شناخت مواد (جلد دوم) 0 4

خواص مواد به نوع پیوند بین اتم ها، ملکول‌ها و یا یون‌های آنها (یعنی تاثیر متقابل الکترون‌های لایه ظرفیت اتم ها) بستگی دارد. خواص مواد به چهار دسته شامل خواص فیزیکی، خواص شیمیایی، خواص مکانیکی و خواص فناوری (تکنولوژیکی) تقسیم می شود. برای مطالعه بیشتر به کتاب شناخت مواد جلد اول مراجعه شود.
در این کتاب خواص متالورژیکی مواد، شامل خواص فیزیکی مواد و خواص مکانیکی مواد، هر یک در بخش جداگانه تشریح می شود. در فصل خواص فیزیکی مواد، ساختارهای مواد فلزی و خواص مرتبط با آن معرفی می شود. همچنین چگونگی استفاده از نمودار فازی (Phase diagram) و ارتباط آن با خواص مواد بیان میگردد. در فصل خواص مکانیکی مواد، عکس العمل مواد در مقابل تنش های خارجی که منجر به تغییر در ساختار و خواص مواد می شود مورد مطالعه قرار می گیرد. این کتاب پیشنیاز تمامی دروسی است که بر مبنای عک سالعمل مواد در مقابل عوامل مکانیکی طرح ریزی شده اند. خواننده پس از خواندن آن توانایی دارد تا رفتار مواد را در برابر عوامل مکانیکی از طریق ساختار آنها پیش بینی نماید و عمرشان را در شرایط بارگذاری مختلف تخمین بزند. همچنین می تواند برای تحمل بهتر شرایط بارگذاری در قطعات راهکار ارایه دهد. یکی از مشاغل کنترل کیفی قطعات صنعتی تطبیق خواص مکانیکی قطعات با خواص مکانیکی مورد نیاز است. پس از خواندن کتاب، خواننده با خواص مکانیکی مواد به تفضیل آشنا می شود. لذا راحت تر می تواند خواص مکانیکی قطعات صنعتی را با خواص مکانیکی مورد نیاز برای آن تطبیق دهد.

خواص فیزیکی مواد :

با استفاده از پدیده‌هایی مانند نفوذ، عملیات حرارتی، تغییر شکل دائم، عملیات ترمومکانیکی و سایر برای تولید مواد با خواص دلخواه و مطلوب تلاش زیادی شده است. به منظور کمک به توضیح پدیده هایی مانند نفوذ، تغییر شکل دائم، رسانایی الکتریکی، هدایت حرارتی، سخت کردن، شکست، خستگی، خزش و سایر، نظریه های متعددی ارایه شده است. زیر بنای تشریح هر کدام از این پدید هها در ارتباط با ساختار مواد و تغییرات ساختار مواد در برابر عوامل خارجی (گرما، تنش و سایر) می باشد. ساختار الکترونی اتم بطور کامل در شیمی مطالعه می شود. اتم ها کوچکترین ذرات ماده هستند که نماینده خواص ماده می باشند. اتم ها از سه قسمت اصلی شامل الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده اند. هسته اتم از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (با بارخنثی) ساخته شده است. الکترون در اطراف هسته (پروتون و نوترون) در حال چرخش است و دارای بار منفی است. الکترون ها حول هسته و حول محور خود می چرخند. مسیر حرکت آنها به دور هسته بیضی شکل است و مدار (Orbit) نام دارد. مطابق اصل ترد پاولی، بیش از دو الکترون در یک مدار نمی تواند قرار گیرد به همین دلیل جهت چرخش آنها در هر مدار، مخالف همدیگر است. مدارها را در ترازها (لایه ها) تقسیم می کنند که آنها هم به نوبه خود به ترازهای فرعی تقسیم می شوند. حداکثر تعداد الکترونی که می تواند در هر لایه قرار بگیرد از فرمول:

