علم الفلزات

(تم التحويل من Metallurgy)
وليد خليفة
ساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال
عمال صهر الذهب في سيونا، نيكاراگوا في أواخر القرن العشرين.
السبك، عملية صب الفلز المنصهر في قالب.

علم الفلزات أو الميتالورجيا (Metallurgy)، هو أحد مجالات علم وهندسة المواد الذي يدرس السلوك الفيزيائي والكيميائي للعناصر الفلزية، المركبات بين الفلزية، ومخاليطها، والتي تُعرف بالسبائك.

يشمل علم الفلزات علم وتكنولوجيا الفلزات، بما في ذلك إنتاجها وهندسة المكونات الفلزية المستخدمة في المنتجات لكل من المستهلكين والمصنعين. يختلف علم الفلزات عن حرفة تشغيل الفلزات (يُعرف بتشغيل المعادن) من خلال تزويدها بأساس علمي، مثلما تدعم العلوم الطبية ممارسة الطب. يُعرف الممارس المتخصص في علم الفلزات بأنه بعالم الفلزات.

وينقسم علم الفلزات أيضاً إلى فئتين رئيسيتين: علم الفلزات الكيميائي وعلم الفلزات الفيزيائي. يهتم علم الفلزات الكيميائي بشكل أساسي باختزال وأكسدة الفلزات والأداء الكيميائي للفلزات. تشمل موضوعات الدراسة في علم الفلزات الكيميائي معالجة الفلزات، استخراج الفلزات، الديناميكا الحرارية، الكيمياء الكهربية، والتحلل الكيميائي (التآكل).[1] في المقابل، يركز علم الفلزات الفيزيائي على الخواص الميكانيكية للفلزات، الخواص الفيزيائية للفلزات، والأداء الفيزيائي للفلزات. المواضيع التي تُدرس في علم الفلزات الفيزيائي تشمل علم البلورات، توصيف المواد، علم الفلزات الميكانيكي، التحولات الطورية، وآليات الفشل.[2]

تاريخياً، ركز علم الفلزات في الغالب على إنتاج الفلزات. يبدأ إنتاج الفلزات بمعالجة الخامات لاستخراج الفلز، ويشمل خليط الفلزات لصنع السبائك. غالبًا ما تكون السبائك الفلزية عبارة عن مزيج من عنصرين فلزيين أو أكثر. ومع ذلك، غالباً ما تُضاف العناصر غير الفلزية إلى السبائك لتحقيق خصائص مناسبة للتطبيق. تنقسم دراسة إنتاج الفلزات إلى علم الفلزات الحديدية (المعروف أيضاً "بعلم الفلزات السوداء") والفلزات غير الحديدية، المعروف أيضاً بعلم الفلزات الملونة.

يتضمن علم الفلزات الحديدية عمليات وسبائك تعتمد على الحديد، في حين يتضمن علم الفلزات غير الحديدية عمليات وسبائك تعتمد على فلزات أخرى. ويمثل إنتاج الفلزات الحديدية 95% من إنتاج الفلزات في العالم.[3]

يعمل علماء الفلزات المعاصرون في كل من المجالات الناشئة والتقليدية كجزء من فريق متعدد التخصصات إلى جانب علماء المواد والمهندسين الآخرين. تشمل بعض المجالات التقليدية معالجة الفلزات، إنتاج الفلزات، المعالجة الحرارية، تحليل الفشل، وربط الفلزات (بما في ذلك اللحام، التنحيس، و القصدرة). تشمل المجالات الناشئة لعلماء الفلزات تكنولوجيا النانو، الموصلات الفائقة، المواد المركبة، المواد الطبية الحيوية، المواد الإلكترونية (أشباه الموصلات) وهندسة السطوح.

