تقسیم بندی مواد جامد
پیشرفت های وسیع و سریعی که در کلیه ی زمینه های صنعتی رخ داده است ، مرهون دست یابی به مواد با کیفیت بالا تر است که در ساخت قطعات ماشین آلات و تجهیزات صنعتی به کار می روند .
عموماً اغلب مهندسین شاغل در واحد های صنعتی ، به ویژه طراحی و ساخت و تولید ، با مواد مهندسی سرو کار دارند . آن ها معمولاً در انتخاب و کاربرد مواد در طراحی و ساخت و تولید اجزاء و بررسی و تحلیل شکستقطعات شرکت دارند .
موقعی که در طراحی و ساخت قطعه ای در مورد مواد تصمیم گیری می شود باید به مسائل مهمی از قبیل : روش ساخت ، دقت ابعادی ، حفظ و نگه داری شکل صحیح اولیه در حین کاربرد ، داشتن خواص مورد نظر و نگه داشتن آن خواص برای مدت معین تحت شرایط محیط کار ، امکان تعمیر و نگه داری آسان در هنگام کاربرد ، سازگاری ماده با دیگر مواد اجزاء سیستم ، بازیابی آسان ماده ، مسائل مربوط به زیست محیطی ماده در ارتباط با ساخت و تولید ، هزینه ی تولید و بالاخره در مواردی وزن و نوع سطح ظاهری آن توجه شود .
هدف اصلی مطالعه ی علم مواد آگاهی یافتن از انواع مواد ، خواص و توانایی آن ها در ارتباط با نیاز های صنعتی روز ، شناخت چگونگی تاثیر عوامل خارجی(از قبیل محیط و شرایط کاری) بر خواص و رفتار مواد و همچنین شناخت و بررسی روش ها و فرآیند هایی است که با کاربرد آن ها بتوان همواره در جهت حفظ و بهبود خواص مواد گام نهاد .
به طور کلی مواد جامد مهندسی مورد نیاز برای طراحی و ساخت و تولید را می توان به سه گروه اصلی با خواص مربوط به خود تقسیم بندی کرد که عبارتند از : مواد فلزی ، مواد غیر فلزی معدنی یا سرامیکی ، مواد پلیمری یا مصنوعی . علاوه بر این سه گروه ، دو گروه دیگر از مواد وجود دارند که از این سه گروه منشعب می شوند و به نام مواد مختلط یا کامپوزیت ها (Composites) و نیمه هادی ها (Semiconductors) شناخته شده اند .
الف) مواد فلزی :
مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه فلزات آهنی و آلیاژ های آن و فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن تقسیم می شود . فلزات آهنی و آلیاژ های آن عمدتاً درصد بسیار بالایی از آهن دارند که شامل انواع فولاد ها و چدن ها می شوند . فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن شامل تمام فلزات دیگر (غیر از آهن) مانند آلومنیوم ، مس ، روی ، تیتانیوم ، کرم و نیکل و ... و آلیاژ های آنهاست . البته آلیاژ های غیر آهنی مقدار بسیار نسبتاًجزئی آهن هم می توانند داشته باشند .
مواد فلزی عمدتاً رسانای خوبی برای حرارت و الکتریسیته هستند . اغلب فلزات در درجه حرارت های معمولی محیط شکل پذیر بوده و در مقابل واکنش های شیمیایی پایداری بسیار بالایی ندارند . فلزات در شرایط معمولی دارای ساختار کریستالی اند . فلزات به طور خالص به ندرت به کار می روند و اغلب از آلیاژ های آن ها در صنعت استفاده می شود .
ب) مواد غیر فلزی معدنی (سرامیکی) :
قسمت عمده ی مواد غیر فلزی معدنی مورد استفاده در صنعت را مواد سرامیکی تشکیل می دهند . انواع مختلفی از مواد سرامیکی تولید میشوند مانند سرامیک های اکسیدی(شامل ترکیباتی از عناصر فلزی با اکسیژن)،سرامیک های کاربیدی(ترکیباتی از کربن با بعضی از عناصر فلزی یا غیر فلزی)،سرامیک های سیلیکاتی(انواع چینی ها)،سرامیک های فرو الکتریکی یا سرامیک ها یکریستالی با قابلیت دو قطبی یا پلاریزه شدن و سرامیک های شیشه ای.
