مسی در مصر باستان، و همچنین در تمدن‌های دره سِند باستان در هند و پاکستان مورد استفاده قرار گرفتند.
اگرچه مس فلزی نسبتاً نرم است، ولی با آلیاژ سازی با فلزات دیگر مانند قلع یا روی، می‌توان آن را تبدیل به آلیاژی سخت کرد. این فرایند باعث می‌شود ماده‌ای سخت‌تر و مقاومتر تولید شود که برای ساخت ابزارها و سلاح‌ها ایده‌آل بوده. درست است که در طول تاریخ، مس و آلیاژهای آن به دلیل قدرت و مقاومت بالاتر فلزات دیگر مانند آهن و فولاد، جای خود را به آنها داده‌اند. با این حال، مس با توجه به خاصیت رسانایی قوی، تا به امروز همچنان در بسیاری از کاربردها از جمله سیم برق، لوله سازی و ساخت و ساز به عنوان یک ماده مهم به کار می‌رود. همچنین، مس در صنایعی مانند الکترونیک، خودروسازی، و ساخت و تجهیز کارخانجات نیز در جاهای خاصی انتخابی بی‌رقیب است. به طور کلی، مس یک فلز مهم و گرانبها با کاربردهای فراوان است که همچنان در جهان استفاده می‌شود.
مس و آلیاژهای آن اولین دستاوردهای فلزی بشر بودند.
بعضی اعتقاد دارند که اولین آلیاژ مس به‌طور اتفاقی حدود ۳۵۰۰ سال پیش ساخته شد، زمانی که سنگ معدن مس و آرسنیک با هم ذوب شدند. اگرچه کاملاً صحت این داستان مشخص نیست، اما اولین آلیاژ مس که آگاهانه توسط بشر ساخته شد به ۲۵۰۰ سال پیش از میلاد باز می‌گردد، که با ترکیب قلع و مس، آلیاژی به نام برنز یا مفرغ به دنیا معرفی شد. برنز نسبت به مس خالص، استحکام بیشتری داشت و برای ساخت ابزار جنگی و ابزار کار جایگاهی برتر داشت. با کشف برنز بشر وارد عصر جدیدی بنام عصر برنز شد و این ترکیب ، آخرین آلیاژی نبود که باعث تغییر جهان شد.
آهن و آلیاژهای فولادی
آهن برای ساخت ابزار و سلاح‌ها استفاده می‌شد و در برابر جانشینش، برنز، برتری‌هایی داشت. در حالی که ساخت برنز به منابع مس و قلع نیاز داشت، آهن به عنوان یک فلز خالص، قابل ذوب و فرآوری در دمای بالا بود. فراوانی آهن، آن را بسیار قابل دسترس کرده و صنعتگرانی که قادر به شکل‌دهی آن بودند، آن را در همه جوانب زندگی به کار گرفتند. ابزار ساخته شده با آهن نسبت به مس، تیزتر و قوی‌تر بود و ابزارهای کشاورزی آهنی، فرآیند کشت و کار را آسان‌تر کردند و خاک سخت را قابل کشت و کار کردند. کشف آهن همچنین باعث قرار گرفتن اسلحه‌هایی مانند شمشیر و نیزه در دست گروه بزرگی از افراد شد، که این موضوع در طول تاریخ به عاملی برای تغییر دائمی مسیر جهان تبدیل گردید.
فولاد آلیاژی برپایه آهن با مقدار کمی کربن است که به آن استحکام بیشتر می‌بخشد. نخستین شواهد از تولید و مصرف فولاد مدرن به شکلی که امروزه می‌شناسیم، به سال 1574 در پراگ، جمهوری چک و سپس در سال 1614 در انگلستان باز می‌گردد. در طول قرن هفدهم و با افزایش مصرف فولاد، یکی از بهترین فولادهای آن زمان در استکهلم، سوئد ساخته شد.
در سال 1856، تولید فولاد توسط هنری بِسمر شاهد تحولی بزرگ شد. فرایندی بسمر ابداع کرد یک روش جدید با سرعت بیشتر برای ذوب آهن بود. بّسمر در روش خود از دمیدن هوای پُر فشار هنگام ذوب شده آهن خام استفاده کرد تا به این ترتیب کاهش کربن موجود در آهن خام و تولید فولاد را سرعت ببخشد. این فرایند به تولید فولاد به صورت انبوه و با هزینه نسبتاً پایین منجر شد که پایه انقلابی صنعتی بود.