التاريخ

انظر أيضاً: خيمياء, العصر النحاسي, العصر النحاسي, تاريخ علم الفلزات الحديدية, التعدين وعلم الفلزات في أوروپا العصور الوسطى, علم الفلزات في أمريكا ما قبل كولمبس, علم الفلزات في وسط أمريكا ما قبل كولمبس, تعدين النحاس في أفريقيا, تعدين الحديد في أفريقيا, تاريخ علم الفلزات في شبه القارة الهندية, and علم استخلاص الفلزات الغير حديدية
القطع الأثرية من جبانة ڤارنا في بلغاريا المعاصرة.
مناطق التعدين في الشرق الأوسط القديم: الزرنيخ (باللون البني)، النحاس (باللون الأحمر)، القصدير (باللون الرمادي)، الحديد (باللون البني المحمر)، الذهب (باللون الأصفر)، الفضة (باللون الأبيض)، الرصاص (باللون الأسود)، البرونز الزرنيخي (باللون الأصفر)، والبرونز القصديري (باللون الرمادي).

يعدُّ علم الفلزات واحداً من أهم العلوم الحديثة في الجيولوجيا، إلا أن ممارسة الإنسان لهذا العلم بدأت مع وجوده على الأرض ومحاولته تعرف محيطه الخارجي والبحث عن أنواع خاصة من الحجارة مناسبة لاستعمالاته اليومية ولصنع أدواته وسلاحه. فقد استخدم إنسان الكهوف أكاسيد الحديد والمنگنيز في رسومه الجدارية، كما عَرف المصريون القدامى عدداً من الفلزات التي تنوعت استخداماتها لديهم في التلوين والحلي واستحصال المعادن.[4]

يبدو أن أقدم فلز استخدمه البشر هو الذهب، والذي كان متواجداً "بشكل طبيعي". عُثر على كميات صغيرة من الذهب الطبيعي، يعود تاريخها إلى أواخر فترة العصر الحجري القديم، 40.000 ق.م، في الكهوف الإسپانية.[5] يمكن أيضاً العثور على الفضة والنحاس والقصدير والحديد النيزكي في شكلها الأصلي، مما سمح بقدر محدود من تشغيل الفلزات في الثقافات المبكرة.[6] تم توثيق علم الفلزات البارد المبكر، باستخدام النحاس الأصلي الذي لم يُصهر من الخام، في مواقع بالأناضول وفي موقع تل المغزالية بالعراق، والتي يعود تاريخها إلى الألفية السابعة ~ السادسة ق.م.[7][8][9]

عُثر على أقدم دعم أثري للصهر (علم الفلزات الساخن) في أوراسيا بالبلقان والجبال الكرپاتية، كما يتضح من اكتشافات الأشياء المصنوعة عن طريق صب الفلزات وصهرها والتي يعود تاريخها إلى حوالي 6.200 ~ 5.000 ق.م، مع اختراع تعدين النحاس.[10][11][8][9] يمكن استخلاص فلزات معينة، مثل القصدير والرصاص والنحاس من خاماتها ببساطة عن طريق تسخين الصخور في نار بدرجة حرارة معتدلة نسبياً أو فرن لافح في عملية تعرف باسم "الصهر". أول دليل على صهر النحاس يعود تاريخه إلى الألفية السادسة ق.م[12]}} والذي عُثر عليه في المواقع الأثرية في ميدان‌پك، يارموڤاتش، وپلوتشنيك، في صربيا المعاصرة.[13][8] عُثر في موقع پلوتشنيك على فأساً من النحاس المصهور يعود تاريخه إلى 5.500 ق.م، وينتمي إلى ثقافة ڤينچا.[14]

كانت البلقان ومنطقة الكرپاتي المجاورة موقعاً لثقافات العصر النحاسي بما في ذلك ڤينچا، ڤارنا، كارانوڤو، گوملنيتا وهامانگيا، والتي غالباً ما تُجمع معاً تحت اسم 'أوروپا القديمة'.[15] مع وصف منطقة الكرپات-البلقان بأنها 'أقدم مقاطعة تعدينية في أوراسيا'،[9][11] لقد فاق حجم وجودة إنتاج الفلزات التقنية في الألفية السادسة ~ الخامسة ق.م. أي مركز إنتاج معاصر آخر.[9][16][أ][ب]

