علم المعادن

عمال صهر الذهب في سيونا ، نيكاراغوا في أواخر القرن العشرين

الصب ، عملية سكب المعدن المنصهر في قالب

علم المعادن هو مجال من مجالات علوم وهندسة المواد يدرس السلوك الفيزيائي والكيميائي للعناصر المعدنية ومركباتها بين الفلزية ومخاليطها، والتي تُعرف باسم السبائك .

يشمل علم المعادن كلاً من علم المعادن وتقنياتها، بما في ذلك إنتاجها وهندسة مكوناتها المعدنية المستخدمة في منتجات المستهلكين والمصنعين على حد سواء. ويتميز علم المعادن عن حرفة تشكيل المعادن بتوفيره أساسًا علميًا لها، تمامًا كما يدعم العلم الطبي ممارسة الطب. ويُعرف المتخصص في علم المعادن باسم خبير المعادن.

ينقسم علم المعادن إلى فرعين رئيسيين: علم المعادن الكيميائي وعلم المعادن الفيزيائي . يهتم علم المعادن الكيميائي بشكل أساسي باختزال المعادن وأكسدتها، وخصائصها الكيميائية. تشمل مواضيع دراسته معالجة المعادن، واستخلاصها، والديناميكا الحرارية ، والكيمياء الكهربائية ، والتآكل الكيميائي . ^{[ 1 ]} في المقابل، يركز علم المعادن الفيزيائي على الخواص الميكانيكية والفيزيائية للمعادن، وخصائصها الفيزيائية، وخصائصها الفيزيائية. تشمل مواضيع دراسته علم البلورات ، وتوصيف المواد ، وعلم المعادن الميكانيكي، وتحولات الطور ، وآليات الفشل . ^{[ 2 ]}

تاريخيًا، ركز علم المعادن بشكل أساسي على إنتاج المعادن. يبدأ إنتاج المعادن بمعالجة الخامات لاستخراج المعدن، ويشمل مزج المعادن لصنع السبائك. غالبًا ما تكون سبائك المعادن مزيجًا من عنصرين معدنيين أو أكثر. ومع ذلك، تُضاف عناصر غير معدنية إلى السبائك لتحقيق خصائص مناسبة لتطبيق معين. ينقسم علم إنتاج المعادن إلى علم المعادن الحديدية (المعروف أيضًا باسم علم المعادن السوداء ) وعلم المعادن غير الحديدية (المعروف أيضًا باسم علم المعادن الملونة).

تتضمن صناعة المعادن الحديدية عمليات وسبائك تعتمد على الحديد، بينما تتضمن صناعة المعادن غير الحديدية عمليات وسبائك تعتمد على معادن أخرى. ويمثل إنتاج المعادن الحديدية 95% من إنتاج المعادن العالمي. ^{[ 3 ]}

يعمل علماء المعادن المعاصرون في مجالات ناشئة وتقليدية على حد سواء، ضمن فريق متعدد التخصصات يضم علماء المواد ومهندسين آخرين. تشمل بعض المجالات التقليدية معالجة المعادن، وإنتاج المعادن، والمعالجة الحرارية، وتحليل الأعطال، ووصل المعادن (بما في ذلك اللحام، واللحام بالنحاس ، واللحام بالقصدير ). أما المجالات الناشئة لعلماء المعادن فتشمل تقنية النانو ، والموصلات الفائقة ، والمواد المركبة، والمواد الطبية الحيوية، والمواد الإلكترونية (أشباه الموصلات)، وهندسة الأسطح .

علم المعادن مشتق من الكلمة اليونانية القديمة μεταλλουργός ، metallourgós ، وتعني "عامل المعادن"، من μέταλλον ، métallon ، وتعني "منجم، معدن" + ἔργον ، érgon ، وتعني "عمل". كانت الكلمة في الأصل مصطلحًا يستخدمه الخيميائيون لاستخراج المعادن من الخامات، وتشير اللاحقة -urgy إلى عملية، وخاصة التصنيع؛ وقد نوقشت بهذا المعنى في موسوعة بريتانيكا عام 1797. ^{[ 4 ]}

في أواخر القرن التاسع عشر، اتسع تعريف علم المعادن ليشمل الدراسة العلمية العامة للمعادن والسبائك والعمليات ذات الصلة. في اللغة الإنجليزية، يُعدّ النطق / mɛˈtælərdʒi / هو الأكثر شيوعًا في المملكة المتحدة، بينما يُعدّ النطق / ˈmɛtəlɜːrdʒi / هو الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة ، وهو أول نطق مُدرج في العديد من القواميس الأمريكية، بما في ذلك قاموس ميريام - ويبستر الجامعي وقاموس التراث الأمريكي .

