مرکز دانلود کتاب الکترونیک مواد ، مکانیک ، عمران و مهندسی شیمی

مواد مهندسی

در زمینه شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، دامنه وسیعی از مواد در دسترس هستند که هر کدام خواص، امتیازات، محدودیت ها، و کاربردهای خودشان را دارند. این مواد را به پنج دسته کلی زیر می توان تقسیم کرد:
۱٫ مواد فلزی
۲٫ مواد پلیمری
۳٫ سرامیک ها
۴٫ کامپوزیت ها
۵٫ غیره (نظیر شیشه، چوب، نیمه هادی ها، و …)

از طرف دیگر هنگام انتخاب یک ماده برای یک کاربرد خاص، خواص ماده باید تامین کننده کاربرد و شرایط کارکرد جزء یا ساختاری باشند که در حال طراحی است. خواص، که مستقیما بر انتخاب ماده اثر می گذارند می توانند به دسته های زیر تقسیم شوند:

• خواص مکانیکی نظیر سفتی، استحکام، داکتیلیته، سختی، چقرمگی و غیره
• خواص فیزیکی نظیر چگالی، هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی، و غیره
• خواص شیمیایی نظیر مقاومت خوردگی در محیط های مختلف
• خواص تولید نظیر شکل پذیری، قابلیت ماشین کاری، سهولت اتصال، و غیره

ملزومات یک محصول به طور مستقیم توسط خواص مکانیکی، فیزیکی، و شیمیایی آن بدست می آیند. با این حال برای اینکه محصول از نظر فنی قابل تولید باشد، ماده باید خواص مناسب تولید داشته باشد. به عنوان مثال یک قطعه فورج نیاز به ماده ای با قابلیت جریان یابی کافی بدون ترک خوردن حین فورجنیگ دارد، یک نمونه ریختگی نیاز به ماده ای دارد که به سهولت در حالت مذاب جریان یابد و قالب را پر کند و هنگام انجماد تخلخل ها و ترک های نامطلوب ایجاد نکند.

انتخاب مواد مهندسی

یکی از قسمت های بسیار مهم گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، انتخاب مواد است. مسلما یکی از اولین قدم ها در طراحی هر گونه قطعه مهندسی انتخاب مواد آن است. انتخاب مواد به گونه ای که هم در حین ساخت هم در حین کاربرد مناسب باشند و حتی بعد از دور ریز گزینه مناسبی برای چرخه طبیعت باشند از مهم ترین قسمت های طراحی است .
مهندسین طراح یک سری آزمایشات و آنالیزهای مواد هم به صورت فیزیکی هم به صورت مجازی با مدل سازی و شبیه سازی برای یافتن بهترین ماده جایگزین انجام می دهند. سوال این است: عواملی که قبل از انتخاب یک ماده برای مهندسی باید لحاظ شوند کدامند. پاسخ این است:

۱- هزینه ماده
۲- قابلیت تولید آن
۳- مسائل محیط زیستی
۴- خواص شیمیایی
۵- خواص فیزیکی
۶- خواص مکانیکی

برخی خواص مکانیکی حائز اهمیت عبارتند از 

۱٫ استحکام کششی
۲٫ استحکام تسلیم
۳٫ حد خستگی
۴٫ استحکام ضربه
۵٫ استحکام و مدول خمش
۶٫ استحکام فشار
۷٫ داکتیلیته
۸٫ چقرمگی و ضریب اصطکاک
۹٫ پلاستیسیته
۱۰٫ چقرمگی شکست
۱۱٫ استحکام برشی
۱۲٫ غیره

روش های شناسایی مواد مهندسی:

شناسایی مواد و مشخصه گذاری فیزیکی آن کلید فهم کاربردهای مهندسی، کنترل کیفیت، و علل تخریب هستند. از جمله مهم ترین روش های شناسایی مواد می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• متالوگرافی
• آزمایشگاه خواص مکانیکی (کشش، خمش، ضربه،…)
• میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM
• میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM
• آزمایشگاه اسپکترومتری نشری آزمایشگاه خوردگی
• آزمایشات غیر مخرب NDT
• تفرق اشعه ایکس (XRD)
• اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)
• اسپکتروسکوپی انرژی اشعه ایکس (EDS)
• فلورسانس اشعه ایکس (XRF)
• (ICP-OES)
• و غیره.