يعود أقدم استخدام موثق للرصاص (ربما الخام أو المصهور) في الشرق الأدنى إلى الألفية السادسة ق.م، وذلك في مستوطنات ياريم تپه وأرپاتشيا في العراق خلال أواخر العصر الحجري الحديث. وتشير القطع الأثرية إلى أن صهر الرصاص ربما سبق صهر النحاس.[17] كما أُكتشف تعدين الرصاص في منطقة البلقان خلال نفس الفترة.[8]

تم توثيق صهر النحاس في مواقع بالأناضول وفي موقع تل إبليس في جنوب شرق إيران من حوالي عام 5000 ق.م.[7] كما توثيق صهر النحاس لأول مرة في منطقة الدلتا بشمال مصر حوالي عام 4000 ق.م، وذلك في سياق ثقافة المعادي. ويمثل هذا أقدم دليل على صهر النحاس في أفريقيا.[18][ت] }}

تقع جبانة ڤارنا في بلغاريا، وهي موقع دفن يقع في المنطقة الصناعية الغربية لمدينة ڤارنا، على بُعد حوالي 4 كم من مركز المدينة، وتُعتبر دولياً أحد أهم المواقع الأثرية في عصور ما قبل التاريخ. وقد اكتُشف في ڤارنا أقدم كنز ذهبي في العالم، والذي يعود تاريخه إلى الفترة ما بين 4600 و4200 ق.م.[19] تُعد قطعة الذهب التي يعود تاريخها إلى عام 4500 ق.م، والتي عُثر عليها عام 2019 في دورانكولاك، بالقرب من ڤارنا، مثالاً هاماً آخر.[20][21] عُثر على دلائل أخرى على وجود فلزات قديمة تعود إلى الألفية الثالثة ق.م. في پالملا بالپرتغال، لوس ميارس بإسپانيا، وستون‌هنج بالمملكة المتحدة. مع ذلك، لم تُحدد بداياتها بدقة، ولا تزال الاكتشافات الجديدة مستمرة.

في حوالي عام 1900 ق.م، كانت هناك مواقع قديمة لصهر الحديد في تاميل نادو.[22][23]

في الشرق الأدنى، حوالي عام 3500 ق.م، أُكتشفت إمكانية صنع فلز البرونز عالي الجودة من خلال دمج النحاس والقصدير. وقد مثّل هذا تحولاً تقنياً هاماً عُرف باسم العصر البرونزي.

يُعدّ استخلاص الحديد من خاماته وتحويله إلى فلز قابل للتشكيل أصعب بكثير من استخلاصه من النحاس أو القصدير. ويبدو أن الحيثيين قد ابتكروا هذه العملية حوالي عام 1200 ق.م، مع بداية العصر الحديدي. وكانت القدرة على استخلاص الحديد وتشكيله عاملاً أساسياً في نجاح الفلستينيين.[24][25]

يمكن العثور على تطورات تاريخية في علم الفلزات الحديدية ضمن مجموعة واسعة من الثقافات والحضارات القديمة. ويشمل ذلك الممالك والإمبراطوريات القديمة والوسيطة في الشرق الأوسط والشرق الأدنى، إيران القديمة، مصر القديمة، النوبة القديمة، الأناضول في تركيا المعاصرة، ثقافة نوك القديمة، قرطاج، الكلت، اليونانيين والرومان في أوروپا القديمة، أوروپا العصور الوسطى، الصين القديمة والوسيطة، الهند القديمة والوسيطة، اليابان القديمة والوسيطة، وغيرها.

