امروزه انسان‌ها و سایر موجودات زنده در جهانی زندگی می‌کنند که اطرافشان را مواد گوناگون فراگرفته است و انتخاب صحیح مواد برای هر کاربرد، به یکی از مسائل مهم و روز تبدیل شده است. هر قطعه یا بخش صنعتی از مواد مختلفی ساخته می‌شود و عملکرد یا کارایی آن‌ها به‌طور مستقیم به نوع و کیفیت مواد سازنده وابسته است. در واقع، هیچ اندیشه یا طرح مهندسی بدون وجود و انتخاب مناسب مواد، امکان تحقق و اجرا نخواهد داشت. با وجود این اهمیت، متأسفانه در کشور ما ایران، به موضوع انتخاب مواد و ویژگی‌های متالورژیکی آن‌ها توجه کافی نمی‌شود.
در نتیجه، بسیاری از صنایع ناچار به تحمل هزینه‌های سنگین در طول دوره فعالیت خود می‌شوند. اگر شرکت‌ها و فعالان حوزه صنعت بدانند که با انتخاب آگاهانه و صحیح مواد می‌توانند از هدررفت سرمایه و انرژی جلوگیری کنند، بی‌شک نه تنها هزینه‌های تولید کاهش می‌یابد، بلکه سودآوری و بهره‌وری مجموعه نیز افزایش چشمگیری خواهد داشت.
مواد مهندسی چیست؟
پیش از پرداختن به نقش آنالیز متالورژیکی در انتخاب مواد، بهتر است ابتدا با مفهوم مواد مهندسی آشنا شویم. به طور کلی، مواد مهندسی به موادی اطلاق می‌شود که دارای سه ویژگی اصلی زیر باشند. هر ماده‌ای که این سه ویژگی را داشته باشد، در دسته مواد مهندسی قرار می‌گیرد.
۱. غیرجاندار بودن مواد مهندسی
مواد مهندسی همواره به صورت غیرجاندار هستند. به عنوان مثال، چوبِ تنه درختی که هنوز زنده و در حال رشد است، به عنوان یک موجود جاندار شناخته می‌شود. اما زمانی که این چوب از درخت جدا شود و، برای مثال، در ساخت یک صندلی چوبی به کار رود، دیگر موجود زنده محسوب نشده و به صورت ماده‌ای غیرجاندار مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، تکه‌های چوب جدا شده از درخت نمونه‌ای از مواد مهندسی به شمار می‌آیند.
۲. جامد بودن در دمای کاربرد
یکی از ویژگی‌های مواد مهندسی این است که در دمای مورد استفاده باید به حالت جامد باشند یا به شکل جامد درآورده شوند. به عنوان مثال، آب در شرایط عادی یک ماده مایع است و بنابراین به عنوان ماده مهندسی شناخته نمی‌شود. اما اگر آب را تا نقطه انجماد سرد کنیم و به یخ تبدیل شود، در این صورت میتواند به عنوان یک ماده غیرجاندار و جامد، در دسته مواد مهندسی قرار گیرد.
۳. کاربردی بودن ماه
مواد مهندسی به موادی گفته می‌شود که دارای کاربرد مشخصی در صنایع مختلف، یا در تولید قطعات و وسایل گوناگون باشند. در صورتی که ماده‌ای فاقد کاربرد عملی مشخص باشد، به عنوان ماده مهندسی شناخته نمی‌شود.
مواد چند دسته‌اند؟
به طور کلی، مواد را می‌توان به چند دسته اصلی تقسیم کرد که هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه، با این دسته‌ها بیشتر آشنا خواهیم شد.
۱. فلزات
فلزات به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: فلزات آهنی، فلزات غیرآهنی و آلیاژها.
گروه فلزات آهنی عمدتاً از آهن تشکیل شده‌اند و در بسیاری موارد، عناصر دیگری مانند کربن، منگنز، نیکل، کروم، سیلیکون، تیتانیوم، تنگستن و… نیز به ترکیب آن‌ها اضافه می‌شود تا خواص مطلوبی ایجاد گردد.