يبدو أن أقدم معدن استخدمه الإنسان هو الذهب، الذي يمكن العثور عليه في حالته الطبيعية . وقد عُثر على كميات صغيرة من الذهب الطبيعي، تعود إلى أواخر العصر الحجري القديم ( 40000 قبل الميلاد)، في كهوف إسبانية. ^{[ 5 ]} كما يمكن العثور على الفضة والنحاس والقصدير والحديد النيزكي في حالتها الطبيعية، مما أتاح إمكانية تشكيل المعادن على نطاق محدود في الحضارات القديمة. ^{[ 6 ]} وقد وُثِّقت تقنيات التعدين البارد المبكرة، باستخدام النحاس الخام غير المستخرج من الخام، في مواقع في الأناضول وموقع تل المغزالية في العراق ، والتي يعود تاريخها إلى الألفية السابعة والسادسة قبل الميلاد. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

أقدم دليل أثري على صهر المعادن (التعدين الساخن) في أوراسيا وُجد في البلقان وجبال الكاربات ، كما يتضح من العثور على قطع مصنوعة من صب المعادن وصهرها، يعود تاريخها إلى ما بين 6200 و5000 قبل الميلاد، مع اختراع تعدين النحاس. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 8 ] [ 9 ]} يمكن استخلاص بعض المعادن، مثل القصدير والرصاص والنحاس، من خاماتها ببساطة عن طريق تسخين الصخور في فرن ذي درجة حرارة معتدلة نسبيًا أو فرن صهر، في عملية تُعرف بالصهر . أُكتشف أول دليل على صهر النحاس، والذي يعود تاريخه إلى الألفية السادسة قبل الميلاد، ^{[ 12 ]} في مواقع أثرية في ماجدانبيك وجارموفاتش وبلوتشنيك ، في صربيا الحالية . ^{[ 13 ] [ 8 ]} عُثر في موقع بلوتشنيك على فأس نحاسي مصهور يعود تاريخه إلى 5500 قبل الميلاد، وينتمي إلى حضارة فينكا . ^{[ 14 ]} كانت منطقة البلقان وجبال الكاربات المجاورة موطنًا لحضارات رئيسية من العصر النحاسي، بما في ذلك فينكا، وفارنا ، وكارانوفو ، وجوميلنيتسا، وهامانجيا ، والتي غالبًا ما تُجمع تحت اسم " أوروبا القديمة ". ^{[ 15 ]} ونظرًا لوصف منطقة الكاربات والبلقان بأنها "أقدم منطقة تعدين في أوراسيا"، ^{[ 9 ] [ 11 ]} فقد فاق حجمها وجودتها التقنية في إنتاج المعادن خلال الألفية السادسة والخامسة قبل الميلاد أي مركز إنتاج معاصر آخر. ^{[ 9 ] [ 16 ] [ أ ] [ ب ]}

يعود أقدم استخدام موثق للرصاص (ربما خامًا أو مصهورًا) في الشرق الأدنى إلى الألفية السادسة قبل الميلاد، وذلك في مستوطنات ياريم تيبي وأرباشيا في العراق، التي تعود إلى أواخر العصر الحجري الحديث . وتشير القطع الأثرية إلى أن صهر الرصاص ربما سبق صهر النحاس. ^{[ 17 ]} كما عُثر على آثار لتعدين الرصاص في البلقان خلال الفترة نفسها. ^{[ 8 ]}

تم توثيق صهر النحاس في مواقع في الأناضول وفي موقع تل إبليس في جنوب شرق إيران منذ حوالي 5000 قبل الميلاد . ^{[ 7 ]}

