شناخت مواد (جلد اول) 0 9

یک عامل مهم برای گسترش علم، شناخت جهان و پدیده های مرتبط با آن است. بخش عمده جهان، مادی است. اجسام (زنده و غیرزنده) و محیط اطراف آنها تشکیل شده از موادی هستند که سالها پیش به وجود آمده اند و به مرور زمان با هم آلیاژ شده اند. شناخت جهان مادی که از مواد ساخته شده است ضرورت علم مواد را مشخص می نماید و ضرورت مبحث مواد برای شناخت جهان مادی و پدیده های مرتبط با آن است. در این کتاب مواد مهندسی (یعنی موادی که در زندگی روزمره و در صنعت کاربرد فراوان دارند) تقسیم بندی شده و خواص عمومی و نُرم بندی آنها مورد بررسی قرار می گیرد.
این کتاب پیش نیاز تمامی دروسی است که بر مبنای خواص مواد طرح ریزی شده اند. خواننده پس از گذراندن این درس، توانایی دارد تا مواد فلزی و غیرفلزی را از طریق نرم بندی آن شناسایی نماید و با علم به جنس آنها، رفتار آنها را پیش بینی نماید. پس از گذراندن این درس خواننده با مشخصات مواد قطعات آشنا می شود لذا قادر است مشخصات آن را با مشخصات مورد نیاز تطبیق دهد و یا احتمالا جایگزینی برای آن بیابد.
به منظور آشنایی خواننده با مواد مهندسی اعم از فلزی و غیر فلزی، نحوه نرم بندی آنها و اثرات مواد فلزی در محیط زیست جهت دستیابی به توسعه پایدار در بیست و دو فصل و چهار ضمیمه تهیه شده است. کتاب به گونه ای تدوین شده که خواننده برای فراگیری علم و کاربرد خواص مواد، آماده شود. در سرتاسر این کتاب جدول ها و شکل‌ها به طور مسلسل شماره گذاری شده است. کتاب حاوی پنجاه و یک جدول، چهار شکل و چندین تمرین و مثال کاربردی می باشد.
چنانچه خواننده ای مایل باشد در مورد هر فصل مطالعه بیشتری نماید به منابع اشاره شده در انتهای هر فصل مراجعه نماید. همچنین منبع اصلی جدول تناوبی عناصر در ضمیمه سه و چهار کتاب، سه سایت اطلاعات معتبر مواد به نشانی اینترنتی زیر می باشد.

کوچکترین ذره جسم که ماهیت جسم مورد نظر را دارا باشد، اتم نامیده می شود. اتمها انواع گوناگونی دارند که عنصر نامیده می شوند. تاکنون 105 عنصر شناخته شده است و 10 عنصر نیز بطور مصنوعی در آزمایشگاه تهیه شد. از این عناصر، 88 عنصر پایداری مناسب دارند و 27 عنصر ناپایدارند یعنی بخودی خود به عناصر دیگر تبدیل می شوند. از 88 عنصر پایدار، 66 عنصر فلز، 7عنصر (شامل بور، سیلیسیم، کربن، ژرمانیم، سلنیم، آرسنیک و تلوریم) شبه فلز و 15 عنصر غیرفلز هستند. در سال‌های اخیر 10 عنصر با نیمه عمر بسیار کم به طور مصنوعی در آزمایشگاه ساخته شد. این عناصر در طبیعت وجود ندارد. ویژگیهای این عناصر در ضمیمه شماره یک کتاب آورده شده است.
مواد در طبیعت سه حالت دارند، جامد، مایع، گاز. در درجه حرارتهای خیلی بالا (بطور مثال بیش از 5000 درجه سانتیگراد) الکترونهای اتم تا حدی مجزا از هسته اتم در حرکت هستند. به این حالت پلاسما گویند. برخی معتقدند که این حالت، نوع چهارم حالت عناصر است. حالت عناصر در طبیعت به شرایط محیط یعنی دما و فشار وابسته است. با تغییر فشار و دما، حالت عناصر تغییر می کند. با افزایش فشار حالت مواد به سمت مایع و سپس جامد شدن پیش می رود و با افزایش دما حالت مواد به سمت مایع و سپس گاز شدن پیش می رود. در حالت استاندارد یعنی در دما و فشار مشخص، حالت 65 عنصر فلزی جامد و حالت یک عنصر فلزی یعنی جیوه، مایع است. در این شرایط حالت 7عنصر شبه فلز جامد بوده و همچنین حالت 4 عنصر غیرفلز، جامد، یک عنصر غیرفلز (برم)، مایع و 10 عنصر غیرفلز دیگر، گازی است.
بطور مثال شرایط استاندارد از طرف انستیتوی گاز، درجه حرارت 20 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر تعریف شده است. مثال دیگر، شرایط استاندارد از طرف انجمن گاز آمریکا به صورت درجه حرارت 60 درجه فارنهایت و فشار 30 اینچ جیوه تعریف می شود. همچنین شرایط استاندارد در فیزیک به صورت درجه حرارت صفر درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر می باشد. در همه جای این کتاب شرایط استاندارد فیزیک، مورد نظر است در غیر اینصورت شرایط استاندارد ذکر شده است.
مهندسی مواد علمی است که در مورد خواص مواد از نظر فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و چگونگی استخراج و آماده سازی مواد برای مصرف بحث می کند. بطور مثال سنگ آهن استخراج شده از معادن، تغلیظ شده و پس از استحصال فلز مورد نظر با توجه به خواص آن به شکل‌های مطلوب درآمده و برای کاربردهای مختلف مصرف می گردد. بنابراین لازم است ابتدا مواد مهندسی را معین نموده و سپس خواص مواد را شرح دهیم. مواد مهندسی موادی هستند که در صنعت کاربرد دارند. تقسیم بندی مواد مهندسی بر اساس اهمیت کاربرد آنها در صنعت است.

