خواص مواد مهندسی

طبقه بندی مواد کار

مواد کار را از نظر جنس می توان به دو دسته فلزات و غیرفلزات تقسیم بندی نمود.

فلزات آهنی

فلزات به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم می شوند و در صنایع ماشین‌سازی یکی از پرکاربردترین مواد هستند و هریک ویژگی‌های مخصوص به خود را دارند.

فلزات آهنی:

فلزات آهنی به فلزاتی گفته می‌شوند که از سنگ آهن استخراج شوند و به دو دسته فولاد و چدن تقسیم می‌شوند.

آهن( Fe) :

آهن عنصری است که به ندرت در طبیعت به طور خالص یافت می‌شود و بیشتر به صورت ترکیب با سایر عناصر مانند اکسیژن و گوگرد و… از معادن قابل استخراج است. این عنصر یکی از فراوان‌ترین عناصر است به طوری که حدود ٥ درصد قشر جامد کره زمین را تشکیل می‌دهد. معمولا سنگ آهن  با توجه به ترکیبات و اکسیژن موجود در آن به چهار نوع با نام‌های مگنتیت (مغناطیسی) ،هماتیت، لیمونیت و سیدریت وجود دارد. سنگ آهن را پس از استخراج از معدن در کوره‌ای به نام کوره بلند قرار داده و آهن خام از آن به دست می‌آورند. آهن خام به علت داشتن ناخالصی‌های فراوان، قابل استفاده نیست. پس از کاهش ناخالصی‌ها، آهن به دست می‌آید که به علت نرم بودن و پایین بودن استحکام، در صنایع کاربرد چندانی ندارد. برای افزایش استحکام و دیگر ویژگی‌ها، آن را با سایر عناصر مانند کربن و فسفر و … آلیاژ می‌کنند. معروف‌ترین آلیاژهای آهنی، آلیاژ آهن، کربن است که در صنایع کاربرد فراوانی دارد. این آلیاژها به دو نوع فولاد و چدن تقسیم می شوند.

فلزات غیرآهنی

 فلزات غیرآهنی به دلیل ویژگی های منحصر به فردشان کاربردهای زیادی در صنایع دارند. فلزات غیرآهنی تنوع زیادی دارند که در ادامه به طور اختصار راجع به آنها توضیح داده می شود.

فلزات غیرآهنی به دو دسته فلزات سبک و فلزات سنگین تقسیم می شوند. فلزاتی که چگالی (جرم حجمی) آن‌ها کمتر از^٣gr/cm ٥ باشد فلزات سبک و فلزاتی که چگالی آنها بیشتر از^٣gr/cm ٥ باشد را فلزات سنگین می‌گویند.

فلزات غیرآهنی سبک

این فلزات به خاطر سبک بودن در صنایع کاربرد فراوانی دارند. فلزاتی مانند آلومینیم، منیزیم، تیتانیم و بریلیم از این دسته هستند. اغلب با آلیاژ کردن می توان استحکام آن‌ها را افزایش داد.

آلومینیم (Al):

آلومینیم فلزی است نقره‌ای مایل به سفید با چگالی^٣gr/cm 7_/2 و نقطه ذوب C^°658 که میل ترکیبی شدید با اکسیژن دارد و به سرعت در مجاورت هوا اکسید می‌شود. ممکن است این سؤال مطرح شود که چرا در محیط‌های مرطوب بیشتر از سایر فلزات کاربرد دارد؟ پاسخ این است اکسید آلومینیم یک ماده بسیار سخت است که در مجاورت هوا روی قطعه آلومینیمی تشکیل می‌شود این اکسید به عنوان یک لایه محافظ عمل نموده و از خوردگی بیشتر قطعه جلوگیری می‌کند.

کاربرد آلومینیم: آلومینیم به دلیل دارا بودن ویژگی‌هایی از قبیل بالا بودن قابلیت جوشکاری، شکل پذیری، مقاومت به خوردگی، هدایت الکتریکی و هدایت حرارتی در صنایع زیاد استفاده می‌شود. به طور مثال در محیط زندگی، ظروف آشپزخانه و فویل های آلومینیمی آنقدر جای خود را باز کرده اند که نمی‌توان به سادگی از آن صرف نظر نمود. در جدول زیر نمونه‌هایی از کاربرد آن را مشاهده می‌کنید.

منیزیم(Mg):

فلزی است نرم و نقره ای رنگ با چگالی^٣gr/cm 74_/1 و نقطه ذوب C^°650 این فلز میل ترکیبی بالایی با اکسیژن دارد به طوری که ورق منیزیم در مجاورت شعله به سرعت شعله‌ور شده و می‌سوزد. به همین دلیل ذوب منیزیم در حالت معمول امکان‌پذیر نیست و باید در محیطی صورت پذیرد که کاملاً بدون اکسیژن باشد.        

کاربرد منیزیم: به علت استحکام پایین در صنایع به عنوان قطعات صنعتی کاربرد ندارد ولی در چدن‌ها باعث می‌شود کربن به صورت گرافیت لایه‌ای درآید و در صنایع به عنوان عنصر آلیاژی با آلومینیم به کار می‌رود. همچنین به علت نور درخشان هنگام سوختن، برای وسایل آتش بازی استفاده می‌شود.

