روش‌های ساخت آثار فلزی تاریخی (۲): عملیات حرارتی

محمد مرتضوی

در مبحث پیشین در رابطه با روش­‌های ساخت آثار فلزی تاریخی به طور کل مطالبی عنوان شد. در این گفتار سعی بر آن است تا با بیان عملیات مختلف مکانیکی و حرارتی که فلزگر باستان در ساخت یک اثر به کار می‌گرفته است، دانش گذشتگان از متالورژی و ویژگی‌های فلزات ارائه شود.

اگرچه در بیان روش‌های ساخت آثار فلزی به دو گروه عمده چکش‌کار و ریخته‌گری اشاره شد اما بررسی آثار فلزی تاریخی بیانگر آگاهی پیشینیان از بسیاری از خواص فلزات و تغییر آن‌ها تحت شرایط حرارتی و عملیات مکانیکی است. استفاده از تلفیق روش­ چکش‌کاری و عملیات مختلف حرارتی نه تنها امکان‌ ساخت آثار بسیار متنوع را فراهم آورده است بلکه امکان ایجاد ویژگی‌های بسیار متفاوتی را در فلزات و آلیاژهای آن سبب شده است. در این مبحث به معرفی عملیات حرارتی شامل تابکاری، آبدهی و بازپخت و تأثیر هر یک بر ویژگی‌های فلز و کاربردهای مختلف آنها پرداخته شده است.

تابکاری

هنگامی که فلزات برای مدتی تحت چکش‌کاری سرد قرار گیرند، سخت و شکننده شده و امکان چکش‌کاری بیشتر وجود نخواهد داشت. به عبارتی انعطاف‌پذیری و یا شکل‌پذیری فلز کاهش می‌یابد. در این حالت گفته می‌شود که قطعه دچار «کارسختی» (work hardening) شده است. این پدیده ناشی از افزایش پیوسته معایب بلوری در اثر ادامه انجام کار سرد است. برای غلبه بر این مشکل، شیء فلزی را  حرارت داده و آهسته سرد می‌کنند. این فرایند که با عنوان «تابکاری» (annealing) شناخته می‌شود شامل گرم کردن فلز تا دمای مشخص و سپس سرد کردن آهسته آن است. در نتیجه این عمل، نابجایی‌ها و تنش‌های موجود در ساختار مستهلک شده و ساختار نظم شبکه‌ای خود را باز می‌یابد. در این حالت فلز نرم شده و امکان چکش‌کاری مجددآن فراهم می‌آید. شواهدِ تابکاری در ریزساختارِ (microstructure) اشیاء فلزی تاریخی مشاهده می‌شود.‌ در فلزاتی که دارای شبکه بلوری FCC هستند وتحت عملیات مکانیکی (چکش‌کاری) قرار گرفته‌اند، فرایند تبلور مجدد  (recrystallization) که در اثر تابکاری اتفاق می‌افتد اغلب منجر به تشکیل باندهای دوقلویی (twin boundary) یا دوقلوی تابکاری (annealing twin) می‌شود (تصویر زیر). در واقع فلزگرِ باستان با چکش‌کاری و تابکاری متناوب یک قطعه فلز، شکل مورد نظر را به‌دست می‌آورده است. این مراحل برای شکل‌ها و فرم‌های پیچیده‌تر و یا ظریف‌تر بسیار بیشتر بوده است.

تصویر ریزساختار (راست) نشان‌دهنده‌ی فرایند انجام‌گرفته در ساخت یک شیء مسی متعلق به دوره‌ی اسلامی (چپ) است که با چکش‌کاری و تابکاری ورق فلزی شکل گرفته است

موضوعی که باید توجه داشت این است که زمانی که فلزگر از چکش‌کاری گرم برای ساخت اشیاء استفاده می‌کند، همزمان با تغییر شکل فلز، فرایند تبلور مجدد نیز اتفاق می‌افتد. این بدان معنی است که همزمان با فرایند چکش‌کاری و تغییر شکل فلز، تابکاری قطعه نیز صورت می‌گیرد. در نتیجه امکان چکش‌کاری پیوسته‌ی فلز بدون نیاز به مرحله‌ی مجزای تابکاری وجود دارد. از این‌رو ریزساختارِ قطعه‌ای که تحت چکش‌کاری گرم قرار گرفته مشابه قطعه‌ای است که چکش‌کاری سرد و تابکاری شده است.

تابکاری برای آثاری که به روش ریخته‌گری ساخته‌شده‌اند نیز مورد استفاده بوده است. تابکاری شیء ریخته‌گری‌شده به‌منظور تغییر ساختار، همگن‌کردن آن و یا به‌دست‌آوردن برخی ویژگی‌های خاص انجام می‌شود. به عنوان مثال با تابکاری زیاد یک ساختار دندریتی امکان ایجاد ساختاری با دانه‌های هم محور وجود دارد.

سرد کردن سریع (آبدهی)

عملیات حرارتی دیگری که در ساخت آثار فلزی تاریخی مورد استفاده قرار گرفته است با عنوان «سرد کردن سریع» یا «آبدهی» (quenching) شناخته می‌شود. در این فرایند، اشیاء فلزی تا دماهای بحرانی یا بالاتر از آن حرارت داده شده و پس از آن با فروبردن در آب یا روغن، به‌سرعت سرد می‌شوند. در نتیجه‌ی این عمل، به‌جای تشکیل ساختار فریتی-پرلیتی در فولادهای کم کربن، فازهای سخت‌تر مارتنزیتی تشکیل خواهد شد. مشابه این اتفاق برای برنزهای بتا نیز اتفاق می‌افتد. به عبارتی، سرد کردن سریع برنزهای بتا مانع از تشکیل یوتکتوئید α+δ شده و ساختار مارتنزیتی سوزنی سختی شکل خواهد گرفت. در آثار تاریخی ساخته‌شده از آلیاژ آهن-کربن و برنزهایی که میزان قلع در آنها زیاد است (برنز قلع بالا) ساختار سوزنی‌شکل مارتنزیتی شناسایی شده است. به‌عنوان مثالی از این نوع آثار، می‌توان به برخی تیغه‌های شمشیر فولادی اشاره کرد که برای ایجاد سختی بیشتر در آن‌ها، ابتدا تیغه تا دمای مشخصی حرارت داده شده و سپس به سرعت سرد شده است.

بازپخت

نوع دیگری از عملیات حرارتی که مورد استفاده قرار گرفته، بازپخت (tempering) است. این فرایند معمولاً برای اشیاء فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث می‌شود مقداری از سختی شیء کاهش یابد. برای بازپخت، شیء را در حرارت ملایم قرار می‌دهند تا بخشی از سختی خود را از دست بدهد. دمای مورد استفاده با توجه به نوع بازپخت متفاوت خواهد بود. سردکردن سریع اشیاء اگرچه می‌تواند باعث سختی بیشتر در تیغه‌ی شمشیرهای فولادی کم‌کربن شود؛ اما سختی زیاد برای لبه‌ی تیز (بُرنده) تیغه مناسب نخواهد بود و امکان آسیب به آن در زمان استفاده بسیار زیاد است. بازپخت باعث کاهش تردی لبه‌ی تیز تیغه‌ها شده و آن را برای استفاده مناسب‌تر خواهد ساخت.