تقسیم بندی مواد مهندسی:

مشترک این دیدگاه ها بسیار زیاد است. در این فصل به وجه اشتراک این دیدگاه ها و همچنین به اختلافات جزیی آنها اشاره می شود.
مواد مهندسی از نظر کاربردشان در صنعت به سه دسته تقسیم می شود. فلزات، غیرفلزات و مواد مرکب. در ادامه هر یک تشریح می شود.

• دسته اول: فلزات که به دو دسته تقسیم می شوند:

1. فلزات آهنی
2. فلزات غیرآهنی که آنها نیز به دو دسته کوچکتر تقسیم می شوند:

• فلزات غیر آهنی سبک
•  فلزات غیرآهنی سنگین

• دسته دوم: غیرفلزات که به دو دسته تقسیم می شوند:

1.  مواد مصنوعی
2. مواد غیرمصنوعی یا طبیعی

• دسته سوم: مواد مرکب که مخلوطی از مواد فوق هستند.

اخیرا نوع جدیدی از مواد مهندسی ساخته شده است که مواد تابعی(Functionally Gradaterial) نامیده می شود. در ضمیمه شماره دو کتاب این مواد تشریح شده اند.
عناصری که سبب کاهش خواص مورد نظر در فلز یا آلیاژ میگردد ناخالصی محسوب می گردد. در اکثر اوقات عناصر ناخواسته با سایر عناصر ترکیب شده و ترکیباتی با نقطه ذوب پائینتر از فلز زمینه ایجاد میکنند و لذا سبب کاهش خواص مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی و فناوری می شوند.
بطور کلی در فولادها و چدنها، گوگرد و فسفر بعنوان ناخالصی شناخته می شوند زیرا تولید سولفید آهن و فسفید آهن می نمایند که در مرز دانه ها رسوب کرده و مسبب خوردگی بین دانه ای می شوند. عناصر آلیاژی موادی هستند که سبب بهبود خواص آلیاژ می شوند. بطور مثال کرم و نیکل در فولاد زنگ نزن عنصر آلیاژی محسوب شده زیرا خواص مقاومت به خوردگی آلیاژ را بهبود می دهند اما در این نوع فولاد، گوگرد ناخالصی است زیرا مقاومت به خوردگی فولاد مزبور را کاهش می دهد.
مثال دیگر، در فولاد خوش تراش، گوگرد عنصر آلیاژی است زیرا سبب خوش تراش شدن فولاد میگردد.