دسته دوم، فلزات غیرآهنی هستند که همان‌طور که از نامشان پیداست، فاقد آهن بوده و عمدتاً از فلزات خالص و رایجی مانند آلومینیوم، مس، سرب، روی، قلع، نقره و طلا تشکیل شده‌اند.
در نهایت، آلیاژها قرار دارند که از ترکیب دو یا چند فلز (و گاهی عناصر غیر فلزی) ساخته می‌شوند و معمولاً دارای خواص و کاربردهای ویژه‌ای هستند.
۲. سرامیک‌ها
معمولاً به تمامی جامدات غیرآلی و غیر فلزی که مهم‌ترین ویژگی آن‌ها وجود ترکیبی از پیوندهای یونی و کووالانسی است، سرامیک گفته می‌شود. این مواد، که احتمالاً تاکنون انواع مختلف آن‌ها را دیده‌اید، از تنوع ظاهری بالایی برخوردارند. سرامیک‌ها به عنوان مواد مهندسی، در شکل‌ها و بافت‌های گوناگون مانند رسی، شفاف، شیشه‌ای، رنگارنگ و سایر نمونه‌ها در بازار موجود و قابل مشاهده هستند.
۳. پلیمرها
پلیمرها یا پلاستیک‌ها در طی فرایند پلیمریزاسیون تولید می‌شوند. در این فرایند، هزاران مولکول آلی کوچک به نام مونومر (مِرس) از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند و زنجیره‌های بلند پلیمری را شکل می‌دهند. اگر ساختار یک پلیمر را تصور کنیم، مانند آن است که چندین سکه را از وسط سوراخ کرده و به‌صورت یک رشته به هم وصل کنیم؛ در این قیاس، هر سکه نمایانگر یک مونومر و مجموعه سکه‌های متصل‌شده همان زنجیره پلیمری خواهد بود.
۴.کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها در مقایسه با سایر گروه‌های مواد، نسبتاً جدیدتر محسوب می‌شوند. در علم و مهندسی مواد، کامپوزیت‌ها به موادی اطلاق می‌شود که از ترکیب دو یا چند ماده با ویژگی‌های فیزیکی یا شیمیایی کاملاً متفاوت ایجاد می‌شوند. این مواد در کنار یکدیگر، ماده‌ای با خواص جدید و بهبود یافته نسبت به اجزای تشکیل‌دهنده خود به وجود می‌آورند.
۵. نیمه‌هادی‌ها
علاوه بر مواد عایق و رسانا، گروه دیگری از مواد با نام نیمه‌هادی نیز وجود دارند. این مواد بسته به شرایط محیطی، جنس ماده و همچنین میدان الکتریکی، رفتار دوگانه‌ای از خود نشان می‌دهند؛ به‌گونه‌ای که در برخی شرایط مانند عایق عمل می‌کنند و در شرایط دیگر، نقش رسانا را ایفا می‌کنند.
همچنین، در کنار گروه‌های اصلی مواد، برخی مواد دیگر نیز وجود دارند که هرچند کاربردشان در صنایع ممکن است محدودتر باشد، اما در دسته‌بندی‌های فرعی مواد قرار می‌گیرند. از جمله این مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
۶. بیومواد
قدمت استفاده از این مواد به هزاران سال پیش بازمی‌گردد؛ زمانی که انسان‌ها عمدتاً از مواد چوبی بهره می‌گرفتند. با پیشرفت فناوری و توسعه علم مهندسی مواد، کاربرد این مواد نیز گسترش یافت و در صنایع مختلف به کار گرفته شد. امروزه بیومواد نقش مهمی در فناوری‌هایی مانند تولید واکسن‌ها، داروها و پروتئین‌های جدید ایفا می‌کنند و در بسیاری از حوزه‌های پزشکی کاربرد دارند. در واقع، تقریباً هر فرد در طول زندگی خود دست‌کم یک بار با مواد بیوزیستی سر و کار داشته است.