که N شماره لایه است بدست می آید. بنابراین طبق نظریه بور و شرودینگر نخستین لایه می تواند دو الکترون، لایه دوم هشت الکترون و لایه سوم هیجده الکترون و به همین ترتیب داشته باشد. از بین الکترون های نامبرده، الکترون های لایه آخر یا الکترون های ظرفیت نقش مهمی در تعیین خواص مواد دارد. زیرا ترازهای پُر شده پایدار هستند در صورتیکه ترازها پُر نشده باشند ناپایدارند و تمایل دارند با اشتراک گذاشتن الکترو نها با سایر عناصر پُر شوند تا پایدار شوند. لایه ها که بطور کامل پُرنشده اند منشا بسیاری از خواص عنصر هستند. ممکن است لایه های نیمه پُر، به خارج الکترون بدهند یا از خارج الکترون بگیرند و یا آنکه آنها را با اتم های دیگر به اشتراک
بگذارند. این مسئله به آن بستگی دارد که کدام حالت انرژی سیستم را بیشتر کاهش می دهد.

• جرم یک اتم و جرم یک مول اتم (جرم مولی):

عدد اتمی مجموع تعداد پروتون و نوترون یک اتم است. جرم اتمی، جرم یک اتم را نسبت به جرم اتم های دیگر مشخص می کند. جرم اتمی بصورت جرم کل پروتون ها، نوترونها و نوترونها تعریف میشود.

برای مثال عدد اتمی مس با 29 پروتون و 34 نوترون، 63 است. بنابراین جرم یک اتم آن عدد بسیار کوچکی است زیرا:

لذا در شیمی به جای جرم یک اتم جرم تعداد بیشتری اتم را برای مقایسه جرم مواد گوناگون انتخاب کرده اند. این تعداد، مول نام دارد.

بنابراین جرم یک مول مس (جرم مولی مس) بصورت زیر محاسبه می شود:

• فاصله اتمی در مواد :
  برای آنکه بین دو اتم پیوند ایجاد شود دو اتم بهم نزدیک می شوند. به این ترتیب بارهای
  غیرهمنام (یعنی هسته یک اتم با الکترون های مدار آخر اتم دیگر) همدیگر را جذب می کنند بنابراین نیروی جاذبه ای طبق رابطه:

بین آنها بوجود می آید. از طرف دیگر وقتی دو اتم خیلی بهم نزدیک شدند بارهای همنام (یعنی الکترون های مدار خارجی دو اتم و همچنین هسته دو اتم) همدیگر را دفع می نمایند بنابراین نیروی دافعه طبق رابطه

بوجود می آید. در این روابط n و b و K ضرایب ثابت است، q و q´ با کلومب (coulomb) دو اتم و a فاصله بین دو اتم است. انرژی داخلی سیستم بر اثر نیروهای جاذبه و دافعه بوجود آمده تغییر می کند. هنگامی انرژی داخلی سیستم (دو اتم) به حداقل مقدار (یعنی پایدارترین حالت) می رسد که برآیند دو نیروی دافعه و جاذبه صفر شود. به عبارت دیگر حالت تعادلی برقرار می‌شود و پیوند ایجاد می شود. نیروی جاذبه بین دو اتم موجب نزدیک شدن دو اتم می شود در صورتیکه نیروی دافعه حاصل از برخورد مدارهای خارجی باعث می شود تا آنها در فاصله معینی از هم قرار گیرند. این فاصله که از خصوصیات ویژه هر عنصر است به فاصله تعادلی یا فاصله اتمی معروف است. یعنی نیروی پیوند، دو اتم را در فاصله ثابتی نسبت به هم قرار می دارد. به عبارت دیگر اگر فاصله دو اتم از فاصله تعادلی کمتر شود نیروی دافعه، دو اتم را از هم دور می کند تا به فاصله تعادلی برسند و اگر فاصله دو اتم از فاصله تعادلی بیشتر شود نیروی جاذبه، آنها را به هم نزدیک می کند تا به فاصله تعادلی برسند. برای اجسام بلوری فاصله اتمی از 2 تا 6 آنگستروم است که هر آنگستروم یکصد میلیونیوم سانتیمتر است.