دسته اول: فلزات:

الف- فلزات آهنی: آهن بصورت خالص یافت نمی شود و اغلب بصورت اکسید، سولفید، کربنات و سیلیکات در معادن وجود دارد. محلول جامد آهن و کربن که دارای خواص بسیار خوبی است فولاد نامیده می شود. فولاد در صنعت کاربرد زیادی دارد. عناصر همراه آهن، منگنز، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، مس، تیتانیم و آلومینیم میباشند. این عناصر در مقادیر کم، جزو عناصر آلیاژی محسوب نمی شوند یعنی اگر در فلزات پایه آهنی (فولاد و چدن) مقدار منگنز کمتر از 8 /0 درصد (البته در برخی از مراجع حد بالای منگنز در فولاد غیرآلیاژی کمتر از 7/ 0 درصد و در برخی دیگر کمتر از 1 درصد در نظر گرفته شده است)، مقدار گوگرد کمتر از 05 / 0 درصد، مقدار فسفر کمتر از 0/05 درصد، مقدار سیلیسیم کمتر از 5/ 0 درصد، مقدار تیتانیم کمتر از 1/ 0 درصد، مقدار آلومینیم کمتر از 1/ 0 درصد و مقدار مس کمتر از 25 / 0 درصد باشد عنصر همراه محسوب شده و عنصر آلیاژی در نظر گرفته نمی شوند. عناصر آلیاژی در آهن معمولا شامل کرم، نیکل، وانادیم، مولیبدن، تنگستن، کبالت، بور و سایر می باشد. این عناصر بصورت فروآلیاژ (مانند فروکرم، فرومولیبدن، فرومنگنز، فروسیلیس) به مذاب آهن اضافه می شوند. یک نمونه از ترکیب شیمیایی فرو سیلیس که توسط شرکت فروسیلیس ایران تولید می شود شامل 73 تا 78 درصد سیلیس، حداکثر 2 درصد آلومینیم و بقیه آهن است. جوانه زای آهن- سیلیسیم - منیزیم این شرکت حاوی 44 تا 48 درصد سیلیسیم، 5 تا 6 درصد منیزیم، 8/ 0تا 1/ 1 درصد کلسیم، 8/ 0 تا 2/ 1 درصد آلومینیم، مقدار کمی MgO و بقیه آهن است.
کلیه فلزاتی که پایه و اساس آنها آهن است فلزات آهنی نامیده می شوند مانند چدن و فولاد. فولاد محلول جامد بین نشینی کربن در آهن است. مقدار کربن معادل در فولاد کمتر از 06 / 2 درصد است. چدن مخلوط کربن (به صورت گرافیت) و فولاد است. مقدار کربن معادل در چدنبیشتر از 06 / 2 درصد است.
کربن معادل مقدار کربنی است که برای آهن باقی می ماند. بطور مثال عناصر کابیدزا ( تولید کننده کاربید ) مانند کرم، مولیبدن و تنگستن اثر کربن را روی آهن، کم می کنند لذا مقدار کربنی که پس از تشکیل کاربید باقی می ماند تعیین کننده فولاد یا چدن بودن فلز پایه آهنی است. از طرف دیگر عناصری مانند نیکل، سیلیسیم و منگنز فعالیت کربن در آهن را زیاد می کنند یعنی تمایل به تشکیل گرافیت دارند اما توجه شود که منگنز و نیکل پایدار کننده آستنیت هستند یعنی در دمای محیط حد حلالیت کربن در آهن را افزایش می دهند یعنی به گرافیت زایی تمایل کمتری دارند اما سیلیسیم حد حلالیت کربن در آهن را افزایش نمی دهد لذا بشدت گرافیت زا است.
لازم به ذکر است شانزده فولاد در کتاب کلید فولاد آورده شده است که بیش از 3 درصد کربن دارند. بطور مثال فولاد 3/75 ،Delcrome alloy C درصد کربن و 21 درصد کرم دارد. همچنین فولاد 1.2449 و 4/5 ،Pr- S27 درصد کربن دارد و 28 درصد کرم و مقدار کمی منگنز، مولیبدن و نیکل دارد. مثال دیگر فولاد 3/2 ،Delfer درصد کربن و 6 درصد کبالت و 18 درصد کرم و 16 درصد مولیبدن و 2 درصد وانادیم دارد. مثال دیگر فولاد 2 3/7 ،G- X370CrMoNi 18 درصد کربن و 18 درصد کرم و 2 درصد مولیبدن دارد. کربن معادل این فولادها کمتر از 06 / 2 درصد است.
مهمترین گروه فلزات، فلزات آهنی (چدن و فولاد) می باشند. فلزات آهنی بر پایه آهن می باشند که مقداری کربن در فلز پایه (آهن) حل و یا مخلوط شده است. مشخصات فنی عنصرآهن و عنصر کربن بشرح جدول 1 می باشد.

