פלדה

פלדה היא סגסוגת שמורכבת בעיקר מברזל וכוללת כמות קטנה של פחמן (0.04%, 2.25%). סגסוגת היא תערובת של שני יסודות או יותר. לשיפור התכונות מוסיפים לפלדה לעיתים יסודות נוספים, למשל צורן, מנגן, כרום וניקל. שינוי כמות התוספים משנה תכונות כמו קשיות, גמישות, עמידות לחדירה ועמידות בפני חלודה וחום. אלה הסיבות שפלדה נפוצה במכוניות, גשרים, מסמרים, קפיצים, סכינים, כלי מטבח ובטון מזוין.

אחד מסוגי הפלדה הנפוצים הוא פלדת אל־חלד. פלדת אל־חלד מכילה לפחות 10.5% כרום, ולכן היא עמידה יחסית בפני חלודה. פלדה שאינה אל־חלד בדרך כלל זקוקה לציפוי כמו צביעה או שימון. צפיפות הפלדה כ־7.8 טון למטר מעוקב, והולכתה התרמית בסביבות 10, 20 W/mK. רוב הפלדות המסחריות הן מגנטיות או בעלות מגנטיות חלשה.

הברזל שבפלדה יכול להופיע בשתי מסגרות גבישיות עיקריות, לפי הטמפרטורה. מבנה קובייתי ממורכז גוף (BCC) הוא מבנה שבו יש אטום במרכז התא ועוד אטומים בקודקודים. מבנה קובייתי ממורכז פאה (FCC) הוא מבנה שבו יש אטומים במרכז כל פאה ובקודקודים. לפחמן וליסודות המוספים יש השפעה חזקה על המבנה הזה. שינוי בהרכב ובחימום/קירור משנה את המיקרו־מבנה של הפלדה.

בפלדה יש גרעינים (אזורים גבישיים) וגבולות ביניהם. לעיתים הגרעינים וגבולותיהם מכילים הרכב כימי שונה. תהליכים תרמיים כמו חימום וחיסום (קירור מהיר שנקרא קוּורינג) משנים את גודל הגרעינים וצורתם. קצב הקירור משפיע על היווצרות פאזה קשה הנקראת מרטנזיט, או על פאזות אחרות אם הקירור איטי. דיאגרמות TTT (Time‑Temperature‑Transformation) מראות איך הטמפרטורה וזמן הקירור משפיעים על הפאזה שמתקבלת.

שינויים מבניים אלה משפיעים מאוד על תכונות החומר. תהליכים נוספים כמו הקשייה וזיקון משפרים בדרך כלל את החוזק של הפלדה.

הפחמן בפלדות יכול להגיע עד כ־2.14% ממשקל. עליית אחוז הפחמן מעלה את החוזק והקשיות, אך מפחיתה את הגמישות. לכן למשל להב עם אחוז פחמן גבוה נשאר חדה יותר, אך יכול להישבר בקלות יחסית.

המילה "פלדה" חודשה מהמילה הערבית "פולד", שפירושה עירוב ברזל עם פחמן. בתיאורים עתיקים מופיעות גם מילים דומות שמתארות כלים ברזליים מבריקים.

ייצור פלדה נעשה כבר אלפי שנים, אך שימוש תעשייתי רחב התחיל כששיטות ייצור השתפרו במאות האחרונות. המצאת כבשנים מודרניים ושיטות כמו תהליך בסמר במאה ה‑19 אפשרו הפקה המונית ואיכותית של פלדה. כיום מייצרים מיליארדי טונות בשנה; סין היתה אחראית ל‑43% מהייצור ב‑2024, והודו כ‑8%.

הייצור מתחיל בעפרת ברזל ובצרף שנכנסים לתנור. התנור מחומם ל־1,200, 1,300 מעלות צלזיוס. בסוף התהליך מקבלים ברזל יצוק וסיגים (פסולת מותכת). כדי לקבל פלדה עם פחות פחמן משתמשים בתהליכים כמו בסמר, כבשן פתוח או כבשן חשמלי.

יסודות מוספים בפלדה משפיעים על תכונותיה. דוגמה חשובה היא הפחמן: הוא מעלה חוזק וקשיות, ופוגע בגמישות.

תקנים מקיפים את תכונות הפלדה כדי להבטיח איכות. התקנים הנפוצים מגיעים מארצות הברית, גרמניה ויפן. תקן מוכר מאפשר למהנדסים וליצרנים לדעת אילו תכונות יש לנתך פלדה.

התקן האמריקאי מורכב בדרך כלל מצורת סימון שמכילה אות אחת וארבע ספרות. האות מציינת את שיטת הייצור (למשל A לסימנס־מרטין, E לתנור חשמלי). הספרות מייצגות את סוג הפלדה או משפחתה. עבור פלדות מסוימות מצורפות תוספות המקצרות תהליכים כמו CR לגלגול קר.

טיפול תרמי נועד לשנות את המבנה הגבישי של הפלדה מבלי לשנות את צורתה. טיפולים כאלה משמשים לשיפור חוזק, קשיות וגמישות לפי הצורך.

פלדה היא חומר שמורכב ברובו מברזל וקטנה ממנו כמות של פחמן. פחמן הוא יסוד כימי. הפלדה חזקה וגמישה. לכן משתמשים בה במכוניות ובגשרים.

יש פלדת אל־חלד. זו פלדה עם הרבה כרום. כרום הוא יסוד כימי. פלדת אל־חלד לא מחלידה בקלות.

פלדה מיוצרת בתנורים חמים מאוד. מחממים עד מעל אלף מעלות. יוצא ברזל יצוק וסיגים. כדי להפוך לברזל לפלדה מורידים את כמות הפחמן.

הברזל בתוך הפלדה מסודר במבנים שונים כמו תאים של גביש. בטמפרטורות שונות הבסיס משתנה. קירור מהיר עושה פלדה קשה. קירור איטי עושה פלדה רכה יותר.

אנשים עשו פלדה כבר מזמן. בעידן המודרני השתמשו בתהליכים מתקדמים מהמאה ה‑19. היום מייצרים הרבה פלדה בכל העולם. ב‑2024 סין ייצרה כמעט חצי מהפלדה.

יש חוקים שמגדירים איך לפלח פלדה. החוקים עוזרים לדעת מה החוזק והעמידות של הפלדה.

טיפול תרמי אומר לחמם ולקרר את הפלדה. כך משפרים את החוזק והקשיות שלה.