۷. مواد مغناطیسی
مواد مغناطیسی، همان‌طور که از نامشان پیداست، در شرایط خاص می‌توانند به صورت طبیعی خاصیت جذب یا دفع اجسام را از خود نشان دهند. از جمله این مواد می‌توان به آهن، نیکل، کبالت و فریت اشاره کرد.
۸. مواد هوشمند
به موادی که نسبت به تغییرات محیطی واکنش نشان می‌دهند، مواد هوشمند گفته می‌شود. این مواد زمانی که در معرض شرایط خارجی مانند دما، نور، فشار یا جریان الکتریسیته قرار می‌گیرند، تغییراتی برگشت‌پذیر از خود نشان می‌دهند.
مواد چه خواصی دارند؟
به طور کلی، مواد از سه ویژگی اصلی برخوردار هستند:
۱. خواص فیزیکی
۲. خواص شیمیایی
۳. خواص مکانیکی
خواص فیزیکی
مواد مهندسی و سایر مواد، به دلیل ساختار میکروسکوپی خود، همواره از آرایش اتمی و ویژگی‌های ثابتی پیروی می‌کنند. به این ویژگی‌های ثابت و غیرقابل تغییر، «خواص فیزیکی» مواد گفته می‌شود. برای مثال، چگالی، هدایت حرارتی، بازتابش، نفوذپذیری و خاصیت مغناطیسی از جمله خواص فیزیکی یک ماده به شمار می‌روند. به طور کلی، خواص فیزیکی مواد خود به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:
- خواص الکتریکال و مگنتیک
- خواص حرارتی
- خواص متفرقه
خواص شیمیایی
به ویژگی‌هایی که در هنگام واکنش یک ماده با مواد شیمیایی دیگر دچار تغییر می‌شوند، «خواص شیمیایی» گفته می‌شود. به عنوان مثال، مقاومت یک ماده در برابر خوردگی از جمله خواص شیمیایی آن به شمار می‌رود.
خواص مکانیکی
در یک تعریف کوتاه، «خواص مکانیکی» به رفتار یک ماده در برابر بارگذاری و نیروهای مکانیکی اطلاق می‌شود. برای نمونه، استحکام، فنریت، صلبیت، شکل‌پذیری و چقرمگی از جمله خواص مکانیکی مواد به شمار می‌روند.
چه پارامترهایی در انتخاب مواد موثرند؟
به طور کلی، در فرآیند انتخاب مواد باید شش پارامتر مهم را مورد توجه قرار داد:
- در دسترس بودن ماده
- هزینه
- تکنولوژی
- سهولت بازیافت
- مقدار مصرف انرژی و تبدیل ماده در روند تولید محصول
- آلودگی زیست محیطی
در ادامه، به طور کامل به بررسی دو پارامتر مهم و تأثیرگذار در انتخاب مواد یعنی هزینه اختصاص خواهیم داد:
بخش اول: طراحی محصول و فرآیندهای تولید
بخش دوم: ملاحظات اقتصادی (شامل هزینه متریال و هزینه فرآیند ساخت و تولید)
طراحی محصول و فرآیندهای تولید
به طور کلی، مواد مهندسی نقش اساسی در طراحی محصولات و فرآیندهای تولید ایفا می‌کنند. به همین دلیل، انتخاب صحیح آن‌ها مستلزم در نظر گرفتن چند عامل مهم است که عبارت‌اند از:
- در دسترس بودن (Availability)
- میزان انرژی مورد نیاز (Energy)
- دانش فنی و تخصص (Know-How)
- تیراژ یا حجم تولید (Number of Production)
از نظر اقتصادی (هزینه متریال و هزینه فرآیند تولید)
به طور کلی، مواد اولیه‌ی مصرفی نقش تعیین‌کننده‌ای در قیمت تمام شده‌ی محصول دارند. به عنوان مثال، حدود ۳۰ درصد از بهای یک محصول به سود خالص و تقریباً ۷۰ درصد آن به هزینه خرید مجدد مواد اولیه اختصاص می‌یابد. به همین دلیل، تولیدکنندگان غالباً سعی می‌کنند موادی را انتخاب کنند که از نظر هزینه مقرون‌به‌صرفه باشند و در عین حال، بالاترین کارایی را ارائه دهند.