وُثِّقت عملية صهر النحاس لأول مرة في منطقة الدلتا بشمال مصر حوالي عام 4000 قبل الميلاد ، وارتبطت بحضارة المعادي . ويمثل هذا أقدم دليل على صهر المعادن في أفريقيا. ^{[ 18 ] [ ج ]}

تقع مقبرة فارنا في بلغاريا، وهي موقع دفن يقع في المنطقة الصناعية الغربية لمدينة فارنا، على بُعد حوالي 4  كيلومترات من مركز المدينة، وتُعتبر دوليًا أحد أهم المواقع الأثرية في عصور ما قبل التاريخ. وقد اكتُشف في فارنا أقدم كنز ذهبي في العالم، يعود تاريخه إلى الفترة ما بين 4600 و4200 قبل الميلاد . ^{[ 19 ]} كما تُعد قطعة الذهب التي يعود تاريخها إلى 4500 قبل الميلاد، والتي عُثر عليها عام 2019 في دورانكولاك ، بالقرب من فارنا، مثالًا هامًا آخر. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وتوجد دلائل أخرى على استخدام المعادن القديمة، تعود إلى الألفية الثالثة قبل الميلاد، في بالميلا بالبرتغال، ولوس مياريس بإسبانيا، وستونهنج بالمملكة المتحدة. ومع ذلك، لم يتم تحديد البدايات الدقيقة لهذا الموقع بشكل قاطع، ولا تزال الاكتشافات الجديدة مستمرة.

في حوالي عام 1900 قبل الميلاد، كانت هناك مواقع قديمة لصهر الحديد في ولاية تاميل نادو . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في الشرق الأدنى ، حوالي عام 3500 قبل الميلاد، تم اكتشاف إمكانية صنع معدن البرونز المتفوق عن طريق دمج النحاس والقصدير. وقد مثّل هذا تحولاً تكنولوجياً كبيراً عُرف باسم العصر البرونزي .

يُعدّ استخلاص الحديد من خاماته وتحويله إلى معدن قابل للتشكيل أصعب بكثير من استخلاصه من النحاس أو القصدير. ويبدو أن الحيثيين قد ابتكروا هذه العملية حوالي عام 1200 قبل الميلاد، مُدشّنين بذلك العصر الحديدي . وكانت القدرة على استخلاص الحديد وتشكيله عاملاً أساسياً في نجاح الفلسطينيين . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يمكن العثور على تطورات تاريخية في علم المعادن الحديدية في مجموعة واسعة من الثقافات والحضارات القديمة. ويشمل ذلك الممالك والإمبراطوريات القديمة والوسيطة في الشرق الأوسط والشرق الأدنى، وإيران القديمة، ومصر القديمة، والنوبة القديمة، والأناضول في تركيا الحالية، ونوك القديمة ، وقرطاج ، والسلت ، واليونانيين والرومان في أوروبا القديمة، وأوروبا في العصور الوسطى، والصين القديمة والوسيطة، والهند القديمة والوسيطة، واليابان القديمة والوسيطة، وغيرها.

طُوِّرت عملية ووتز ومُورست في شبه القارة الهندية منذ عام 300 قبل الميلاد، وبالتأكيد بحلول عام 200 قبل الميلاد، كان يُنتَج فولاذ عالي الجودة في جنوب الهند، باستخدام ما أطلق عليه الأوروبيون لاحقًا تقنية البوتقة. يُعرف فولاذ غولكوندا، أو فولاذ ووتز، بأنه فولاذ فائق الكربون، يحتوي على نسبة طبيعية من الفاناديوم المُكوِّن للكربيد (حوالي 0.005%)، مما يؤدي إلى تكوين مواد نانوية في بنيته المجهرية، ويتميز بخصائص مثل اللدونة الفائقة والصلابة العالية عند الصدم. تشير الأدلة الأثرية والأدبية باللغة التاميلية إلى أن عملية التصنيع هذه كانت موجودة بالفعل في جنوب الهند قبل الميلاد، حيث صُدِّر فولاذ ووتز من سلالة تشيرا ، وسُمِّي بالحديد السيريكي في روما، ثم عُرف لاحقًا باسم فولاذ دمشق في أوروبا. حددت أبحاث إعادة الإنتاج التي أجراها البروفيسور جيه دي فيرهوفن وآل بيندراي دور الشوائب الموجودة في الخام المحلي في تكوين الكربيدات، ودور دورات التسخين والتبريد المتكررة للشفرات في تكوين النمط، وقد أعادا إنتاج شفرات فولاذ ووتز بأنماط متطابقة مجهريًا وبصريًا مع أنماط الشفرات القديمة. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