مواد سرامیکی نوعا استحکام و سختی بالایی دارند.سرامیک ها عموما در مقابل واکنش های شیمیایی بسیار پایدار بوده و در دماهای بالا مقاوم اند.سرامیک ها قبلا به عنوان مواد عایق جریان الکتریکی شناخته میشدند.اما اکنون میتوانند به گونه ای فراوری شوند که رسانای الکتریسیته نیز باشند مانند انواعی از فوق رساناها(ابر رساناها)،مغناطیس های سرامیکی،نیمه رساناهای سرامیکی مورد استفاده در صنایع الکترونیکی در ساخت ترانزیستور ها و یکسو کننده ها.امروزه سرامیک ها کاربرد وسیعی تقریبا در تمامی زمینه های صنعتی دارند،از جمله به عنوان انواع مصالح ساختمانی،انواع شیشه ها،الیاف شیشه برای عایق بندی و شیشه های پیشرفته در صنایع اپتیک،مواد ساینده(کاغذ سمباده ها)،مته ها و ابزار برش،انواع سیمان ها(برای استفاده د ساختمان سازی،جاده سازی،پل و سد سازس)سرامیک های پیشرفته در پوشش دهی(لایه های سخت و مقاوم در برابر سایش)بیو سرامیک ها،پیزو الکتریک ها،فوق رساناها(ابر رساناها)،***** ها،کاتالیست ها و پشتیبان یا کمک کاتالیست ها.
هنوز تنها عیب سرامیک ها تردی بسیار بالا یا انعطاف پذیری بسیار ضعیف انهاست.اما با فرایند های صنعتی جدید میتوان سرامیک های نسبتا مقاوم به شکست ترد تولید کرد.البته هنوز تحقیقات وسیعی برای افزایش مقاومت انها انجام میشود.
ج) مواد پلیمری (مواد مصنوعی) :
مواد پلیمری از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی از مولکول های زنجیره ای یا شبکه ای بزرگ مواد آلی ، که از کربن و عناصر دیگری مانند هیدروژن ، کلر ، فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده اند ، به وجود می آیند . مواد پلیمری در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طریق روشهای شیمیایی و پلیمر کردن منومر های گازی شکل بدست می آیند . اغلب مواد پلیمری دارای ساختار غیر کریستالی و یا مخلوطی از کریستالی و غیر کریستالی هستند .این مواد دارای قابلیت هدایت الکتریکی بسیار ضعیفی هستند ، به طوری که بعنوان عایق الکتریکی خوب به کار می روند ، مواد پلیمری معمولاً در درجه حرارت های پایین (زیر صفر) ترد می شوند ولی در درجه حرارت های نسبتاً بالا قابلیت شکل پذیری دارند و در درجه حرارت های بالا ذوب یا متلاشی می شوند .این مواد در مقابل عوامل و واکنش های شیمیایی در درجه حرارت معمولی محیط و در مجاورت هوای آزاد پایدارند . عموماً مواد پلیمری وزن مخصوص پایینی دارند .
د) مواد مختلط یا کامپوزیت ها :
مواد مختلط یا کامپوزیت ها به موادی گفته می شود که از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشکیل شده باشند . اجزای مواد مختلط از نظر شکل و ترکیب شیمیایی متفاوت بوده و در یکدیگر حل نمی شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد میکروسکوپی و ماکروسکوپی وجود دارند . بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید به دست آورد که به نوبه ی خود دارای خواصی مناسبتر از خواص هر یک از اجزای اولیه هستند . انواع مختلفی از مواد مختلط وجود دارند . اغلب مواد مختلط شامل یک جزء نرم و شکل پذیر به عنوان جزء اصلی زمینه و یک جزء بسیار سفت و سخت به عنوان تقویت کننده است . جزء تقویت کننده می تواند به شکل های صفحه ای ، الیافی و ذره ای باشد . همچنین موادی که سطح خارجی آن ها برای حافظت در مقابل خوردگی و یا سایش پوشش داده می شود ، مانند قلع و روی اندود کردن و یا گالوانیزه کردن سطح خارجی به وسیله ی جزء مقاوم دوم ، مثل آب کرم و نیکل دادن ، روکش دادن مکانیکی با ورق بسیار نازک ، پوشش دادن با مواد پلیمری و یا سرامیکی ، جزء مواد مختلط هستند .
ه) مواد نیمه هادی :
نیمه هادی ها از جمله مواد معدنی بوده و از نظر خواص بین مواد فلزی و سرامیکی قرار دارد و در صنایع الکترونیکی به کار می رود . هدایت الکتریکی نیمه هادی ها قابل کنترل بوده ، به طوری که می تواند در ساخت ترانزیستور ها و یکسو کننده ها به کار روند .