1- آهن و آلیاژهای آهنی :

آهن به عنوان یک عنصر خالص ، فلزی مناسب برای استفاده های صنعتی به شمار نمی رود . برای تولید فولاد و چدن مقدار کمی عنصر کربن و عناصر فلزی دیگر به آهن خالص اضافه می شود .

فرق اساسی بین فولاد و چدن در میزان کربن آنهاست. کربن موجود در فولاد بین صفر تا 2% و کربن موجود در چدن از 2% تا 67/6% می باشد . دیگر عناصر آلیاژی مثل منگنز و کرم به فولاد خصوصیات دیگری مانند مقاومت در برابر سایش ، مقاومت در برابر خوردگی و... را می دهد . مثال هایی از طبقه بندی فولاد و چدن آورده شده است . شمش آهن ، آهن کارشده ، چدن خاکستری ، فولادهای کربنی ، فولادهای کربن متوسط و کربن بالا ، فولاد های زنگ نزن ، فولاد های ابزار و....

فولادها :

فولادها گروهی از آلیاژ های Fe-C همراه با عناصر دیگر هستند که بیشترین کاربرد را در صنعت و تکنولوژی دارند . یکی از علل اصلی کاربرد وسیع فولادها ، خواص متنوعی است که به کمک روش های مختلف عملیات حرارتی و فرایند های تولید در آنها ایجاد می شود . در جدول زیر نمونه هایی از ترکیب شیمیایی فولاد های تجاری آورده شده است .

از انواع فولادهای تجاری می توان به فولادهای زیر اشاره نمود :

فولادهای نرم – ورق باضخامت کم ، فولاد های ساختمانی – ورق باضخامت کم ، فولادهای سمنتاسیون و فولادهای عملیات حرارتی نام برد که هریک دارای ترکیب شیمیایی متفاوت و بالطبع خواص مکانیکی متفاوت می باشد .

فولاد های ساده کربنی :

فولاد های کم کربن با 1/0 تا 25/0 درصد کربن :

برای افزایش استحکام و سختی این فولادها را کربوره می کنند بدلیل اینکه آبدهی و بازپخت آنها پر هزینه می باشد .گرید های این فولادها 1016 ، 1018 ، 1019 در مقاطع نازک به کار می روند و برای مقاطع بزرگ از فولاد های 1024 ، 1022 استفاده می شود .

فولادهای دارای کربن متوسط 25/0 تا55/0 درصد کربن :

معمولا این فولاد ها با آبدهی و بازپخت مستحکم می شوند . گرید های 1030و 1040 پرکاربرد هستند . بیشتر قطعات خودرو ها( نظیر قسمت های موتور ، انتقال دهنده ها ، معلق ها و...) از این فولاد ساخته می شوند .

فولاد های پرکربن با 55/0- 1 درصد :

گرید های 1060، 1080و 1095 در این رده هستند . به دلیل کربن بالا دارای کاربرد کمتری هستند و دارای شکل پذیری کمتری هستند .

فولادهای میکروآلیاژی :

میکرو آلیاژهای فولادهای ساده کربنی با درصد کمی از (کمتر از 1/0 درصد) از عناصر تشکیل دهنده کاربید ونیترید نظیر کلمبیم ، تیتانیم و وانادیم می باشد که دارای استحکام و چقرمگی خوبی می باشد .

فولاد های آلیاژی :

این فولادها خواص ویژه ای دارند که ناشی از عناصر آلیاژی افزوده شده به فولاد است .

فولادهای منگنزدار : برای احیای فولاد و ترکیب با گوگرد به منظور تشکیل سولفید منگنز کروی در حدود 25/0 تا 1 درصد منگنز به تمام فولادهای تجاری اضافه می شود . منگنز وقتی موثرتر است که افزایش استحکام مدنظر باشد . فولادهای سری 13XXاز فولاد های کم آلیاژ منگنزداریست که دارای کربن اسمی 3/0 تا 45/0 و 75/1 درصد منگنز است . این نوع فولاد در میله ها ، محور ها ، چرخدنده ها ، میله های قید و بست خودرو و ابزار کشاورزی به کار می رود .

فولادهای کم آلیاژ کرم دار :کرم برای بهبود سختی پذیری ، استحکام و مقاومت سایشی به فولاد افزوده می شود . فولاد های سری 51XX که دارای کربن بیشتری هستند به عنوان فولاد فنر به کار می روند مانند سری 52100 بسیار مقاوم در برابر سایش می باشد.