يصف كتاب "دي ري ميتاليكا" (De re metallica ) لجورج أغريكولا ، والذي يعود تاريخه إلى القرن السادس عشر ، العمليات المتطورة والمعقدة لتعدين خامات المعادن واستخراجها وعلم المعادن في ذلك الوقت. وقد وُصف أغريكولا بأنه "أبو علم المعادن". ^{[ 29 ]}

علم استخلاص المعادن هو عملية إزالة المعادن الثمينة من الخام وتكريرها إلى شكل أنقى. ولتحويل أكسيد أو كبريتيد المعدن إلى معدن أنقى، يجب اختزال الخام فيزيائيًا أو كيميائيًا أو كهربائيًا. يهتم علماء استخلاص المعادن بثلاثة تيارات رئيسية: الخام، والمركز (أكسيد/كبريتيد المعدن)، والمخلفات .

بعد التعدين، تُكسر قطع الخام الكبيرة عن طريق التكسير أو الطحن للحصول على جزيئات صغيرة، حيث تكون كل جزيئة إما ذات قيمة عالية أو ذات نفايات. ويُمكّن تركيز الجزيئات ذات القيمة في شكل يسمح بفصل المعدن المطلوب من استخلاصه من النفايات.

قد لا يكون التعدين ضروريًا إذا كانت بنية الخام والبيئة المحيطة به مواتية لعملية الترشيح . تعمل عملية الترشيح على إذابة المعادن في بنية الخام، مما ينتج عنه محلول غني. يُجمع هذا المحلول ويُعالج لاستخلاص المعادن الثمينة. غالبًا ما تحتوي بنى الخام على أكثر من معدن ثمين واحد.

يمكن استخدام مخلفات عملية سابقة كمادة خام في عملية أخرى لاستخلاص منتج ثانوي من الخام الأصلي. بالإضافة إلى ذلك، قد يحتوي المركز على أكثر من معدن ثمين. ثم يُعالج هذا المركز لفصل المعادن الثمينة إلى مكوناتها الفردية.

بُذلت جهودٌ كبيرة لفهم نظام سبائك الحديد والكربون، الذي يشمل الفولاذ والحديد الزهر . يُستخدم الفولاذ الكربوني العادي (الذي يحتوي أساسًا على الكربون كعنصر مُسبِّك) في التطبيقات منخفضة التكلفة وعالية القوة، حيث لا يُشكِّل الوزن أو التآكل مصدر قلقٍ كبير. كما يُعدُّ الحديد الزهر، بما في ذلك الحديد المطاوع ، جزءًا من نظام الحديد والكربون. وتُستخدم سبائك الحديد والمنغنيز والكروم (فولاذ هادفيلد) أيضًا في التطبيقات غير المغناطيسية، مثل الحفر الموجه.

تشمل المعادن الهندسية الأخرى الألومنيوم والكروم والنحاس والمغنيسيوم والنيكل والتيتانيوم والزنك والسيليكون. تُستخدم هذه المعادن في الغالب على شكل سبائك، باستثناء السيليكون الذي لا يُعد معدنًا. ومن أشكالها الأخرى:

• يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ ، وخاصة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، والفولاذ المجلفن ، وسبائك النيكل ، وسبائك التيتانيوم ، أو في بعض الأحيان سبائك النحاس، حيث تكون مقاومة التآكل مهمة.
• تُستخدم سبائك الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم بشكل شائع عندما تكون هناك حاجة إلى جزء خفيف الوزن وقوي كما هو الحال في تطبيقات السيارات والفضاء.
• تُستخدم سبائك النحاس والنيكل (مثل مونيل ) في البيئات شديدة التآكل وللتطبيقات غير المغناطيسية.
• تُستخدم السبائك الفائقة القائمة على النيكل مثل إنكونيل في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل التوربينات الغازية ، والشواحن التوربينية ، وأوعية الضغط ، والمبادلات الحرارية .
• في درجات الحرارة العالية للغاية، تُستخدم سبائك أحادية البلورة لتقليل الزحف . وفي الإلكترونيات الحديثة، يُعدّ السيليكون أحادي البلورة عالي النقاء ضروريًا لترانزستورات أكسيد السيليكون المعدني (MOS) والدوائر المتكاملة .