ابداعات بشر در زمینه آهن و فولاد جرقه انقلاب‌های صنعتی بود.
دسترسی سهل‌تر به فولاد، به واسطه فرایند بِسمر، روش زندگی، حمل و نقل و توسعه صنعتی در جهان را تغییر داد. ریل‌های فولادی به طور قابل توجهی مستحکم‌تر و چندین برابر از ریل‌های آهنی بادوام‌تر بودند. قطارهای ساخته شده از فولاد می‌توانستند بار سنگین‌تر را تحمل کنند، که باعث توسعه حمل‌ونقل ریلی شد. همچنین قدرت فولاد، برای اولین بار احداث برج‌های بلند مانند آسمان‌خراش‌ها را ممکن ساخت، که به طور دائمی مسیر رشد و توسعه شهرها را تغییر داد.
فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل
و اما نوع خاصی از فولاد که به فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل مشهور است، در سال 1912 توسط هری بریلی ابداع شد. بریلی به دنبال ساخت یک آلیاژ مقاوم در برابر سایش برای استفاده در لوله‌های تفنگ بود. در حین فرآیند، یک ماده بدون زنگ زدگی در انبوه قراضه باقی ماند. این فولاد ضد زنگ از نوع فولادهای مارتنزیتی بعداً با نام گرید 420 شناخته شد و در حقیقت اولین فولاد ضدزنگی بود که بصورت اتفاقی بدست آمد.
در سال 1920، آلیاژی از فولاد ضد زنگ به عنوان 18/8 رایج شد که به دلیل محتوای کروم و نیکل خود، عملکرد بسیار مطلوبی داشت و به طور گسترده مورد مصرف قرار گرفت. این آلیاژ همان آلیاژ مشهور 304 است که همچنان پُرمصرفترین آلیاژ استیل به حساب می‌آید. با رواج روز افزون فولاد ضد زنگ، ویژگی‌های بهداشتی آن نیز آشکار شد. در سال 1928، فولاد ضد زنگ برای تهیه و نگهداری نوشیدنی‌ها استفاده شد و از آن به عنوان ماده‌ای اساسی در حوزه پزشکی و نگهداری مواد غذایی استفاده کردند.
نوآوری‌های فولادهای ضدزنگ در یک‌صد سال اخیر چشمگیر هستند.
در سال 1931، فولاد ضد زنگ برای اولین بار در هواپیماها به کار رفت. اگرچه در حال حاضر مواد سبک‌تری مانند آلومینیوم و تیتانیوم در صنعت هوافضا ترجیح داده می‌شوند، اما فولاد ضد زنگ هنوز هم برای قطعات و قسمت‌های خاصی استفاده می‌شود. فولادهای ضد زنگ در حال حاضر به چهار گروه اصلی تقسیم می‌شوند و بیش از 150 گرید یا آلیاژ آن در میلیون‌ها قطعه، دستگاه و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سخن آخر
این مطلب به طور خلاصه به مرور دوران‌های تاریخی بشر در ارتباط با فلزات پرداختیم: عصر حجر، عصر مس، عصر برنز، و عصر آهن که حدود ده هزار سال اخیر تاریخ بشر را در بر می‌گیرد. طلا و نقره در کنار مس و آهن که در طول دوران باستان به شکل‌های شهاب سنگی همراه با نیکل شناسایی شده‌اند، یا موادی که پس از کشف آتش از دل سنگ‌ها استخراج شدند و برای ساخت ابزار مورد استفاده قرار گرفتند. در تمدن‌های دوران باستان تا به امروز سرنوشت بشر را دستخوش تحولات بسیاری کرده‌اند. در شرایطی که بشر امروز با فناوری‌های مدرن به توانایی بسیار بالایی دست پیدا کرده، سرعت تحولات در زمینه مواد نیز وارد دوران جدیدی شده و هر روز شاهد کشف و اختراع انواع جدیدی از مواد با خواصی غیر قابل باور هستیم. با این حال همچنان فولادها و بخصوص فولادهای ضدزنگ پایه توسعه و رشد صنایع هستند.
