امروزه انسانها و حیوانات در جهانی در حال زیستن هستند که اطرافشان پر از مواد مختلف است و انتخاب مواد برای کاربرد مناسب یکی از موضوعات به روز است. هر جزء یا بخش از مواد مختلفی تشکیل شدند که کاربرد یا کارایی آنها بسته به مواد تشکیلدهنشان میتواند متفاوت باشد. در واقع در این جهان ظهور و ساخت هیچ افکار یا ایده مهندسی بدون وجود مواد ممکن نیست. با توجه به همه این نکات در کشور عزیزمان ایران متاسفانه به مواد اهمیت کمتری میدهند.
به همین منظور در بسیاری از مواقع صنایع مختلف هزینههای بسیار زیادی را در طی طول یک ساله کارشان متحمل میشوند. اگر شرکتها در زمینههای مختلف بدانند که با انتخاب صحیح مواد میتوانند جلوی هدر رفت بخش عظیمی از سرمایه و انرژی را بگیرند، قطعا نه تنها هزینهها کاهش پیدا میکند بلکه سود حاصل از تولید آنها روز به روز در حال افزایش خواهد بود.
مواد مهندسی چیست؟
قبل از هر چیزی بهتر است شما در همین ابتدای موضوع با مواد مهندسی آشنا شوید تا بتوانید نقش آنالیز متالورژیکی در انتخاب مواد را به خوبی درک کنید. به طور کلی مواد مهندسی به موادی گفته میشود که دارای سه ویژگی زیر هستند. هر ماده با سه ویژگی زیر را مواد مهندسی میگویند.
1. غیرجاندار
مواد مهندسی همیشه به صورت غیرجاندار هستند. به عنوان مثال چوب تنه درختی که هنوز نفس میکشد به عنوان یک موجود جاندار شناخته میشود. اما این در حالیست که اگر این چوب را از تنه جدا کنیم و قصد داشته باشیم با آن صندلی چوبی بسازیم یک موجود غیرجاندار محسوب میشود. بنابراین تکههای چوب جدا شده از درخت را میتوان یک ماده مهندسی نامید.
2. در دمای مورد استفاده، باید جامد باشد
تمامی مواد مهندسی باید در هنگام استفاده جامد باشند یا به شکل جامد خود در آورده شده باشند. به عنوان مثال آب یک ماده مایع است. به همین منظور این ماده به عنوان ماده مهندسی شناخته نمیشود. اما اگر همین آب را به نقطه انجماد برسانید و تبدیل به یخ شود میتواند به عنوان یک ماده غیرجاندار جامد باشد که به آن ماده مهندسی نیز گفته میشود.
3. کاربردی بودن ماده
به موادی مهندسی گفته میشود که در صنایع مختلف یا در تولید یک وسیله یا هر شی دیگری کاربردی مشخص داشته باشد. در غیر اینصورت به عنوان ماده مهندسی محسوب نمیشود.
مواد چند دستهاند؟
به طور کلی مواد به چند دسته کلی تقسیمبندی میشوند که در ادامه لیستی از آنها را بیان خواهیم کرد.
1 فلزات :
به طور کلی فلزات خود به سه دسته فلزات آهنی، غیرآهنی و آلیاژها طبقهبندی میشوند. گروه فلزات آهنی در اغلب موارد از جنس آهن هستند. در این گروه علاوه بر آهن در برخی مواقع ممکن است از سایر فلزات مانند کربن، منگنز، نیکل، کروم و سیلیکون، تیتانیوم، تنگستن و غیره نیز بهره گرفته شده باشد.
دسته دیگر در این گروه، فلزات غیرآهنی هستند. همانطور که از نام این فلزات مشخص است، آنها حاوی آهن نیستند. این فلزات از سایر فلزات رایج و خالص نظیر: آلومینیوم، مس، سرب، روی، قلع، نقره و طلا ساخته شدهاند. آلیاژها دسته آخر این گروه هستند که معمولا از فلزات جدید یا ترکیب دو یا چند فلز و گاهی چندین عنصر به وجود آمدهاند.
2. سرامیکها :
معمولا به تمام جامدات غیرآلی غیر فلزی که مهمترین مشخصه آنها، داشتن مخلوطی از پیوندهای یونی و کووالانسی است، سرامیک گفته میشود. همانطور که احتمالا بارها این مواد را دیدهاید از تنوع و ظاهر بالاتری برخوردار هستند. این مواد مهندسی به در اشکال مختلف و بافتهای رسی، شفاف، شیشهای، رنگارنگ و… در بازار موجود و قابل مشاهدهاند.