بنابراین، یک مهندس مواد باید قادر باشد بهترین، کاربردی‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین مواد اولیه را برای ساخت محصول انتخاب کند. در واقع، یک انتخاب هوشمندانه در نهایت منجر به افزایش سودآوری خواهد شد. همچنین باید توجه داشت که قیمت مواد اولیه با توجه به شرایط اقتصادی کشور، مانند نوسانات نرخ ارز (مثلاً افزایش قیمت دلار)، همواره ممکن است تغییر کند.
به طور کلی، عوامل مختلفی بر قیمت متریال تأثیرگذارند که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:
- پایداری اجزاء (Component Stability)
- خلوص (Purity)
- عرضه و تقاضا (Supply & Demand)
- فراوانی ماده در طبیعت (Frequency in Nature)
- عیار یا خلوص معدنی (Fineness)
چگونه آنالیز متالورژیکی میتواند ما را در انتخاب مواد یاری رساند؟
مهندسین مواد در واقع متخصصانی هستند که مسئولیت طراحی، پردازش، تولید و آزمایش انواع مواد مورد استفاده در طیف وسیعی از محصولات را بر عهده دارند. این مهندسین با انجام مطالعات تخصصی، قادرند بهترین انواع مواد را از نظر کارایی و قیمت مقرون‌به‌صرفه شناسایی و انتخاب کنند.
حوزه فعالیت مهندسین مواد بسیار گسترده است؛ از بررسی مواد مورد استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی نظیر تراشه‌های کامپیوتری و گجت‌ها گرفته تا طراحی مواد برای اجزای هواپیما یا تجهیزات زیست‌پزشکی همچون ضربان‌ساز یا پروتزها.
این متخصصان در فرآیند طراحی و ساخت محصولات گوناگون، روی انواع مختلف مواد از جمله سرامیک‌ها، نانوذرات، فلزات و … تحقیق و بررسی انجام می‌دهند و بر اساس خواص، کارایی و قیمت مناسب، بهترین گزینه را پیشنهاد و انتخاب می‌کنند.
به طور کلی، یک مهندس یا متخصص مواد باید قادر باشد در موضوعات زیر تحقیق و ارزیابی انجام دهد:
- برنامه‌ریزی دقیق و ارزیابی پروژه‌های مرتبط با مواد جدید
- تهیه پیشنهادها و بودجه‌بندی، تجزیه و تحلیل هزینه‌ها و تهیه گزارش درباره فرآیند تولید محصول
- نظارت بر عملکرد تکنسین‌ها، سایر مهندسین و دانشمندان در بخش مواد
- طراحی پروتکل‌های آزمایش مواد پیش از تولید محصول نهایی
- ارزیابی عملکرد مواد و تحلیل موارد خرابی یا ناکارآمدی
- بررسی و ارزیابی تأثیر مواد تولیدشده بر محیط زیست
- انجام مطالعات دقیق روی مواد در سطح اتمی و میکروسکوپی
اهمیت و روش‌های آنالیز متالورژیکی در انتخاب مواد مهندسی
انتخاب صحیح مواد در هر پروژه مهندسی، نیازمند شناخت دقیق ترکیب شیمیایی، ریزساختار، خواص فیزیکی و مکانیکی، آن‌ها است. آنالیز متالورژیکی مجموعه‌ای از روش‌های علمی و فنی است که به کمک آن مهندسان می‌توانند اطلاعات ارزشمندی درباره مواد به دست آورند و با اطمینان بیشتری نسبت به انتخاب، طراحی و استفاده از آن‌ها تصمیم‌گیری کنند.
