مواد مهندسی Engineering materials
مقدمه
مواد نام عام و وسیعی است که به هر چه از اتم ها یا مولکول ها تشکیل می شود، اطلاق می گردد و در این بیان موجودات جاندار و بی جان، گاز، مایع یا جامد، زیستی و غیر زیستی را در بر می گیرد که در مهندسی مواد فقط بخش کوچکی از آنها استفاده می شود.
مواد چه هستند، چگونه هستند، چه خواهند شد و با آن چه می توان کرد؟
از ابتدای حیات بشر تاکنون، مواد در کنار انرژی به طور پیوسته جهت بهبود سطح زندگی انسان ها مورد استفاده قرار گرفته است. با نگاهی به اطرافمان انواع مواد را می توان مشاهده نمود. منظور از مواد در اینجا مواد مهندسی است. یعنی موادی که در عمل و در کاربردهای حرفه ای مهندسان مورد استفاده قرار می گیرد. فولاد ، پلاستیک ، شیشه ، چوب ، بتون ، مس ، کاغذ و آلومینیم نمونه هایی از متداولترین این مواد مهندسی هستند. همچنین با توجه به تحقیقاتی که انجام می شود در حالیکه اغلب مواد قدیمی بهبود می یابند پیوسته مواد جدید دیگری نیز بر مجموعه آن ها افزوده می شود.
تاریخچه
هزاران سال مواد مظهر طبقه بندی دوره های تاریخی بوده است که برخی از آنها بلند است و از چندین ده هزار تجاوز میکندو برخی دیگر بسیار کوتاه است و به سرعت جای خود را به دوره دیگر و ماده دیگر سپرده است. دوره دیرینه سنگی، دوره نوسنگی، دوره سفال، دوره مفرغ و دوره آهن که زمان هایی از پیدایش انسان تا کمتر از دوهزار سال پیش را شامل می شوند تا دوره هایی نظیر عصر الومینی، عصر اتم، عصر نیمه هادی ها، عصر کامپوزیت و دوره مواد سنتزیک که صده ها و ده های اخیر را دربرمی گیرند.
اگر دومیلیون سال تاریخ فعالیت های بشری در یک سال شمسی فهرست شود،مشخص می شود که عرصه تحولات و شناسایی مواد جدید به جای ماه ها به روزها و به جای روزها به دقیقه ها بستگی دارد و زمان وابستگی تحولات به ثانیه ها بسیار نزدیک است.
جدول زیر تبدیل دومیلیون سال تاریخ بشری در یک سال شمسی را بر محور توسعه و تحولات مواد نشان می دهد.
تبدیل دومیلیون سال تاریخ بشری به یک سال شمسی
تاریخ زندگی بشر و پیشرفت های آن نیز با پیشرفت و توسعه مواد همراه است. عصر حجر ، عصر برنز و عصر آهن نمونه هایی از طبقه بندی تاریخ پیشرفته بشر بر اساس مواد هستند. در حالیکه انقلاب صنعتی با پیدایش و کاربرد وسیع فولاد همراه بوده است، انقلاب الکترونیک نیز مبتنی بر پیدایش، ساخت و کاربرد مواد نیمه هادی، ابررساناها و مواد عایق بوده است. امروزه نیز در کنار کاربرد مواد قدیمی ، در دنیای مواد نو مانند کامپوزیت ها (مواد مرکب) ، مواد هوشمند ، بیومواد (مواد زیستی) ، سرامیک ها ، پلیمرهای نوین مهندسی و سوپرآلیاژها قرار داریم. در نهایت اینکه حرکت به سمت نانوتکنولوژی در قرن بیست و یکم که پدید آورنده تحول دیگری در دنیای صنعتی خواهد بود، جز با پیشرفت در زمینه مواد هوشمند و نانو مواد امکانپذیر نخواهد بود.
حال با توجه به این مطالب و نقش روز افزون مواد در زندگی امروز، در این مقاله ، انواع و مواد و نحوه طبقه بندی آن ها شناخت کلی پیدا خواهیم کرد.
مواد و مهندسی
تولید و تحت فرآیند قرار دادن مواد جهت دستیابی به محصولات نهایی مناسب، بخش وسیعی از اقتصاد حال حاضر دنیا را تشکیل می دهد. مهندسان به طور پیوسته در حال طراحی محصولات تولیدی و سیستم های تولید نوینی بوده که تمامی آن ها نیازمند مواد هستند. بدین جهت آن ها باید با ساختار و خواص مواد مهندسی آشنا باشند تا قادر به انتخاب نمونه های مناسب برای هر کاربرد باشند و بتوانند روش های تولید بهتری را توسعه دهند.
