نکات کلیدی
۱. ساختار اتمی و پیوندها رفتار مواد را تعیین می‌کنند
جرم اتمی، جرم یک اتم منفرد است، درحالی‌که وزن اتمی میانگین وزنی جرم اتم‌های ایزوتوپ‌های طبیعی یک عنصر است.
بنیان‌های اساسی. علم مواد با شناخت اتم‌ها و نحوه پیوند آن‌ها آغاز می‌شود. ساختار اتمی، شامل آرایش الکترونی و اعداد کوانتومی، رفتار شیمیایی و تمایلات پیوندی اتم را مشخص می‌کند. جرم و وزن اتمی از مهم‌ترین ویژگی‌ها هستند که وزن اتمی میانگین جرم با در نظر گرفتن ایزوتوپ‌ها است.
پیوندهای اصلی. اتم‌ها برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار، مانند گازهای نجیب، پیوندهای اصلی تشکیل می‌دهند:
- پیوند یونی: جذب الکترواستاتیکی بین یون‌های با بار مخالف (مانند NaCl) که بین فلزات و نافلزات با اختلاف الکترونگاتیوی زیاد رخ می‌دهد.
- پیوند کووالانسی: اشتراک الکترون‌ها بین اتم‌ها (مانند الماس) که جهت‌دار بوده و در نافلزات رایج است.
- پیوند فلزی: «دریایی» از الکترون‌های ظرفیت که بین یون‌های مثبت فلز به اشتراک گذاشته می‌شود (مانند مس). این پیوند غیرجهت‌دار است و خاصیت شکل‌پذیری و رسانایی فلزات را توضیح می‌دهد.
پیوندهای ثانویه. پیوندهای ضعیف‌تر واندروالس ناشی از دوقطبی‌های موقت یا دائمی هستند. پیوند هیدروژنی نوع قوی‌تری است که شامل اتم هیدروژن متصل به اتم‌های با الکترونگاتیوی بالا می‌شود. این پیوندها بر ویژگی‌هایی مانند نقطه جوش، به‌ویژه در پلیمرها و برخی سرامیک‌ها تأثیرگذارند.
۲. ساختارهای بلوری آرایش اتمی را تعریف می‌کنند
ساختار اتمی به تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته و توزیع احتمالی الکترون‌ها مربوط است، درحالی‌که ساختار بلوری به آرایش اتم‌ها در جامد بلوری اشاره دارد.
آرایش‌های منظم. جامدات بلوری دارای اتم‌هایی هستند که در الگوهای سه‌بعدی تکرارشونده به نام ساختار بلوری چیده شده‌اند. کوچک‌ترین واحد تکرارشونده، سلول واحد است که شبکه کلی را تعریف می‌کند. ساختارهای فلزی رایج شامل مکعبی مرکزپر (FCC)، مکعبی مرکزبدنی (BCC) و هگزاگونال فشرده (HCP) هستند.
کارایی بسته‌بندی. ساختارهای بلوری مختلف دارای ضریب بسته‌بندی اتمی (APF) متفاوتی هستند که حجم اشغال‌شده توسط اتم‌ها در سلول واحد را نشان می‌دهد:
- FCC و HCP دارای APF بالا (۰.۷۴) هستند.
- BCC کمی پایین‌تر (۰.۶۸) است.
- مکعبی ساده (SC) کمترین APF (۰.۵۲) را دارد.
این بسته‌بندی بر چگالی و خواص مکانیکی تأثیر می‌گذارد.
جهت‌ها و صفحات بلوری. جهت‌ها و صفحات خاص در شبکه بلوری با شاخص‌های میلر توصیف می‌شوند که برای درک خواص ناهمسانگرد و مکانیزم‌های تغییر شکل مانند لغزش اهمیت دارند. صفحات و جهت‌های مختلف چگالی اتمی متفاوتی دارند که بر انرژی سطح و سایر ویژگی‌ها اثرگذار است.
۳. نقص‌ها و نفوذ اتمی حرکت اتم‌ها را به‌وجود می‌آورند
اگرچه هر دانه منفرد در ماده چندبلوری ممکن است ناهمسانگرد باشد، اما اگر دانه‌ها جهت‌گیری تصادفی داشته باشند، کل ماده به‌صورت همسانگرد رفتار می‌کند.
مواد واقعی کامل نیستند. جامدات بلوری دارای نقص‌هایی هستند که تأثیر قابل توجهی بر خواص آن‌ها دارند. نقص‌های نقطه‌ای شامل جای‌خالی (اتم‌های گمشده) و بین‌نشین‌ها (اتم‌های اضافی) هستند. نقص‌های خطی، ناپیوستگی‌ها (دیسلوکیشن‌ها) هستند که نقش کلیدی در تغییر شکل پلاستیک فلزات دارند. نقص‌های صفحه‌ای شامل مرزهای دانه و مرزهای دوقلو هستند.