تمرین 1) یک فلز آهنی 6/ 2 درصد کربن معادل دارد و فلز آهنی دیگر 5/ 1 درصد کربن معادل دارد نام هر کدام چیست؟

در فولاد، کربن در لابه لای شبکه بلوری آهن حل می شود همانطور که شکر در آب حل می شود. در چدن، گرافیتها بطور آزاد تشکیل می شوند و به شکلهای مختلف مانند ورقه ای (لایه ای یا سوزنی یا پولکی)، برفی شکل و کروی (قلوه ای) ظاهر می شوند.

انواع فولاد:

در تقسیم بندی آلمان (کلید فولاد)، فولادها از نظر کاربردشان در صنعت به 17 گروه تقسیم می شوند. در آینده گروه اول و دوم را معرفی خواهیم نمود:

1. فولادهای ساختمانی عمومی
2. فولادهای ابزار
3. فولادهای سخت شونده سطحی
4. فولادهای عملیات حرارتی شونده
5. فولادهای خوش تراش
6. فولادهای نیتروراسیون
7. فولادهای مخازن تحت فشار
8. فولادهای اکسترود سرد
9. فولادهای بلبرینگ
10. فولادهای نسوز
11. فولادهای غیرمغناطیسی
12. فولادهای ریختگی
13. فولادهای ماشین سازی
14. فولادهای کاربرد در درجات حرارت زیرصفر
15. فولادهای فنر
16. فولادهای زنگ نزن
17. فولادهای مقاوم در دمای بالا

فولادها از نظر مقدار عناصر آلیاژی تشکیل دهنده به سه دسته فولادهای غیرآلیاژی، فولادهای کم آلیاژ و فولادهای پرآلیاژ (آلیاژی) تقسیم می شوند. فولادهای غیرآلیاژی هیچ عنصر آلیاژی ندارند. اگر عنصری در این فولادها یافت شود عنصر همراه تلقی می گردد. در فولادهای کم آلیاژ، مجموع درصد عناصر آلیاژی کمتر از 5 درصد است و در فولادهای آلیاژی (یا پرآلیاژ)، مجموع درصد عناصر آلیاژی مساوی و یا بیشتر از 5 درصد است.
بطور مثال نیوار، Nivar ، حاوی 36 درصد نیکل و بقیه آهن است. ضریب انبساط کوچکی دارد که مقدار آن از صفر تا 100 درجه سانتیگراد ثابت می ماند لذا برای ساخت وسایل اندازه گیری طول و قطعات ساعت، کاربرد وسیعی دارد. همچنین سوپر نیوار حاوی 31 % نیکل، 4 تا 6 درصد کبالت و بقیه آهن است. ضریب انبساط حرارتی خیلی کمتر از نیوار است لذا برای ساخت وسایل اندازه گیری طول دقیق و قطعات ساعت دقیق، کاربرد دارد. علاوه بر آن کووار، Kovar ، حاوی54 درصد آهن، 26 درصد نیکل و 18 درصد کبالت است. همان ضریب انبساط حرارتی شیشه را دارا است. مثال دیگر الین وار، Elinvar ، حاوی 33 تا 35 درصد نیکل، 53 تا 61 درصد آهن، 4 تا 5 درصد کرم، 1 تا 3 درصد تنگستن، منگنز و سیلیسیم و کربن برابر با 5/ 0 تا 2 درصد برای هر کدام است. در درجه حرارت صفر تا 40 درجه سانتیگراد مدول کشسانی ثابت دارد لذا برای ساختن فنر ساعت، ابزار دقیق و دیاپازان استفاده می شود.
آلیاژهای آهن- کربن و یا فولادهای غیرآلیاژی بر طبق مقدار کربن و مستقل از مقدار عناصر آلیاژ به صورت زیر تقسیم بندی می شوند.