آموزش رایگان علم مواد

درس «علم مواد دکتر محمدعلی نوریان» در نیم‌سال دوم سال تحصیلی 99-98 با کمک تیمی از دانشجویان دانشکده هوافضای دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی ضبط شده‌است.

 

علم مواد (Materials Science) یا مهندسی و علم مواد یک حوزه‌ی میان‌رشته‌ای است که در آن رابطه‌ی بین ساختار و خواص مواد به‌منظور طراحی مواد جدید برای پاسخگویی به نیازهای روزافزون فناوری مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد.

علم و مهندسی مواد شاخه‌ای از علوم است که به طور گسترده در زمینه مواد مختلف مهندسی مانند فلزات، سرامیک‌ها، مواد الکترونیکی و بایومتریال‌ها فعالیت می‌­کند. در این رشته ارتباط بین ساختار مواد، روش ساخت آن‌ها، خواص آن‌ها و عملکرد مواد مورد بررسی قرار می‌گیرد. مهندسی مواد و متالورژی در گذشته در دو زمینه مجزای سرامیک و متالورژی تقسیم‌بندی می­‌شده‌است ولی اکنون شامل طیف وسیعی از مواد از قبیل فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها، نیمه‌هادی‌ها، مواد مغناطیسی، مواد فوتونیک و مواد بیولوژیکی می‌­شود که تمرکز ما عمدتاً در این درس بر روی مواد مهندسی است یعنی موادی که در عمل و در کاربردهای حرفه‌ای مهندسان مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولاد، پلاستیک، شیشه، چوب، بتون، مس، کاغذ و آلومینیم نمونه‌هایی از متداول‌ترین این مواد مهندسی هستند. همچنین با توجه به تحقیقاتی که انجام می‌شود درحالی‌که اغلب مواد قدیمی بهبود می‌یابند پیوسته مواد جدید دیگری نیز بر مجموعه آن‌ها افزوده می‌شود.

برای اینکه یک ماده را بتوان ماده مهندسی نامید باید سه شرط زیر را هم‌زمان دارا باشد:

• غیرزنده باشد (به عنوان مثال پوست گاو تا زمانی که گاو زنده است ماده مهندسی نیست اما پس از مرگ گاو، می‌توان آن را ماده مهندسی به شمار آورد. زیرا زنده‌بودن سبب تغییر می‌شود. ماده مهندسی باید ثبات داشته باشد.)
• حالت جامد داشته باشد (مایعات و گازها مواد مهندسی محسوب نمی‌شوند.)
• کاربرد مهندسی داشته باشد.

 تولید و تحت فرایند قرار دادن مواد جهت دستیابی به محصولات نهایی مناسب، بخش وسیعی از اقتصاد حال حاضر دنیا را تشکیل می‌دهد. مهندسان به طور پیوسته در حال طراحی محصولات تولیدی و سیستم‌های تولید نوینی بوده که تمامی آن‌ها نیازمند مواد هستند. بدین‌جهت آن‌ها باید با ساختار و خواص مواد مهندسی آشنا باشند تا قادر به انتخاب نمونه‌های مناسب برای هر کاربرد باشند و بتوانند روش‌های تولید بهتری را توسعه دهند.

یک مثال ساده در این زمینه، انتخاب ماده یک لوله به‌منظور 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 و چدن‌ها (آلیاژهای آهنی)، انواع آلیاژهای غیر آهنی مانند آلیاژهای آلومینیمی، مسی، تیتانیومی، نیکلی، انواع مواد پلیمری (پلی‌اتیلن و غیره) و مواد سرامیکی (کاربید سیلیکون و غیره) ، انواع مواد مرکب و گرافیت روبرو است. زیرا که لوله‌های ساخته شده از تمامی این مواد در ابعاد و اندازه‌های 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، استحکام، دمای کاربرد و مقاومت به شوک‌های حرارتی همراه با درنظرگرفتن سایر موارد مانند قابلیت تولید، قابلیت اتصال دهی و هزینه‌های مرتبط، جنس (ماده) لوله مورد استفاده را انتخاب کند؛ بنابراین آشنایی مهندس طراح با ساختار و خواص مواد اجتناب‌ناپذیر خواهد بود.

مثال دیگر در این زمینه توربین‌های گاز هستند که برای تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی استفاده می‌شوند و به انواع زمینی، هوایی و دریایی تقسیم می‌شوند. کاربرد اصلی این وسایل در ساخت موتورهای جت و توربین‌های نیروگاهی است. در طول نیم‌قرن اخیر مهندسان تلاش قابل‌ توجهی به‌منظور افزایش بازدهی و کارایی آن‌ها انجام داده‌اند که در این بین، مواد نقش اساسی را بر عهده داشته‌اند. در حقیقت تاریخ پیشرفت توربین‌های گازی همان تاریخ توسعه مواد مقاوم در درجه حرارت‌های بالا است. با توجه به اینکه امروزه کارایی سوپرآلیاژهای توسعه‌یافته به‌منظور استفاده در توربین‌های گازی به حد اشباع رسیده و سرعت افزایش کارایی آن‌ها رو به کاهش است، بنابراین زمان جایگزینی این فلزات فرارسیده و حرکت به سمت کاربرد مواد مرکب و ترکیب‌های بین فلزی آغاز شده‌است.