تیتانیم(Ti):

 فلزی نقره‌ای رنگ مایل به خاکستری با چگالی^٣gr/cm٥_/٤ و نقطه ذوب C^°1670 است. این فلز در میان فلزات سبک از استحکام خوبی برخوردار است به طوری که مقاومت و استحکام آن را می توان  با  فولاد مقایسه نمود. این فلز به دلیل سبکی و استحکام بالا در صنایع موشکی و هواپیماسازی و نیز وسایل زینتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بریلیم (Be):

فلزی سفید خاکستری با چگالی^٣gr/cm 9_/1 و نقطه ذوب C^°1280 است. این فلز سخت و شکننده است و در مقابل اکسیدشدن در دمای معمولی مقاوم است این فلز در صنعت هوا فضا بیشترین کاربرد را دارد همچنین در راکتورهای هسته‌ای و پنجره‌های مخصوص اشعه ایکس و قطعات کامپیوتر و آلیاژ کردن سایر فلزات مانند مس به کار می‌رود.

فلزات غیرآهنی سنگین

این فلزات شامل مس، روی، سرب، قلع، نیکل، کرم و  … می باشند که در صنایع کاربرد فراوانی دارند.

مس(Cu):

فلزی قرمز رنگ با چگالی^٣gr/cm 9_/8 و نقطه ذوب C^°1093 است. با قابلیت چکش‌خواری بسیار بالا که قابلیت هدایت‌الکتریکی و حرارتی خوبی دارد. مس در مجاورت هوا بر اثر فعل و انفعالات شیمیایی ماده‌ای سبزرنگ به نام کربنات‌مس تولید می‌کند. این کربنات به صورت یک لایه نازک محافظ روی مس ایجاد شده و در مقابل تأثیرات جوی آن را محافظت می‌کند.

کاربرد مس: این فلز به دلیل دارا بودن خصوصیاتی از قبیل شکل‌پذیری بالا و انعطاف، درصنایع کاربرد فراوانی دارد. در صنایع الکتریکی در ساخت شمش‌ها، سیم‌ها و کابل‌های حامل جریان، و صنایع مکانیک لوله‌ها، تنوره سماور، هویه‌های لحیم‌کاری، کویل‌های حرارتی و برودتی و قطعات تزئینی به کار می رود.

یکی از کاربردهای مس در صنایع طلاسازی است، طلا به علت نرمی و پایین بودن استحکام قادر به حفظ شکل ساخته شده نیست، برای برطرف کردن این محدودیت به طلای خالص مقداری مس اضافه می‌شود تا استحکام آن به حد مطلوب رسیده و بتوانند در ساخت وسایل زینتی از آن استفاده کنند. وقتی گفته می شود طلای 18 عیار یعنی 75 درصد طلا و 25 درصد مس است، این طلا به طلای 750 معروف است.

روی (Zn):

  فلزی خاکستری رنگ با دانه‌بندی درشت به چگالی^٣gr/cm 1_/7 با نقطه ذوب C^°419 است. این فلز بسیار شکننده بوده              و بیشترین انبساط حرارتی را دارد. در مقابل اکسیدشدن در مجاورت هوا مقاومت خوبی داشته و استحکام روی پایین بوده و بدون آلیاژ شدن نمی‌توان در ساخت قطعات صنعتی از آن استفاده نمود .

کاربرد روی: در قدیم از روی استفاده‌های زیادی می‌شد ولی امروزه کاربرد عمومی خود را از دست داده ،یکی از کاربردهای مهم روی در صنعت برای پوشش ورق های فولادی است و محصول تولیدی را ورق گالوانیزه می‌نامند و دیگر کاربرد روی در صنعت برای آلیاژ کردن است.

قلع(Sn):

فلزی نرم به رنگ نقره ای درخشان با چگالی^٣gr/cm ٣_/7 و نقطه ذوب C^°2٣2 است. این فلز در مقابل اسیدها مقاومت خوبی دارد .

کاربرد قلع: به دلیل سمی نبودن، این فلز در صنایع غذایی برای پوشش ظروف مسی و قوطی‌های کنسرو استفاده می‌شود.  یکی دیگر از کاربردهای قلع در صنعت، تولید ورق حلبی است که از قلع اندود نمودن ورق های فولادی نازک به دست می‌آید.

سرب(Pb) :

سرب فلزی خاکستری مایل به آبی با چگالی^٣gr/cm ٣_/11 با نقطه ذوب C^°327 است. این فلز در مقابل اسیدها مقاومت خوبی داشته و بسیار نرم است ترکیبات سرب سمی بوده و نمی‌توان بدون رعایت موارد ایمنی با آن کار کرد. یکی دیگر از ویژگی های سرب جذب اشعه X است. یعنی این اشعه را از خود عبور نمی دهد.

کاربرد سرب: از سرب برای پوشش ورق های فولادی، مخازن اسید، باتری‌ها، آب‌بندی لوله‌های فاضلاب ،پوشش کابل‌ها، ظروف کریستال، عدسی‌های دوربین و لباس‌های ایمنی اتاق‌های رادیولوژی استفاده می‌گردد.

با توجه به این‌که فلزات سنگین دامنه گسترده دارند سایر آن‌ها در جدول زیر به صورت کاربردی آورده شد.