في هندسة الإنتاج ، يهتم علم المعادن بإنتاج المكونات المعدنية المستخدمة في المنتجات الاستهلاكية أو الهندسية. ويشمل ذلك إنتاج السبائك، والتشكيل، والمعالجة الحرارية، ومعالجة سطح المنتج. وتتمثل مهمة مهندس المعادن في تحقيق التوازن بين خصائص المواد، مثل التكلفة، والوزن، والقوة، والمتانة، والصلابة، ومقاومة التآكل، ومقاومة الإجهاد، والأداء في درجات الحرارة القصوى. ولتحقيق هذا الهدف، يجب مراعاة بيئة التشغيل بعناية.

يُعد اختبار الصلابة (باستخدام مقاييس مثل روكويل وفيكرز وبرينل) ممارسة شائعة لتحديد مرونة المعادن وليونتها ^{[ 30 ]} . في بيئة المياه المالحة، تتآكل معظم المعادن الحديدية وبعض السبائك غير الحديدية بسرعة. قد تخضع المعادن المعرضة لظروف باردة أو شديدة البرودة لتحول من الليونة إلى الهشاشة، فتفقد صلابتها وتصبح أكثر هشاشة وعرضة للتشقق. كما قد تعاني المعادن المعرضة لأحمال دورية مستمرة من إجهاد المعدن . وقد تتعرض المعادن المعرضة لإجهاد مستمر في درجات حرارة مرتفعة للزحف.

عمليات تشكيل المعادن

• الصب - يُصب المعدن المنصهر في قالب مُشكّل. تشمل أنواع الصب: الصب الرملي ، والصب الاستثماري (المعروف أيضًا بعملية الشمع المفقود)، والصب بالقوالب ، والصب بالطرد المركزي (الرأسي والأفقي)، والصب المستمر. لكل نوع من هذه الأنواع مزايا خاصة بمعادن وتطبيقات معينة، مع مراعاة عوامل مثل المغناطيسية والتآكل. ^{[ 31 ]}
• التشكيل بالدق - يتم طرق قطعة معدنية ساخنة جداً لتشكيلها.
• الدرفلة - يتم تمرير قطعة من المعدن الخام عبر بكرات أضيق تدريجياً لإنشاء صفيحة.
• البثق - يتم دفع معدن ساخن وقابل للطرق تحت ضغط من خلال قالب، مما يؤدي إلى تشكيله قبل أن يبرد.
• عمليات التشغيل الآلي – تقوم المخارط وآلات التفريز والمثاقب بقطع المعدن البارد لتشكيله.
• التلبيد - يتم تسخين مسحوق المعدن في بيئة غير مؤكسدة بعد ضغطه في قالب.
• التصنيع - يتم قطع صفائح المعدن باستخدام المقصلة أو قواطع الغاز وثنيها ولحامها لتشكيل شكل هيكلي.
• التكسية بالليزر - يُنفخ مسحوق معدني عبر شعاع ليزر متحرك (مثبت مثلاً على آلة تحكم رقمي خماسية المحاور). يصل المعدن المنصهر الناتج إلى الركيزة ليشكل حوض انصهار. بتحريك رأس الليزر، يُمكن تكديس المسارات وبناء قطعة ثلاثية الأبعاد.
• الطباعة ثلاثية الأبعاد - تلبيد أو صهر مسحوق معدني غير متبلور في فضاء ثلاثي الأبعاد لصنع أي جسم بالشكل المطلوب.

تُساهم عمليات التشكيل على البارد ، التي يتم فيها تغيير شكل المنتج عن طريق الدرفلة أو التصنيع أو غيرها من العمليات أثناء برودته، في زيادة قوة المنتج من خلال عملية تُسمى التصليد بالتشكيل . يُحدث التصليد بالتشكيل عيوبًا مجهرية في المعدن، مما يُقاوم أي تغييرات أخرى في شكله.