طُوِّرَت عملية ووتز في شبه القارة الهندية منذ عام 300 ق.م، وبحلول عام 200 ق.م، كان يُنتَج صلب عالي الجودة في جنوب الهند، باستخدام ما أطلق عليه الأوروپيون لاحقاً تقنية البوتقة. يُعرف صلب گولكوندا، أو صلب ووتز، بأنه صلب فائق الكربون، يحتوي على نسبة طبيعية من الڤناديوم المُكوِّن للكربيد (حوالي 0.005%)، مما يؤدي إلى تكوين مواد نانوية في بنيته المجهرية، ويتميز بخصائص مثل اللدونة الفائقة والصلادة العالية عند الاصطدام.

تشير الأدلة الأثرية وأدبيات اللغة التاميلية إلى أن عملية التصنيع هذه كانت موجودة بالفعل في جنوب الهند قبل الميلاد، حيث صُدِّر صلب ووتز من أسرة تشـِرا، وكان يُعرف بالحديد السـِريكي في روما، ثم عُرف لاحقاً بالصلب الدمشقي في أوروپا. وقد حددت أبحاث إعادة الإنتاج التي أجراها البروفيسور ج. د. فرهوفن وآل پندراي دور الشوائب الموجودة في الخام المحلي في تكوين الكربيدات، ودور دورات التسخين والتبريد المتكررة للشفرات في تكوين النقوش، وتمت إعادة إنتاج شفرات صلب ووتز بنقوش متطابقة مجهرياً وبصرياً مع نقوش الشفرات القديمة.[26][27][28]

يصف كتاب ده ره متاليكا الذي ألفه جورجيوس أگريكولا في القرن السادس عشر، العمليات المتطورة والمعقدة لتعدين خامات الفلزات واستخراجها وعلم الفلزات في ذلك الوقت. وقد وُصف أگريكولا بأنه "أبو علم الفلزات".[29]

الخصائص الكيميائية

نماذج من أطواق التناسق: أ- تناسق ثلاثي ب - تناسق رباعي جـ - تناسق سداسي د - تناسق ثماني هـ - تناسق اثنا عشري
البنية الذرية لملح الطعام halite (NaCl) (إلى اليمين) وللفلوريت fluorite (CaF2) (إلى اليسار)

تعتمد الدراسات الكيميائية للفلزات على مبادئ عامة، مرتبطة بتركيبها الكيميائي وعلاقته ببنيتها الذرية والإيونية، وبقوى الترابط بين الذرات وبنصف القطر الإيوني. فعندما تترابط الإيونات لتشكل بنية بلورية، فإن كلاً منها يترتب بوضع متناسق مع ما يجاوره من إيونات متباينة معه بالشحنة الكهربائية، على نحو تتجمع الأنيونات حول كاتيون مركزي وتتوزع في رؤوس موشور هندسي يمثل الشكل البلوري، ويدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell أو يمثل جزءاً هندسياً من بنيتها. ويكون عدد الإيونات الداخلة في تركيب بنية بلورية عادة ثابتاً ومتناسباً على نحو يحقق لها الاعتدال الكهربائي، وهذا ما يسمى مبدأ التناسق coordination principle.

والمبـدأ الأساسي في نظام البنية البلورية هو أن مجموع قوى الشحنات التي تؤثر في أيون ينتظم فيها يجب أن تساوي تكافؤ هذا