3. پلیمرها :
طی فرآیند پلیمریزاسیون، پلیمرها یا پلاستیکها تولید میشوند. این مواد حاصل پیوندهای کووالانسی هزاران مولکول آلی کوچک به نام مونومر یا مرس هستند. در واقع اگر شما به ساختار یک پلیمر نگاه کنید، گویی چندین سکه را از مرکز سوراخ کردید و به یکدیگر متصل کردهاید. در نهایت شما یک زنجیره سکه خواهید داشت. در این حالت سکهها مونومرها و زنجیره سکهها پلیمر محسوب میشود.
4. کامپوزیتها:
کامپوزیتها به نسبت سایر موارد بالا کمی جدیدتر هستند. در علم و مهندسی مواد، به مواد کامپوزیتی دست پیدا کردهاند که آنها تنها از یک یا دو ویژگی فیزیکی یا شیمیایی کاملا متفاوت تشکیل شدهاند. این مواد هنگامی که با یکدیگر ترکیب میشوند، یک ماده با خواص جدید را تشکیل میدهند.
5. نیمه هادیها :
در کنار مواد عایق و رساناها با موادی به نام نیمه هادی روبرو میشوند. این مواد براساس شرایط، مواد و همچنین میدان الکتریکی رفتاری دوگانه از خود نشان میدهند. این مواد در برخی شرایط عایق و در برخی شرایط رسانا هستند.
در کنار تمامی مواد شناخته شده بالا، برخی از مواد دیگری هستند که در صنایع ممکن است مورد استفاده قرار بگیرند اما در دستهبندی فرعی مواد قرار دارند که نام برخی از آنها به شرح زیر است.
6. بیومواد :
قدمت بهره از این مواد به هزاران سال پیش برمیگردد. زمانی که مردم در آن زمان تنها از مواد چوبی استفاده میکردند. اما پس از رشد تکنولوژی و علم مهندسی مواد همه چیز کمی پیشرفتهتر شد و این مواد در برخی از صنایع قابل بهره و استفاده شدند. به عنوان مثال از آنها میتوانید در فناوری واکسنها، داروها یا پروتئینهای جدید بهره بگیرید. بیو مواد در بسیاری از زمینههای پزشکی نیز قابل استفاده است. در هر فرد در زندگی برای یک بار هم که شده احتمالا از مواد بیوزیستی استفاده کرده است.
7. مواد مغناطیسی :
مواد مغناطیسی همانطور که از نامشان پیداست در برخی شرایط به طور طبیعی خاصیت جذب یا دفع دارند. برخی از این مواد عبارتند از: آهن، نیکل، کبالت و فریت.
8. مواد هوشمند :
به مواد که بسته به تغییرات محیط از خود واکنش نشان میدهند مواد هوشمند گفته میشود. یعنی این مواد هنگامی که در معرض شرایط خارجی مانند دما، نور، فشار یا الکتریسیته قرار میگیرند، تغییر برگشتپذیری را از خود نشان میدهند.
مواد چه خواصی دارند؟
به طور کلی مواد دارای سه ویژگی مهم هستند که عبارتند از:
- خواص فیزیکی
- خواص شیمیایی
- خواص مکانیکی
خواص فیزیکی
مواد مهندسی و سایر مواد به دلیل ساختار میکروسکوپی که دارند همیشه از یک ساختار اتمی و خصوصیات ثابت پیروی میکنند. به این خصوصیات ثابت و غیر قابل تغییر مواد، خواص فیزیکی گفته میشود.
به عنوان مثال چگالی، هدایت حرارتی، بازتایش، نفوذپذیری و خاصیت مغناطیسی از خواص فیزیکی یک ماده محسوب میشوند. به طور کلی خواص فیزیکی خود به سه دسته اصلی تقسیم میشوند که عبارتند از:
- خواص الکتریکال و مگنتیک
- خواص حرارتی
- خواص متفرقه
خواص مکانیکی
در یک تعریف کوتاه و مختصر میتوان گفت به رفتار ماده در بارگذاری مکانیکی، خواص مکانیکی گفته میشود. به عنوان مثال استحکام، فنریت، صلبیت شکلی، شکلپذیری، چقرمگی و… همگی جزء خواص مکانیکی محسوب میشوند.
خواص شیمیایی
به آن دسته از خواصی که هنگام واکنش با یک ماده شیمیایی تغییر پیدا میکند، خاصیت شیمیایی میگویند. به عنوان مثال مقاومت نسبت به خوردگی جزء خواص شیمیایی یک ماده است.
چه پارامترهایی در انتخاب مواد موثرند؟
به طور کلی در روند انتخاب مواد باید به شش پارامتر توجه ویژه داشته باشید. در ادامه شش پارامتر انتخاب مواد را به طور کامل برایتان آوردهایم اما دو پارامتر اصلی و مهم را به طور کامل بررسی کردهایم.
- در دسترس بودن ماده
- هزینه
- تکنولوژی
- سهولت بازیافت
- مقدار مصرف انرژی و تبدیل یک ماده در روند تولید محصول
- آلودگی زیست محیطی
در ادامه این مطلب قصد داریم به صورت کامل به دو مورد از مهمترین پارامترهای تاثیرگذار در انتخاب یعنی هزینه بپردازیم.