پیشرفت های وسیع و سریعی که در کلیه ی زمینه های صنعتی رخ داده است ، مرهون دست یابی به مواد با کیفیت بالا تر است که در ساخت قطعات ماشین آلات و تجهیزات صنعتی به کار می روند .
عموماً اغلب مهندسین شاغل در واحد های صنعتی ، به ویژه طراحی و ساخت و تولید ، با مواد مهندسی سرو کار دارند . آن ها معمولاً در انتخاب و کاربرد مواد در طراحی و ساخت و تولید اجزاء و بررسی و تحلیل شکستقطعات شرکت دارند .
موقعی که در طراحی و ساخت قطعه ای در مورد مواد تصمیم گیری می شود باید به مسائل مهمی از قبیل : روش ساخت ، دقت ابعادی ، حفظ و نگه داری شکل صحیح اولیه در حین کاربرد ، داشتن خواص مورد نظر و نگه داشتن آن خواص برای مدت معین تحت شرایط محیط کار ، امکان تعمیر و نگه داری آسان در هنگام کاربرد ، سازگاری ماده با دیگر مواد اجزاء سیستم ، بازیابی آسان ماده ، مسائل مربوط به زیست محیطی ماده در ارتباط با ساخت و تولید ، هزینه ی تولید و بالاخره در مواردی وزن و نوع سطح ظاهری آن توجه شود .
هدف اصلی مطالعه ی علم مواد آگاهی یافتن از انواع مواد ، خواص و توانایی آن ها در ارتباط با نیاز های صنعتی روز ، شناخت چگونگی تاثیر عوامل خارجی(از قبیل محیط و شرایط کاری) بر خواص و رفتار مواد و همچنین شناخت و بررسی روش ها و فرآیند هایی است که با کاربرد آن ها بتوان همواره در جهت حفظ و بهبود خواص مواد گام نهاد .
به طور کلی مواد جامد مهندسی مورد نیاز برای طراحی و ساخت و تولید را می توان به سه گروه اصلی با خواص مربوط به خود تقسیم بندی کرد که عبارتند از : مواد فلزی ، مواد غیر فلزی معدنی یا سرامیکی ، مواد پلیمری یا مصنوعی . علاوه بر این سه گروه ، دو گروه دیگر از مواد وجود دارند که از این سه گروه منشعب می شوند و به نام مواد مختلط یا کامپوزیت ها (Composites) و نیمه هادی ها (Semiconductors) شناخته شده اند .
الف) مواد فلزی :
مواد فلزی از نظر اهمیتی که در صنعت دارد به دو گروه فلزات آهنی و آلیاژ های آن و فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن تقسیم می شود . فلزات آهنی و آلیاژ های آن عمدتاً درصد بسیار بالایی از آهن دارند که شامل انواع فولاد ها و چدن ها می شوند . فلزات غیر آهنی و آلیاژ های آن شامل تمام فلزات دیگر (غیر از آهن) مانند آلومنیوم ، مس ، روی ، تیتانیوم ، کرم و نیکل و ... و آلیاژ های آنهاست . البته آلیاژ های غیر آهنی مقدار بسیار نسبتاًجزئی آهن هم می توانند داشته باشند .
مواد فلزی عمدتاً رسانای خوبی برای حرارت و الکتریسیته هستند . اغلب فلزات در درجه حرارت های معمولی محیط شکل پذیر بوده و در مقابل واکنش های شیمیایی پایداری بسیار بالایی ندارند . فلزات در شرایط معمولی دارای ساختار کریستالی اند . فلزات به طور خالص به ندرت به کار می روند و اغلب از آلیاژ های آن ها در صنعت استفاده می شود .
ب) مواد غیر فلزی معدنی (سرامیکی) :
قسمت عمده ی مواد غیر فلزی معدنی مورد استفاده در صنعت را مواد سرامیکی تشکیل می دهند . انواع مختلفی از مواد سرامیکی تولید میشوند مانند سرامیک های اکسیدی(شامل ترکیباتی از عناصر فلزی با اکسیژن)،سرامیک های کاربیدی(ترکیباتی از کربن با بعضی از عناصر فلزی یا غیر فلزی)،سرامیک های سیلیکاتی(انواع چینی ها)،سرامیک های فرو الکتریکی یا سرامیک ها یکریستالی با قابلیت دو قطبی یا پلاریزه شدن و سرامیک های شیشه ای.