یک مثال ساده در این زمینه، انتخاب ماده یک لوله به منظور کاربرد در یک سیستم انتقال سیالات است. در این زمینه مهندس طراح با دامنه وسیعی از مواد گوناگون جهت ساخت لوله، شامل انواع آلیاژهای فلزی همانند انواع فولادها وچدن ها (آلیاژهای آهنی)، انواع آلیاژهای غیرآهنی مانند آلیاژهای آلومینیمی ، مسی، تیتانیمی، نیکلی، انواع مواد پلیمری (پلی اتیلن و غیره) و مواد سرامیکی (کاربید سیلیکون و غیره) ، انواع مواد مرکب و گرافیت روبرو است. زیراکه لوله های ساخته شده از تمامی این مواد در ابعاد و اندازه های مختلف در بازارهای تجاری در دسترس هستند. در نتیجه او باید با توجه به شرایط کاربرد لوله مذکور و خواص موردنیاز برای آن، مانند مقاومت به انواع خوردگی، سبکی، مقاومت به ضربه ف استحکام، دمای کاربرد و مقاومت به شوک های حرارتیهمراه با در نظرگرفتن سایرموارد مانند قابلیت تولید، قابلیت اتصال دهی و هزینه های مرتبط، جنس (ماده) لوله مورد استفاده را انتخاب کند. بنابراین آشنایی مهندس طراح با ساختار و خواص مواد اجتناب ناپذیرخواهد بود.
ویدئوی زیر انواع مواد مهندسی را تشریح می کند:
مهندسان تحقیق و توسعه ( R & D ) به طور گسترده ای در زمینه ابداع مواد مهندسی جدید یا اصلاح و بهبود خواص مواد موجود فعالیت می کنند، مهندسان طراح نیز در مرحله بعدی در کنار مواد موجود، این مواد اصلاح یافته و جدید را به منظور طراحی و خلق سیستم ها و محصولات نوین مورد استفاده قرار می دهند. گاهی این وضعیت بر عکس بوده و مهندسان طراح بدنبان برخورد با مسئله ای در طراحی شان، نیازمند آن هستند که مواد جدیدی توسط دانشمندان و مهندسان ایجاد شوند. برای مثال زمانی که مهندسان یک وسیله حمل و نقل هوایی مافوق صوت شبیه ۳۰-X را طراحی می نمودند(عکس ذیل) ، نیازمند آن بودند تا مواد پیشرفته دمای بالای جدیدی را در اختیار داشته باشند که قادر به مقاومت در دماهای بالا تا میزان ۱۸۰۰°C باشند، به گونه ای که بتوان به سرعت های هوایی ۱۲ تا ۲۵ ماخ رسید. برای دستیابی به این هدف در ۳۰-X ، آلیاژ تیتانیم تیمتال ۲۱S تقویت شده با فیبرهای کاربید سیلیکون برای سازه های تحت بار هواپیما، مواد مرکب (کامپوزیت ) کرین – کرین برای سیستم های حفاظت حرارتی اتصال شونده مکانیکی و کامپوزیت های اپوکسی – فیبر کربن برای ساخت مخزن سوخت آن مورد استفاده قرار گرفتند.
مسافرت با هواپیمای مافوق صوت X-30 به ایستگاه های فضایی در صورتتی امکان پذیر خواهد بود که بتوان مواد مستحکم، سبک وزن و مقاوم در مقابل تغییرات وسیع دمایی را توسعه داد.
مثال دیگر در این زمینه توربین های گاز هستند (عکس ذیل) که برای تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی استفاده می شوند و به انواع زمینی، هوایی و دریایی تقسیم می شوند. کاربرد اصلی این وسایل در ساخت موتورهای جت و توربین های نیروگاهی است. در طول نیم قرن اخیر مهندسان تلاش قابل توجهی به منظور افزایش بازدهی و کارآیی آن ها انجام داده اند که در این بینم ، مواد نقش اساسی را بر عهده داشته اند. در حقیقت تاریخ پیشرفت نوربین های گازی همان تاریخ توسعه مواد مقاوم در درجه حرارتهای بالا است. با توجه به اینکه امروزه کارآیی سوپرآلیاژهای توسعه یافته به منظور استفاده در توربین های گازی به حد اشباع رسیده و سرعت افزایش کارآیی آن ها رو به کاهش است، بنابراین زمان جایگزینی این فلزات در این زمینه رسیده و حرکت به سمت کاربرد مواد مرکب و ترکیب های بین فلزی آغاز شده است.