- بخش اول: طراحی محصول و فرآیندهای تولید
- بخش دوم: از نظر اقتصادی (هزینه متریال – هزینه فرآیند ساخت و تولید)
طراحی محصول و فرآیندهای تولید
به طور کلی مواد مهندسی در طراحی محصول و فرآیندهای تولید نقش مهمی دارند. به همین منظور برای انتخاب آنها باید به چندین عامل زیر توجه کنید.
- در دسترس بودن (Availability)
- انرژی لازم (Energy)
- دانش فنی (Know-How)
- تیراژ (Number of Production)
از نظر اقتصادی (هزینه متریال – هزینه فرآیند ساخت و تولید)
به طور کلی مواد مصرفی اولیه نقش تعیینکننده در تولید یک محصول را دارند. به عنوان مثال 30 درصد سود خالص حاصل از تولید یک محصول ساخته شده است و تقریبا 70 درصد آن هزینه خرید مواد اولیه مجدد است. به همین منظور تولیدکنندگان معمولا مواد اولیه کم هزینهای که بیشترین کارایی را دارند انتخاب میکنند.
بنابراین میتوان نتیجه گرفت که یک مهندس مواد باید کاملا مواد اولیه با کیفیت، کاربردی و قیمت مناسب را برای ساخت و تولید یک محصول انتخاب کند. به عبارتی که یک انتخاب هوشمندانه در آخر موجب سوددهی بیشتر شما خواهد شد. همچنین در انتخاب مواد اولیه به این نکته باید توجه کنید که بسته به شرایط اقتصادی کشور ممکن است تغییر کنند. به عنوان مثال برخی از این مواد بالا رفتن قیمت دلار و … قیمتشان عوض شده و افزایش پیدا میکنند.
به طور کلی پارامترهای مختلفی وجود دارند که قیمت متریال را تعیین میکنند. برخی از آنها عبارتند از:
- پایداری اجزائی (Component stability)
- خلوص (Purity)
- عرضه و تقاضا (Supply & demand)
- تناوب ماده در طبیعت (Frequency in nature)
- عیار (Finesse)
چگونه آنالیز متالورژیکی میتواند ما را در انتخاب مواد یاری رساند؟
مهندسین حوزه مواد در واقع متخصصانی هستند که مسئول طراحی، پردازش، ایجاد و آزمایش مواد برای تولید یک طیف وسیعی از محصولات را بر عهده دارند. آنها با توجه به مطالعاتی که انجام میدهند میتوانند بهترین نوع مواد که کارایی بالا اما قیمت مقرون به صرفهتری را دارند انتخاب کنند.
مهندسی مواد میتوانند در حوزههای مختلفی نظیر بررسی مواد برای دستگاههای الکتریکی مانند تراشههای کامپیوتری یا گجتها، طراحی مواد برای بالهای هواپیما یا برای دستگاههای زیست پزشکی مانند ضربانساز یا پروتز تولیدی فعالیت کنند.
این افراد در روند طراحی و فرآیند ساخت یک محصول روی مواد مختلف نظیر سرامیکها، نانوذرات، فلزات و… تحقیق و بررسی انجام میدهند و براساس خواص و همچنین کارایی و قیمت مناسب بهترین ماده را ارائه و انتخاب میکنند.
به طور کلی یک متخصص یا مهندس مواد باید بتواند روی موضوعات زیر تحقیق و بررسی انجام دهد:
- برنامهریزی دقیق و ارزیابی پروژههای مواد جدید
- تهیه پیشنهادات و بودجه، تجزیه و تحلیل هزینهها و تهیه گزارش فرآیند تولید محصول و سایر.
- نظارت بر کار تک تک تکنسینها و سایر مهندسین و دانشمندان
- طراحی پروتکلهای آزمایش مستقیم مواد قبل از فرآیند تولید محصول
- نظارت بر عملکرد مواد و ارزیابی خرابیها یا غیرکارآمد بودن آن
- ارزیابی تاثیر ماده تولید بر محیط زیست
- مطالعات و بررسی دقیق کامل روی مواد در سطح اتمی
سخن پایانی
همانطور که در این مقاله مطالعه کردید، مواد مهندسی نقش بسیار مهمی در ساخت و تولید یک محصول دارند. به طوری که اگر به درستی و با دقت انتخاب نشوند، فرد تولیدکننده با ضرر یا هزینه بسیار زیاد تولید مواجه خواهد شد که شما این کار خیلی به به صرفه نباشد و در انتها به ورشکستگی منجر شود. مهندسین مواد باید بهترین و کارآمدترین مواد اولیه که در عین حال بهترین قیمت را دارند انتخاب کنند. بنابر ان انتخاب مواد در هر صنعتی نقشی کلیدی دارد.