مواد سرامیکی نوعا استحکام و سختی بالایی دارند.سرامیک ها عموما در مقابل واکنش های شیمیایی بسیار پایدار بوده و در دماهای بالا مقاوم اند.سرامیک ها قبلا به عنوان مواد عایق جریان الکتریکی شناخته میشدند.اما اکنون میتوانند به گونه ای فراوری شوند که رسانای الکتریسیته نیز باشند مانند انواعی از فوق رساناها(ابر رساناها)،مغناطیس های سرامیکی،نیمه رساناهای سرامیکی مورد استفاده در صنایع الکترونیکی در ساخت ترانزیستور ها و یکسو کننده ها.امروزه سرامیک ها کاربرد وسیعی تقریبا در تمامی زمینه های صنعتی دارند،از جمله به عنوان انواع مصالح ساختمانی،انواع شیشه ها،الیاف شیشه برای عایق بندی و شیشه های پیشرفته در صنایع اپتیک،مواد ساینده(کاغذ سمباده ها)،مته ها و ابزار برش،انواع سیمان ها(برای استفاده د ساختمان سازی،جاده سازی،پل و سد سازس)سرامیک های پیشرفته در پوشش دهی(لایه های سخت و مقاوم در برابر سایش)بیو سرامیک ها،پیزو الکتریک ها،فوق رساناها(ابر رساناها)،***** ها،کاتالیست ها و پشتیبان یا کمک کاتالیست ها.
هنوز تنها عیب سرامیک ها تردی بسیار بالا یا انعطاف پذیری بسیار ضعیف انهاست.اما با فرایند های صنعتی جدید میتوان سرامیک های نسبتا مقاوم به شکست ترد تولید کرد.البته هنوز تحقیقات وسیعی برای افزایش مقاومت انها انجام میشود.
ج) مواد پلیمری (مواد مصنوعی) :
مواد پلیمری از کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی از مولکول های زنجیره ای یا شبکه ای بزرگ مواد آلی ، که از کربن و عناصر دیگری مانند هیدروژن ، کلر ، فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده اند ، به وجود می آیند . مواد پلیمری در طبیعت به صورت آزاد وجود ندارند و اغلب از طریق روشهای شیمیایی و پلیمر کردن منومر های گازی شکل بدست می آیند . اغلب مواد پلیمری دارای ساختار غیر کریستالی و یا مخلوطی از کریستالی و غیر کریستالی هستند .این مواد دارای قابلیت هدایت الکتریکی بسیار ضعیفی هستند ، به طوری که بعنوان عایق الکتریکی خوب به کار می روند ، مواد پلیمری معمولاً در درجه حرارت های پایین (زیر صفر) ترد می شوند ولی در درجه حرارت های نسبتاً بالا قابلیت شکل پذیری دارند و در درجه حرارت های بالا ذوب یا متلاشی می شوند .این مواد در مقابل عوامل و واکنش های شیمیایی در درجه حرارت معمولی محیط و در مجاورت هوای آزاد پایدارند . عموماً مواد پلیمری وزن مخصوص پایینی دارند .
د) مواد مختلط یا کامپوزیت ها :
مواد مختلط یا کامپوزیت ها به موادی گفته می شود که از مخلوط چند ماده (حداقل دو ماده) با خواص متفاوت تشکیل شده باشند . اجزای مواد مختلط از نظر شکل و ترکیب شیمیایی متفاوت بوده و در یکدیگر حل نمی شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد میکروسکوپی و ماکروسکوپی وجود دارند . بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید به دست آورد که به نوبه ی خود دارای خواصی مناسبتر از خواص هر یک از اجزای اولیه هستند . انواع مختلفی از مواد مختلط وجود دارند . اغلب مواد مختلط شامل یک جزء نرم و شکل پذیر به عنوان جزء اصلی زمینه و یک جزء بسیار سفت و سخت به عنوان تقویت کننده است . جزء تقویت کننده می تواند به شکل های صفحه ای ، الیافی و ذره ای باشد . همچنین موادی که سطح خارجی آن ها برای حافظت در مقابل خوردگی و یا سایش پوشش داده می شود ، مانند قلع و روی اندود کردن و یا گالوانیزه کردن سطح خارجی به وسیله ی جزء مقاوم دوم ، مثل آب کرم و نیکل دادن ، روکش دادن مکانیکی با ورق بسیار نازک ، پوشش دادن با مواد پلیمری و یا سرامیکی ، جزء مواد مختلط هستند .
ه) مواد نیمه هادی :
نیمه هادی ها از جمله مواد معدنی بوده و از نظر خواص بین مواد فلزی و سرامیکی قرار دارد و در صنایع الکترونیکی به کار می رود . هدایت الکتریکی نیمه هادی ها قابل کنترل بوده ، به طوری که می تواند در ساخت ترانزیستور ها و یکسو کننده ها به کار روند .
