על חרבות וחומרים מרוכבים
20/06/2017
יוצא לנו לשמוע הרבה פעמים "על כל מאמר שיוצא - יוצא מאמר שאומר ההיפך", אז החלטנו לתת לכם הצצה אל מאחורי הקלעים של מה באמת קורה כשמדענים לא מסכימים ביניהם, איך מתנהל דיון מבוסס עובדות, ואיך חרבות קשורות לכל זה.
אמ;לק: פלדה היא לא חומר מרוכב, אבל מתנהגת כמו אחד, וגם פרופסורים לפעמים צריכים רענון בחומר של תואר ראשון.
למחלקה החדשה שלי הגיע אורח, פרופסור מיפן. בשיחת מסדרון על כוס קפה, תהה מארחו הרשמי, חצי בצחוק, מדוע לא הביא לו האורח קטאנה (חרב סמוראים) כמתנה.
"מה לך ולחרב סמוראים?" תהיתי.
"זה הנשק הקר המושלם, ודוגמה נפלאה ליכולותיו של סיגסוג מוצלח". הוא השיב בגאווה.
טוב, הוא צריך לדעת. בתור מטלורג (Metallurgist) – חוקר מתכות, ועוד אחד שמתמחה בפני שטח, הוא מבין בדיוק את היתרונות שיכולים להתקבל משילוב מתכות שונות לחומר אחד: תהליך שנקרא "סיגסוג" ותוצאתו נקראת "סגסוגת" או "נתך", ואת כל הדברים שיכולים להשתבש בדרך. קטאנה, שעשויה מפלדה בתהליכים מסובכים של חישול, חיסום וליטוש, היא בו-זמנית חדה מאוד, חזקה מאוד, וגמישה דיה לא להישבר מעוצמת המפגש. באמת נשק אגדי.
"פלדה היא לא סגסוגת" תיקנתי אותו, "היא חומר מרוכב. לפי ההיגיון הזה, הקטאנה צריכה להיות שלי."
"אני לא מבין איך את יכולה לקרוא לפלדה חומר מרוכב." הוא אמר.
"הנה, תראה:" השבתי. "שתי פאזות שונות, ושלם שגדול מסך כל חלקיו." שלחתי לו בנוסף שני מאמרים שמספרים על המבנה המיקרוסקופי שנתן לפלדה דמשקאית את תכונותיה האגדיות. [1,2]
במדע החומרים, "פאזה" היא חומר יציב מבחינה תרמודינמית, שכל תכונותיו אחידות: אותו מבנה מרחבי, אותה דרגת קושי, אותו קיבול חום וכולי. לא כל חומר הוא יציב מבחינה תרמודינמית – יש חומרים שאם ניתן להם מספיק זמן, הם יתארגנו מחדש לחומר יציב יותר. פלדות – שילוב של ברזל ופחמן, לרוב מכילות די הרבה חומרים לא יציבים. אבל אם החומר לא יציב – זו לא באמת "פאזה". "חומר מרוכב" יכלול לפחות שתי פאזות שונות, במטרה לשלב תכונות מסוימות של פאזה אחת עם תכונות של הפאזה האחרת וליצור חומר שלישי שמתאים יותר משתיהן למטרה. הזכרנו "פיברגלאס" כדוגמה לחומר מרוכב בפוסט קודם [ראו מקורות]. מה שרואים במאמרים [1,2] הם מקלות קשיחים בקוטר נאנומטרי של ברזל פחמתי במבנה שנקרא "צמנטיט" (פאזה אחת) מוקפים בברזל פחמתי במבנה אחר, שנקרא "פריט" – (Ferrite, מלשון "ברזל". פאזה שניה, עם הרבה פחות פחמן) [3].
הייתי בטוחה שזה טיעון מנצח.
"אבל זו לא ההגדרה של חומר מרוכב," הוא ענה. "בהגדרתו, חומר מרוכב הוא מעשה ידי אדם. שתי הפאזות בפלדה הן תוצאה של עיבוד שונה. זה לא שהכנסת בכוונה את המוטות לתוך המטריצה (החומר הרציף שמקיף אותם). וחוץ מזה – פלדה דמשקאית היא לא פלדה יפנית. אלה לא אותן שיטות עיבוד." הוא צודק - זו אפילו לא אותה טמפרטורה.
"חומר מרוכב הוא מעשה ידי אדם?" התפלצתי, "הרגע טענת שאין חומרים מרוכבים בטבע. עץ הוא לא חומר מרוכב? צדף? עצם? שנהב? אפילו קורי עכביש, למרות ששתי הפאזות בנויות מחלבונים! [4]"
"טוב," הוא אמר, "אולי זו הגדרה קצת מיושנת. אבל פלדה לא דומה לדוגמאות שהזכרת. שתי הפאזות בפלדה מתבדלות אחת מתוך השניה בתהליכים תרמוכימיים: אם תשני את הלחץ, או את הטמפרטורה - מה שבאמת עושים לפלדה בטיפולים תרמיים לפני שהיא מוכנה לשימוש - את יכולה ליצור מצב שבו "איים" של פאזה אחת יווצרו באופן ספונטני בתוך הפאזה האחרת שעד אז היתה אחידה. אי אפשר לייצר ככה חומר מרוכב. את חייבת ממש לערבב חומר אחד לתוך השני."