مهم‌ترین روش‌ها و کاربردهای آنالیز متالورژیکی عبارت‌اند از:
۱. آنالیز ریزساختاری (میکروسکوپی)
با استفاده از میکروسکوپ نوری (Optical Microscopy) و یا میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، ریزساختار مواد، اندازه دانه‌ها، فازها، انواع عیوب (مانند ترک، حفره، خلل و فرج) بررسی می‌شود. این اطلاعات تعیین می‌کند ماده در برابر بارگذاری و شرایط محیطی چگونه رفتار خواهد کرد.
۲. آزمون‌های شیمیایی و فازی
روش‌هایی مانند آنالیز XRD (پراش پرتو ایکس) برای شناسایی فازهای موجود در ماده و XRF, OES یا ICP برای تعیین ترکیب شیمیایی دقیق کاربرد دارد. این آزمون‌ها به کنترل کیفیت ماده، بررسی وجود ناخالصی‌ها یا اطمینان از ترکیب و فاز دلخواه کمک می‌کند.
۳. آزمون‌های مکانیکی
شامل آزمون‌های کشش، فشار، ضربه و سختی‌سنجی است. نتایج این آزمون‌ها اطلاعات با ارزشی پیرامون استحکام، داکتیلیتی و قابلیت تغییر شکل ماده در اختیار قرار میدهد.
۴. آزمون‌های خوردگی و پایداری شیمیایی
آزمون‌هایی که مقاومت مواد را در برابر عوامل خورنده (مانند محلول‌های اسیدی/قلیایی، رطوبت و محیط‌های خاص) بررسی می‌کنند برای انتخاب مواد مقاوم در صنایع مختلفی نظیر شیمیایی، نفت و گاز و پزشکی حیاتی‌اند.
۵. آزمون‌های غیر مخرب (NDT)
آزمون‌هایی مانند آلتراسونیک، رادیوگرافی (اشعه ایکس)، آزمون مغناطیسی و جریان گردابی به همراه بازرسی چشمی و بدون آسیب به قطعه، عیوب داخلی و سطحی را شناسایی می‌کنند. این روش‌ها برای بررسی سلامت قطعات حیاتی استو نتایج حاصل از این ارزیابیها میتواند از بروز شکست ناگهانی قطعات در محیط کار جلوگیری نماید.
چطور این آنالیزها به انتخاب بهتر مواد کمک می‌کنند؟
اطلاعات به‌دست‌آمده از این آزمون‌ها به مهندسین امکان میدهد تا:
- ترکیب شیمیایی صحیح و کیفیت ماده را کنترل و با مشخصات طراحی یا استانداردهای موجود مطابقت دهند؛
- در صورت وجود عیوب یا مشکلات ساختاری، به موقع اقدام اصلاحی انجام دهند؛
- رفتار واقعی ماده در محیط کار را پیش‌بینی و انتخاب مواد را دقیق‌تر کنند؛
- بهره‌وری و طول عمر قطعه یا سازه را افزایش دهند؛
- از صرف هزینه‌های اضافه و مشکلات ناشی از شکست یا خرابی مواد جلوگیری کنند.
سخن پایانی
همان‌گونه که در این مقاله بیان شد، مواد مهندسی نقش بسیار مهم و تعیین‌کننده‌ای در تولید و ساخت محصولات صنعتی دارند. انتخاب نادرست یا غیر دقیق مواد میتواند موجب افزایش چشمگیر هزینه‌های تولید و حتی زیان‌های اقتصادی برای تولیدکننده شود، به طوری که در برخی موارد ممکن است ادامه فعالیت اقتصادی را با مشکل مواجه کند.
از این رو، مهندسین مواد باید با دقت و آگاهی کامل، مناسب‌ترین و به‌صرفه‌ترین مواد اولیه را انتخاب کنند تا علاوه بر ارتقاء کیفیت محصول، هزینه‌های تولید نیز کنترل شود.
بنابراین، انتخاب صحیح مواد همواره یکی از عوامل کلیدی و تأثیرگذار در موفقیت هر صنعت به شمار می‌رود.