اتومبیل نمونه دیگری در این زمینه است. جهت کاهش وزن اتومبیل به‌منظور کاهش مصرف انرژی تجدیدناپذیر که اثرات مطلوبی بر روی بهبود شرایط زیست‌محیطی و کاهش هزینه انرژی مصرفی دارد، مهندسان به دنبال موادی با استحکام به وزن بالا، قابلیت شکل‌دهی مناسب و هزینه تولید مطلوب برای جایگزینی با فولاد کم‌کربن 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 آلیاژهای منیزیم و مواد مرکب در این زمینه توسعه یافت. این‌ها تنها نمونه‌هایی 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 به طور پیوسته ادامه دارد. زیرا همان‌طور که قبلاً هم بیان شد مهندسان مکانیک در جستجو برای مواد با ظرفیت 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. درحالی‌که مهندسان هوافضا به دنبال موادی با نسبت استحکام به وزن بالاتر برای هواپیماها و فضاپیماها می‌باشند و مهندسان شیمی، موادی را می‌خواهند که مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشد.

 در این درس روش‌های گوناگون بررسی عملکرد و ویژگی مواد مختلف با تمرکز بر رفتار آن‌ها متأثر از نیروها و تنش‌های مختلف و کاربردهای آنان مطالعه می‌شود تا صنعتگران و مهندسان بتوانند به‌صورت بهینه و منطبق با نیازهای خود از مواد گوناگون در فعالیت‌های خود بهره ببرند.

سرفصل مباحث ارائه شده در این درس عبارت‌اند از:

• خواص مواد:

در این بخش اشاره‌ای به انواع مواد شده سپس مقدمه‌ای در ارتباط با تنش‌ها و نیروهای وارد شده به قطعه و رفتار ماده و قطعه در برابر آن‌ها در چندین حالت بارگذاری نیرو از جمله بارگذاری استاتیکی، دینامیکی و در اثر دما مورد ارزیابی قرار می‌گیرد همچنین در این بخش اشاره‌ای به انواع روش‌های تولید و نحوه انتخاب ماده مطلوب می‌شود.

• ماهیت فلزات و آلیاژها:

در این بخش رابطه خواص ماده و ساختار آن در ابعاد میکروسکوپی و ساختار اتم‌ها، ساختار بلورین فلزات و ساختارهای دانه‌ای مواد مورد ارزیابی قرار گرفته و تأثیر کار سرد و گرم و تبلور مجدد و ... در همین ابعاد مورد بررسی قرار می‌گیرد.

• نمودارهای تعادل فازی و سیستم آهن-کربن:

در این بخش فاز یک ماده و نمودارهای تعادل فازی ماده سپس نمودار تعادل آهن-کربن و تأثیر درصد کربن بر انواع فولاد و دماهای مختلف تحلیل می‌شود.

• عملیات حرارتی:

در این بخش انواع عملیات حرارتی و اهداف مختلف آن تأثیر آن بر روی ماده بررسی می‌شود.

• فلزات و آلیاژهای آهنی:

در این بخش با تمرکز بر آلیاژ آهنی، انواع آن‌ها و ارتباطشان با درصد کربن موجود در ساختار آنان، کوئنچینگ و ... ارزیابی شده و ارتباطشان با استحکام و دیگر خواص مکانیکی مقایسه می‌شود.

• فلزات و آلیاژهای غیر آهنی:

در این فصل برخی از آلیاژهای غیر آهنی از جمله آلیاژهای مس، آلومینیم، منیزیم و ... همچنین برخی از آلیاژها با کاربرد هوافضایی به طور خاص از جمله سوپر آلیاژها، آلیاژهای آلومینیوم با کاربرد هوافضایی بررسی خواهند شد.

 

از کتب مرجع برای این درس می‌توان به مواد و فرایندهای تولید ای.پال دگارمو و علم مواد اشبی اشاره کرد که این دو کتاب به‌عنوان مرجع در این آموزش نیز استفاده شده است.

پیش‌نیاز درس علم مواد درس مقاومت مصالح است.

-------------------------------------------

فیلم‌برداری و تدوین: مانی قبولی خوشرو

تهیه‌کننده: مانی قبولی خوشرو و کیوان حاجی هاشمی

هماهنگی: هادی فتحی‌پور