"אז אם הבנתי נכון", ניסיתי לסכם, "הסיבה לכך שפלדה היא לא חומר מרוכב היא שאפשר להפוך פאזה אחת לשניה בשינוי תנאי סביבה. למעשה, שינוי התנאים הוא זה שיקבע את התכונות, ואותו חומר יהפוך פריך אחרי טיפול בטמפרטורה אחת, או קשה וגמיש אחרי טיפול בטמפרטורה אחרת. בחומר מרוכב באמת התכונות נקבעות לפי ההרכב: עצמות לא הופכות שבירות כי טמפרטורת הגוף עולה, הן הופכות שבירות כי חסר בהן סידן."
השורה התחתונה של הדיון, לפחות כמו שחשבתי עד לפני שבועיים, היא שפלדה היא סגסוגת, ואני צריכה לחזור על קורס "מבוא לחומרים" שהוא מעביר. לאור העובדה שלקחתי את הקורס בפעם האחרונה לפני יותר מעשור, ייתכן שבאמת לא יזיק לי רענון.
אבל באמצע הסמסטר, כשהגענו לשיעור "דיאגרמת פאזות של פלדה" שבו מסבירים איך משפיעים הטמפרטורה, הלחץ וריכוז הפחמן על המבנה המרחבי של ברזל-פחמתי, הוא הציג תמונה מוכרת, ופירט שפלדה היא "כאילו מרוכב."
אז אולי שנינו למדנו משהו.
רוצים לשמוע עוד? ד"ר נעה לכמן מדברת בפרק #94 של Geekonomy - גיקונומי - הפודקאסט על השיחה, על איך באמת בנויים "נאנו-רובוטים", ועל הקריטריונים לפיהם נמדד מדען טוב (קישור בתגובה הראשונה!)
לקריאה נוספת:
1. Cryst. Res. Technol. 40, No. 9, 905 – 916 (2005)
2. Journal of Alloys and Compounds 372 (2004) L15–L19
איך מכינים חרב סמוראים
איך מכינים פלדה דמשקאית
ד"ר נעה לכמן מספרת על עבודתה
אמ;לק: פלדה היא לא חומר מרוכב, אבל מתנהגת כמו אחד, וגם פרופסורים לפעמים צריכים רענון בחומר של תואר ראשון.
למחלקה החדשה שלי הגיע אורח, פרופסור מיפן. בשיחת מסדרון על כוס קפה, תהה מארחו הרשמי, חצי בצחוק, מדוע לא הביא לו האורח קטאנה (חרב סמוראים) כמתנה.
"מה לך ולחרב סמוראים?" תהיתי.
"זה הנשק הקר המושלם, ודוגמה נפלאה ליכולותיו של סיגסוג מוצלח". הוא השיב בגאווה.
טוב, הוא צריך לדעת. בתור מטלורג (Metallurgist) – חוקר מתכות, ועוד אחד שמתמחה בפני שטח, הוא מבין בדיוק את היתרונות שיכולים להתקבל משילוב מתכות שונות לחומר אחד: תהליך שנקרא "סיגסוג" ותוצאתו נקראת "סגסוגת" או "נתך", ואת כל הדברים שיכולים להשתבש בדרך. קטאנה, שעשויה מפלדה בתהליכים מסובכים של חישול, חיסום וליטוש, היא בו-זמנית חדה מאוד, חזקה מאוד, וגמישה דיה לא להישבר מעוצמת המפגש. באמת נשק אגדי.
"פלדה היא לא סגסוגת" תיקנתי אותו, "היא חומר מרוכב. לפי ההיגיון הזה, הקטאנה צריכה להיות שלי."
"אני לא מבין איך את יכולה לקרוא לפלדה חומר מרוכב." הוא אמר.