نمونه ای از کاربرد توربین گازی در موتور جت
تومبیل نمونه دیگری در این زمینه است. جهت کاهش وزن اتومبیل به منظور کاهش مصرف انرژی تجدید ناپذیر که اثرات مطلوبی بر روی بهبود شرایط زیست محیطی و کاهش هزینه انرژی مصرفی دارد، مهندسان بدنبال موادی با استحکام به وزن بالا، قابلیت شکل دهی مناسب و هزینه تولید مطلوب برای جایگزینی با فولاد کم کربن هستند. برای تأمین این خواسته، در اواخر دهه هشتاد و اوایل دهه نود استفاده از فولادهای پر استحکام کم آلیاژ (HSLA) و آلیاژهای آلومینیوم و در اواخر دهه نود کاربرد الیاژهای منیزیم و مواد مرکب در این زمینه توسعه یافت. این ها تنها نمونه هایی از موارد بیشمار تحقیق و توسعه در زمینه ابداع مواد مهندسی جدید و اصلاح مواد قبلی و کاربرد آنها در صنایع گوناگون است.
بنابراین جستجو برای مواد مهندسی جدید بطور پیوسته ادامه دارد. زیرا همانطور که قبلا هم بیان شد مهندسان مکانیک در جستجو برای مواد دمای بالایی هستند که بازدهی عملکرد موتورهای جت را افزایش دهند و مهندسان برق در جستجوی موادی هستند که با استفاده از آنها وسایل الکتریکی بتوانند سریعتر و در دماهای بالاتر عمل کنند. در حالیکه مهندسان هوافضا به دنبال موادی با نسبت استحکام به وزن بالاتر برای هواپیماها و فضاپیماها میباشند و مهندسان شیمی، موادی را می خواهند که مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشد.
این مثال ها تنها تعداد موارد محدودی از تقاضای روزافزون مهندسان شاخه های گوناگون مهندسی برای مواد اصلاح شده و جدید جهت کاربردهای مختلف است. در این ارتباط بسیاری از موارد که دیروز غیر ممکن بود، امروزه در دسترس بوده و امکان پذیر است. بنابراین تاکنون دانستید که مهندسان در تمامی گرایش های مهندسی باید دارای دانش پایه و کاربردی در زمینه مواد مهندسی باشند تا با استفاده از مواد مطلوب بتوانند فعالیت های حرفه ای شان را با کارایی بهتر و بازدهی بیشتر انجام دهند. گرچه دانشمندان و مهندسان مواد متخصصانی هستند که کلا در زمینه تحقیق و طراحی مواد مهندسی فعالیت میکنند، با این حال آشنایی کلی سایر متخصصان با مواد مهندسی، در بسیاری زمینه ها مفید واقع می گردد.
انواع مواد مهندسی
مواد بر اساس ساختار و خواص متفاوتی که شامل آن هستند به پنج گروه اصلی زیر تقسیم بندی می شوند:
1. فلزات
2. سرامیک ها
3. پلیمرها
4. کامپوزیت ها
5. نیمه هادی ها
اما موادی نیز در این پنج گروه وجود دارند که اهداف کاربردی یکسان دارند بر این اساس آن ها را در گروه های فرعی دیگری طبقه بندی می کنند. چهار گروه فرعی از این مواد :
1. بیو مواد
2. مواد اپتیک
3. مواد مغناطیس
4. مواد هوشمند
مراجع :
1. مواد یا مواد مهندسی، مقدمه ای بر طبقه بندی آموزش مواد مهندسی، جلال حجازی ، دانشگاه علم و صنعت ایران
2. R. Flin, P. Trojan, Engineering Materials and their applications, Houghton Uifflin Company, 1986
3. W.D William and Jr.Callister, Materials Science and Engineering, John Wiely and sons, 1994
4. A. Honarbakhsh Raouf, H.A. shahsavari, A.Zare, Pronciples of Phisical Metallurgy & Materials Science