المعالجة الحرارية

يمكن معالجة المعادن حرارياً لتغيير خصائصها من حيث القوة، والليونة، والمتانة، والصلابة، ومقاومة التآكل. وتشمل عمليات المعالجة الحرارية الشائعة التلدين، والتقوية بالترسيب ، والتبريد السريع، والتطبيع: ^{[ 32 ]}

• تعمل عملية التلدين على تليين المعدن عن طريق تسخينه ثم السماح له بالتبريد ببطء شديد، مما يؤدي إلى التخلص من الإجهادات في المعدن ويجعل بنية الحبيبات كبيرة وذات حواف ناعمة بحيث عندما يتعرض المعدن للضرب أو الإجهاد فإنه ينبعج أو ربما ينحني بدلاً من أن ينكسر؛ كما أنه من الأسهل صنفرة المعدن الملدّن أو طحنه أو قطعه.
• التبريد السريع هو عملية تبريد المعدن بسرعة كبيرة بعد التسخين، وبالتالي "تجميد" جزيئات المعدن في شكل المارتنسيت الصلب للغاية، مما يجعل المعدن أكثر صلابة.
• تعمل عملية التصليد على تخفيف الإجهادات في المعدن التي نتجت عن عملية التصليد؛ فالتصليد يجعل المعدن أقل صلابة مع جعله أكثر قدرة على تحمل الصدمات دون أن ينكسر.

غالباً ما تُدمج المعالجات الميكانيكية والحرارية فيما يُعرف بالمعالجات الحرارية الميكانيكية لتحسين خصائص المواد وزيادة كفاءة معالجتها. وتُعدّ هذه العمليات شائعة في صناعة الفولاذ الخاص عالي السبائك، والسبائك الفائقة، وسبائك التيتانيوم.

تصفيح

الطلاء الكهربائي هو تقنية معالجة سطحية كيميائية. تتضمن هذه التقنية ربط طبقة رقيقة من معدن آخر، مثل الذهب أو الفضة أو الكروم أو الزنك، بسطح المنتج. ويتم ذلك باختيار محلول إلكتروليتي لمادة الطلاء، وهي المادة التي ستُطلى بها قطعة العمل (الذهب، الفضة، الزنك). يلزم وجود قطبين كهربائيين من مادتين مختلفتين: أحدهما من نفس مادة الطلاء، والآخر يستقبل مادة الطلاء. يُشحن القطبان كهربائيًا، فتلتصق مادة الطلاء بقطعة العمل. تُستخدم هذه التقنية للحد من التآكل وتحسين المظهر الجمالي للمنتج. كما تُستخدم أيضًا لجعل المعادن الرخيصة تبدو كالمعادن الأغلى ثمنًا (الذهب، الفضة). ^{[ 33 ]}

يدرس علماء المعادن البنية المجهرية والعيانية للمعادن باستخدام علم المعادن ، وهي تقنية اخترعها هنري كليفتون سوربي .

في علم المعادن، تُصقل سبيكة معينة حتى تصبح ناعمة كالمرآة. بعد ذلك، يمكن حفر العينة للكشف عن بنيتها المجهرية والكلية. ثم تُفحص العينة باستخدام مجهر ضوئي أو إلكتروني ، ويُظهر تباين الصورة تفاصيل التركيب والخواص الميكانيكية وتاريخ المعالجة.

يُعد علم البلورات ، الذي يعتمد غالبًا على حيود الأشعة السينية أو الإلكترونات، أداةً قيّمةً أخرى متاحةً لعالم المعادن الحديث. يسمح علم البلورات بتحديد المواد المجهولة ويكشف عن البنية البلورية للعينة. ويمكن استخدام علم البلورات الكمي لحساب كمية الأطوار الموجودة، بالإضافة إلى درجة الإجهاد التي تعرضت لها العينة.

تقنيات التوصيف المتقدمة الحالية، والتي تستخدم بشكل متكرر في هذا المجال هي: المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، وحيود الإلكترون الخلفي (EBSD)، والتصوير المقطعي بمسبار الذرة (APT).