  1. ^ Moore, John Jeremy; Boyce, E. A. (1990). Chemical Metallurgy. doi:10.1016/c2013-0-00969-3. ISBN 978-0408053693.
  2. ^ Raghavan, V (2015). Physical Metallurgy: Principles and Practice (3rd ed.). PHI Learning. ISBN 978-8120351707. Archived from the original on 24 June 2021. Retrieved 20 September 2020.
  3. ^ "Металлургия" Archived 18 يناير 2015 at the Wayback Machine. in The Great Soviet Encyclopedia. 1979.
  4. ^ محمد برهان عطائي. "الفلزات (علم -)". الموسوعة العربية.
  5. ^ Yannopoulos, J. C. (1991). The Extractive Metallurgy of Gold (in الإنجليزية). Boston, MA: Springer US. pp. ix. doi:10.1007/978-1-4684-8425-0. ISBN 978-1-4684-8427-4.
  6. ^ Photos, E. (2010). "The question of meteoritic versus smelted nickel-rich iron: Archaeological evidence and experimental results" (PDF). World Archaeology. 20 (3): 403–421. doi:10.1080/00438243.1989.9980081. JSTOR 124562. Archived (PDF) from the original on 22 December 2015. Retrieved 1 January 2015 – via tapuz.co.il.
  7. ^ أ ب Weeks, Lloyd (15 أغسطس 2012). "Chapter 16 Metalurgy §2 Earliest use of ores and native metals". In Potts, Daniel T. (ed.). A Companion to the Archaeology of the Ancient Near East. Blackwell Companions to the Ancient World. Vol. 1, part III. John Wiley & Sons. Ch. 16, §2, p. 296. ISBN 978-1-4443-6077-6. Retrieved 6 يوليو 2025 – via Google.
  8. ^ أ ب ت ث Radivojević, Miljana; Roberts, Benjamin W. (2021). "Early Balkan metallurgy: Origins, evolution and society, 6200–3700 BC". Journal of World Prehistory (in الإنجليزية). 34 (2): 195–278. doi:10.1007/s10963-021-09155-7. ISSN 0892-7537.
  9. ^ أ ب ت ث ج Chernykh, Evgenij (2014). "Metallurgical provinces of Eurasia in the early metal age: Problems of interrelation". ISIJ International (in الإنجليزية). 54 (5): 1002–1009. doi:10.2355/isijinternational.54.1002 – via jstage.jst.go.jp.
  10. ^ Haarmann, Harald (2014). Roots of Ancient Greek Civilization: The influence of old Europe (in الإنجليزية). Jefferson, NC: McFarland & Company, Inc. pp. 60–61. ISBN 978-0-7864-7827-9 – via Google.
  11. ^ أ ب Rosenstock, Eva; Scharl, Silviane; Schier, Wolfram (February 2016). "Ex oriente lux? – Ein Diskussionsbeitrag zur Stellung der frühen Kupfermetallurgie Südosteuropas" ['Light out of the east?' – A contribution to discussion of the situation of early copper metallurgy in southeast Europe]. In Bartelheim, Martin; Horejs, Barbara; Krauß, Raiko (eds.). Von Baden bis Troia: Ressourcennutzung, Metallurgie, und Wissenstransfer [From Baden to Troy: Resource use, metallurgy, and knowledge transfer]. Oriental and European Archaeology (in اللاتينية and الألمانية). Vol. 3. Leidorf. pp. 59–122. ISBN 978-3-86757-010-7 – via researchgate.net. eine Jubiläumsschrift für Ernst Pernicka [a jubilee publication for Ernst Pernicka]
  12. ^ Haiko, H.I.; Biletskyi, V.S. (2015). "First metals discovery and development the sacral component phenomenon". In Bondarenko, V.; Kovalevska, I.; Pivnyak, G. (eds.). Theoretical and Practical Solutions of Mineral Resources Mining. New Developments in Mining Engineering. Vol. 2015. London, UK: Balkema Books. pp. 227–233. ISBN 9781-1380-2883-8. Archived from the original on 8 December 2015 – via crcpress.com.
  13. ^ Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan (2010). "On the origins of extractive metallurgy: New evidence from Europe". Journal of Archaeological Science. 37 (11): 2775. Bibcode:2010JArSc..37.2775R. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012.