"הנה, תראה:" השבתי. "שתי פאזות שונות, ושלם שגדול מסך כל חלקיו." שלחתי לו בנוסף שני מאמרים שמספרים על המבנה המיקרוסקופי שנתן לפלדה דמשקאית את תכונותיה האגדיות. [1,2]
במדע החומרים, "פאזה" היא חומר יציב מבחינה תרמודינמית, שכל תכונותיו אחידות: אותו מבנה מרחבי, אותה דרגת קושי, אותו קיבול חום וכולי. לא כל חומר הוא יציב מבחינה תרמודינמית – יש חומרים שאם ניתן להם מספיק זמן, הם יתארגנו מחדש לחומר יציב יותר. פלדות – שילוב של ברזל ופחמן, לרוב מכילות די הרבה חומרים לא יציבים. אבל אם החומר לא יציב – זו לא באמת "פאזה". "חומר מרוכב" יכלול לפחות שתי פאזות שונות, במטרה לשלב תכונות מסוימות של פאזה אחת עם תכונות של הפאזה האחרת וליצור חומר שלישי שמתאים יותר משתיהן למטרה. הזכרנו "פיברגלאס" כדוגמה לחומר מרוכב בפוסט קודם [ראו מקורות]. מה שרואים במאמרים [1,2] הם מקלות קשיחים בקוטר נאנומטרי של ברזל פחמתי במבנה שנקרא "צמנטיט" (פאזה אחת) מוקפים בברזל פחמתי במבנה אחר, שנקרא "פריט" – (Ferrite, מלשון "ברזל". פאזה שניה, עם הרבה פחות פחמן) [3].
הייתי בטוחה שזה טיעון מנצח.
"אבל זו לא ההגדרה של חומר מרוכב," הוא ענה. "בהגדרתו, חומר מרוכב הוא מעשה ידי אדם. שתי הפאזות בפלדה הן תוצאה של עיבוד שונה. זה לא שהכנסת בכוונה את המוטות לתוך המטריצה (החומר הרציף שמקיף אותם). וחוץ מזה – פלדה דמשקאית היא לא פלדה יפנית. אלה לא אותן שיטות עיבוד." הוא צודק - זו אפילו לא אותה טמפרטורה.
"חומר מרוכב הוא מעשה ידי אדם?" התפלצתי, "הרגע טענת שאין חומרים מרוכבים בטבע. עץ הוא לא חומר מרוכב? צדף? עצם? שנהב? אפילו קורי עכביש, למרות ששתי הפאזות בנויות מחלבונים! [4]"
"טוב," הוא אמר, "אולי זו הגדרה קצת מיושנת. אבל פלדה לא דומה לדוגמאות שהזכרת. שתי הפאזות בפלדה מתבדלות אחת מתוך השניה בתהליכים תרמוכימיים: אם תשני את הלחץ, או את הטמפרטורה - מה שבאמת עושים לפלדה בטיפולים תרמיים לפני שהיא מוכנה לשימוש - את יכולה ליצור מצב שבו "איים" של פאזה אחת יווצרו באופן ספונטני בתוך הפאזה האחרת שעד אז היתה אחידה. אי אפשר לייצר ככה חומר מרוכב. את חייבת ממש לערבב חומר אחד לתוך השני."
"אז אם הבנתי נכון", ניסיתי לסכם, "הסיבה לכך שפלדה היא לא חומר מרוכב היא שאפשר להפוך פאזה אחת לשניה בשינוי תנאי סביבה. למעשה, שינוי התנאים הוא זה שיקבע את התכונות, ואותו חומר יהפוך פריך אחרי טיפול בטמפרטורה אחת, או קשה וגמיש אחרי טיפול בטמפרטורה אחרת. בחומר מרוכב באמת התכונות נקבעות לפי ההרכב: עצמות לא הופכות שבירות כי טמפרטורת הגוף עולה, הן הופכות שבירות כי חסר בהן סידן."
השורה התחתונה של הדיון, לפחות כמו שחשבתי עד לפני שבועיים, היא שפלדה היא סגסוגת, ואני צריכה לחזור על קורס "מבוא לחומרים" שהוא מעביר. לאור העובדה שלקחתי את הקורס בפעם האחרונה לפני יותר מעשור, ייתכן שבאמת לא יזיק לי רענון.
אבל באמצע הסמסטר, כשהגענו לשיעור "דיאגרמת פאזות של פלדה" שבו מסבירים איך משפיעים הטמפרטורה, הלחץ וריכוז הפחמן על המבנה המרחבי של ברזל-פחמתי, הוא הציג תמונה מוכרת, ופירט שפלדה היא "כאילו מרוכב."
אז אולי שנינו למדנו משהו.
רוצים לשמוע עוד? ד"ר נעה לכמן מדברת בפרק #94 של Geekonomy - גיקונומי - הפודקאסט על השיחה, על איך באמת בנויים "נאנו-רובוטים", ועל הקריטריונים לפיהם נמדד מדען טוב (קישור בתגובה הראשונה!)
לקריאה נוספת:
1. Cryst. Res. Technol. 40, No. 9, 905 – 916 (2005)
2. Journal of Alloys and Compounds 372 (2004) L15–L19
איך מכינים חרב סמוראים
איך מכינים פלדה דמשקאית
ד"ר נעה לכמן מספרת על עבודתה
חברה בוועד המנהל של העמותה. חברת סגל במחלקה למדע והנדסה של חומרים באוניברסיטת תל אביב. מחקרה של נעה מתמקד במדידת תכונותיהם המכניות והחשמליות של חומרים מרוכבים, בדגש על ננו-צינוריות פחמן.