فولاد های مولیبدن دار : جهت بهبود استحکام و سختی پذیری فولاد های ساده کربنی مقدار کمی به آنهامولیبدن اضافه می شود . سری 40XX مقدار اضافه شده در این فولاد ها 25/0% محدود می شود . این فولاد به شکل وسیعی در چرخدنده های محور عقب و قطعات انتقال خودرو به کار می روند.

فولاد های کرم – مولیبدن دار : سری فولادهای 41XX دارای کرم و مولیبدن می باشد که در این حالت سختی پذیری ، استحکام و مقاومت به سایش را نسبت به فولاد ساده کربنی افزایش می دهد.

فولاد های نیکل – کرم – مولیبدن : فولادهای سری 43XX را تشکیل می دهند . در فولاد های 86XX مقدار نیکل به 55/0% کاهش می یابد . نیکل به همراه کرم ، فولادهای کم آلیاژی با حد کشسان بالا ، سختی پذیری زیاد و مقاومت زیاد به خستگی و ضربه به وجود می آورند . این نوع فولادها برای ساخت قطعاتی با وظایف سنگین که نیاز به مقاومت بیشتری دارند مانند چرخ دنده ها و لوله های هواپیما به کار می روند .

فولاد های دارای نیکل – سیلیسیم – کرم – مولیبدن : افزایش تقریبا 2% سیلیسیم به فولاد 4340 به طور محسوسی استحکام و چقرمگی آنرا افزایش می دهد . در حال حاضر به عنوان فولادی با استحکام بالا در چرخ های هواپیما کاربرد دارد .

چدن ها :

برای استفاده در بسیاری از قطعات سنگین ماشین ها از چدن استفاده می شود . چدن 2 تا 67/6 % کربن دارد . انواع آن شامل چدن خاکستری ، چدن داکتیل ، چدن مالیبل ، چدن سفید ، چدن با گرافیت فشرده ، چدن های آلیاژی و... می باشد .

برخی از خواص ویژه چدن ها که آنها را ممتاز می کند عبارتند از : نقطه ذوب پایین ، قابلیت سیالیت زیاد ، کم بودن میزان انقباض در زمان انجماد ، مقاومت کم در برابر ضربه ، انعطاف پذیری کم ، فابلیت جذب ارتعاش مناسب ، مقاومت سایشی خوب و عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی و...

چدن های خاکستری : معمولا چدن های خاکستری را بر مبنای حداقل استحکام کششی که در یک اندازه معین بدست می آید دسته بندی می کنند . بیشتر چدن های خاکستری طبق ASTM A 48 طبقه بندی می شوند که شامل گروه هایی با استحکام 20000 تا psi60000 می باشند . استحکام چدن های خاکستری بیشتر به ساختار زمینه ، اندازه ، توزیع و نوع رشته های گرافیت بستگی دارد .

چدن نشکن (داکتایل) :

چدن نشکن دارای زمینه فریتی و یا هر دو همراه با گرافیت های کروی است . به هنگام انجماد چدن نشکن ، بیشتر کربن به صورت گروی شکل تشکیل می شود . ریزساختار چدن نشکن در حالت ریختگی شامل کره های گرافیتی است که با فریت آزاد (ساختارچشم گاوی) در زمینه پرلیتی احاطه شده است . این چدن دارای خواص چدن خاکستری از قبیل نقطه ذوب پایین ، سیالیت و قابلیت رختگری خوب ، ماشینکاری عالی و مقامت سایشی خوب می باشد . چدن داکتایل دارای استحکام ، شکل پذیری ، چقرمگی و توانایی کارگرم مطلوب است .

چدن چکش خوار (مالیبل) :

با انجام عملیات حرارتی بر روی چدن سفید ، چدن چکش خوار بدست می آید . یعنی با عملیات حرارتی مناسب ، ساختار چدن سفید که کاربید آهن دارد به ساختار چدن چکش خوار تبدیل می شود .

چدن آلیاژی مقاوم به سایش :

چدن تبریدی : معمولا دارای لایه ای سخت از چدن سفید با ریختگری چدن مذاب در قالب فلزی یا گرافیتی با سرد کردن سریع و با سرد کردن آرام با استفاده از مبرد ها باعث گرافیت زایی و تشکیل چدن خاکستری می گردد .از آنجا که در این چدن ها با استفاده از مبرد ساختاری دوتایی ایجاد می شود ، به آنها چدن های ریختگری تبریدی گفته می شود .