  14. ^ "Neolithic Vinca was a metallurgical culture". Stonepages (stonepages.com/news). Archaeo News. Reuters /Kathimerini. 17 November 2007. Archived from the original on 19 September 2017.
  15. ^ Anthony, David (2010). Anthony, David; Chi, Jennifer (eds.). The Lost World of Old Europe: The Danube Valley, 5000-3500 BC. Institute for the Study of the Ancient World. New York, NY: New York University. p. 29. ISBN 978-0-691-14388-0.
  16. ^ أ ب Cunliffe, Barry (2015). By Steppe, Desert and Ocean: The birth of Eurasia. Oxford University Press. p. 105. ISBN 9780199689170.
  17. ^ Weeks, Lloyd (15 أغسطس 2012). "16 Metalurgy". In Potts, D.T. (ed.). A Companion to the Archaeology of the Ancient Near East. Blackwell Companions to the Ancient World. Vol. 1, part III. Wiley. Ch. 16, pp. 302–303. ISBN 978-1444360776. Archived from the original on 21 سبتمبر 2020. Retrieved 19 مارس 2022 – via Google.
  18. ^ أ ب Chirikure, Shadreck (2015). Metals in Past Societies. SpringerBriefs in Archaeology. Springer. pp. 17, 19. doi:10.1007/978-3-319-11641-9. ISBN 978-3-319-11640-2.
  19. ^ Grande, Lance; Augustyn, Allison (2009). "Precious metals (primarily gold)". Gems and Gemstones: Timeless natural beauty of the mineral world. Field Museum of Chicago [popular publications]. McCarter, John W., Jr. (foreward); Weinstein, John (gem photography); Augustyn, Allison (contributor). Chicago, IL / London, UK: University of Chicago Press. p. 290. ISBN 978-0-226-30511-0. Archived from the original on 12 February 2020 – via Google.
  20. ^ "World's oldest gold". Archived from the original on 28 September 2019. Retrieved 28 September 2019.
  21. ^ Daley, Jason. "World's Oldest Gold Object May Have Just Been Unearthed in Bulgaria". Smithsonian Magazine. Archived from the original on 28 September 2019. Retrieved 28 September 2019.
  22. ^ "Ancient smelting in Tamil Nadu, India". Indian Express (indianexpress.com). 14 May 2022. Archived from the original on 4 October 2022. Retrieved 27 October 2023. Tamil Nadu iron use – carbon dating – cultural significance explained
  23. ^ "Ancient high-carbon steel from southern Tamil Nadu India microstructural and elemental analysis" (PDF). www.currentscience.ac.in. Archived (PDF) from the original on 20 June 2023. Retrieved 27 October 2023.
  24. ^ Keller, W. (1963). The Bible as History. Hodder and Stoughton. p. 156. ISBN 034000312X.
  25. ^ Anderson, B.W. (1975). The Living World of the Old Testament. Longman. p. 154. ISBN 0582485983.
  26. ^ Juleff, G (1996). "An ancient wind powered iron smelting technology in Sri Lanka". Nature. 379 (6560): 60–63. Bibcode:1996Natur.379...60J. doi:10.1038/379060a0. S2CID 205026185
  27. ^ "WOOTZ STEEL: AN ADVANCED MATERIAL OF THE ANCIENT WORLD". materials.iisc.ernet.in. Archived from the original on 11 February 2019. Retrieved 23 July 2008.
  28. ^ Sasisekaran, B; Raghunatha Rao, B (1999). "Technology of Iron and Steel in Kodumanal – An Ancient Industrial Centre in Tamilnadu" (PDF). Indian Journal of History & Science. 34 (4): 263–272. Archived from the original (PDF) on 23 September 2015.
  29. ^ von Zittel, K.A. (1901). History of Geology and Palaeontology – to the end of the nineteenth century. Translated by Ogilvie-Gordon, Maria M. London, UK / New York, NY: Walter Scott / Charles Scribner's Sons. p. 15. doi:10.5962/bhl.title.33301. Archived from the original on 4 March 2016. Retrieved 1 January 2015 – via 19thcenturyscience.org.


خطأ استشهاد: وسوم <ref> موجودة لمجموعة اسمها "lower-alpha"، ولكن لم يتم العثور على وسم <references group="lower-alpha"/>

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=علم_الفلزات&oldid=4327830"