چدن سفید : چدنی است که در اثر کربن اضافی به جای گرافیت رشته ای یا کروی به صورت کاربید در می آید که منجر به ساختاری مارتنزیتی ، بینایتی و یا آستنیته می شود .

انواع فولادهای زنگ نزن :

1- فولاد های زنگ نزن فریتی : این آلیاژها معمولا 12 تا 30% کرم دارند و مقدار کربن آنها کمتر از 12/0% می باشد . از آنجا که ساختار این آلیاژها در شرایط معمول عملیات حرارتی به صورت فریت ( آهن آلفا در ساختار BCC ) باقی می ماند فریتی نامیده می شود . فولاد های زنگ نزن فریتی از این جهت مورد توجه قرار می گیرند که مقاومت به خوردگی آنها ماندد فولادهای زنگ نزن نیکل دار است اما ارزانتر است .سایر عناصز آلیاژی به مقدار کم و برای بهبود مقاومت خوردگی و یا خواصی از قبیل قابلیت میاشینکاری به آن اضافه می شوند . این نوع فولاد ها عملیات حرارتی پذیر نیستند . همچنین شکل پذیر نیستند و به ترک حساس اند و قابلیت جوشکاری ضعیفی دارند .

فولاد های ابزار :

امروزه فولادهای ابزار در ساخت مته ها ، قالب های کشش عمیق ، سنبه ها ، قالب های اکستروژن ، تیغه های برش و ابزار برش به کار می روند . روشش دسته بندی فولادهای ابزار را موسسه آهن و فولاد امریکا عرضه کرده است . انجمن AISI برای دسته بندی فولاد های ابزار بر مبنای روش آبدهی ، روش کاربرد ، ویژگی های خاص و ترکیب شیمیایی استوار شده است

1- فلزات و آلیاژهای غیر آهنی :

مس و آلیاژهای آن :

مس یکی از مهمترین عناصر مورد استفاده در صنایع غیر آهنی است که پیشینه آن به دوره های قبل از آهن می رسد و بیش از پنج هزار سال است که در صنایع مختلف جنگی ، هنری و خانگی مورد استفاده قرار می گیرد . مس و آلیاژهای آن بر حسب سیستم های مجازی که جامعه توسعه مس (C.D.A) طراحی کرده است طبقه بندی می شوند . در این سیستم اعدادی از C100 تا C799 مشخص کننده آلیاژهای کارشده و اعدادی از C800 تا C799 مشخص کننده آلیاژهای ریخته شده می باشند . این دو طبقه اساسی به گروه ها و زیرگروه های مختلف تقسیم بندی می شوند .

آلومینیم و آلیاژهای آن :

طبقه بندی و مشخصات حالت آلیتژهای آلومینیم :

طبقه بندی :

1- آلیاژهای کارپذیر آلومینیم : یک سیستم چهار رقمی برای شناسایی آلیاژهای آلومینیم به کار می رود . عدد اول گروه آلیاژرا نشان می دهد و دو عدد آخر مشخص کننده آلیاژ یا خلوص آلومینیم است . عدد دوم مشخص کننده اصلاح آلیاژ اصلی یا حدود ناخالصی هاست .

2- آلیاژهای ریختگی : برای شناسایی آلومینیم و آلیاژهای ریختگی آن و نیز شمش های ریختگری یک سیستم چهار رقمی به کار می رود . اولین رقم مشخص کننده گروه آلیاژ است . دو رقم بعدی مشخص کننده آلیاژ آلومینیم یا تعیین کننده خلوص آن است . آخرین رقم که با یک نقطه ممیز از سه عدد اول جدا می شود ، مشخص کننده شکل محصول است .یعنی به شکل ریختگی یا شمش .

تغییر آلیاژ اصلی و یا حد ناخالصی ها با یک سری حروف قبل از مشخصه های عددی بیان می شود . حرف X برای آلیاژهای تجربی به کار می رود . با این وجود ، آلیاژهای ریختگی آلومینیم معمولا با سه عدد مشخص می شوند .

مشخصات حالت : مشخصات حالت پس از مشخصات آلیاژ و بعد از خط تیره ذکر می شود (مثلا3003-O) زیر تقسیمات حالت اصلی به نوبت با یک چند عدد اضافی مشخص می شود (مثلا 3003-H14)