حرکت اتمی. اتم‌ها در جامدات از طریق نفوذ حرکت می‌کنند که توسط گرادیان غلظت یا انرژی حرارتی هدایت می‌شود:
- نفوذ جای‌خالی: اتم‌ها به جایگاه‌های خالی مجاور حرکت می‌کنند.
- نفوذ بین‌نشین: اتم‌های کوچکتر بین جایگاه‌های بین‌نشین حرکت می‌کنند که معمولاً سریع‌تر است.
سینتیک نفوذ. نرخ نفوذ با شار نفوذ (قانون اول فیک برای حالت پایدار) اندازه‌گیری می‌شود و به دما وابسته است (معادله آرنیوس). نفوذ غیرپایدار شامل تغییرات غلظت در زمان و مکان است که با قانون دوم فیک توصیف می‌شود. نفوذ برای فرآیندهایی مانند عملیات حرارتی، دوپینگ نیمه‌هادی‌ها و خزش اهمیت دارد.
۴. مواد در برابر تنش واکنش نشان می‌دهند: الاستیسیته و پلاستیسیتی
مدول الاستیک شیب در ناحیه الاستیک خطی است...
رفتار تغییر شکل. تحت نیروهای خارجی (تنش)، مواد تغییر شکل (کرنش) می‌دهند. تغییر شکل الاستیک موقتی و برگشت‌پذیر است؛ ماده پس از برداشتن بار به شکل اولیه بازمی‌گردد. رابطه تنش و کرنش در این ناحیه برای بسیاری از مواد خطی است و با مدول الاستیک (مدول یانگ) تعریف می‌شود.
تغییر شکل دائمی. تغییر شکل پلاستیک دائمی است و زمانی رخ می‌دهد که تنش از حد تسلیم فراتر رود. در مواد بلوری، این شامل حرکت ناپیوستگی‌ها (لغزش) است. نمودار تنش-کرنش پس از نقطه تسلیم، سخت‌شدن کرنشی را نشان می‌دهد که در آن ماده با تغییر شکل پلاستیک قوی‌تر می‌شود.
ناهمسانگردی. خواص مواد، از جمله مدول الاستیک و مقاومت تسلیم، می‌توانند با جهت بلوری در تک‌بلورها متفاوت باشند (ناهمسانگردی). مواد چندبلوری که از دانه‌های با جهت‌گیری تصادفی تشکیل شده‌اند، معمولاً در مقیاس ماکروسکوپی به‌صورت همسانگرد رفتار می‌کنند و رفتار ناهمسانگرد دانه‌های منفرد را میانگین می‌گیرند.
۵. حالت‌های شکست: شکست، خستگی و خزش
خزش در حدود ۰.۴ دمای ذوب مطلق فلز اهمیت می‌یابد.
خرابی مواد. مواد می‌توانند تحت تنش از طریق مکانیزم‌های مختلفی شکست بخورند. شکست، جدایی جسم به قطعات است. شکست ترد ناگهانی و با تغییر شکل پلاستیک کم رخ می‌دهد و معمولاً از نقص‌ها آغاز می‌شود. شکست چقرمه شامل تغییر شکل پلاستیک قابل توجه قبل از شکست است. سختی شکست مقاومت ماده در برابر شکست ترد در حضور ترک‌ها را اندازه‌گیری می‌کند.
خرابی وابسته به زمان.
- خستگی: شکست تحت تنش‌های چرخه‌ای حتی زیر حد تسلیم. با نمودار S-N (دامنه تنش در برابر تعداد چرخه‌ها) مشخص می‌شود. حد خستگی تنشی است که زیر آن خستگی رخ نمی‌دهد.
- خزش: تغییر شکل پلاستیک وابسته به زمان تحت تنش ثابت در دماهای بالا. در دماهای بالاتر از ۰.۴ دمای ذوب مطلق رخ می‌دهد. شامل مراحل اولیه، ثانویه (حالت پایدار) و ثالثیه است که به پارگی منجر می‌شود.
عوامل مؤثر. دما، سطح تنش، تاریخچه تنش (چرخه‌ای یا ایستا) و وجود نقص یا محیط‌های خورنده بر رفتار شکست تأثیرگذارند. شناخت این حالت‌ها برای طراحی قطعات قابل اعتماد حیاتی است.
۶. نمودارهای فازی نقشه‌ای از حالات ماده ارائه می‌دهند
«فاز» بخشی همگن از سیستم با ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی یکنواخت است، درحالی‌که «ریزساختار» عنصری قابل شناسایی از ساختار میکروسکوپی است که ممکن است شامل بیش از یک فاز باشد.
حالات تعادلی. نمودارهای فازی نقشه‌های گرافیکی هستند که فازهای تعادلی موجود در یک سیستم ماده را برحسب دما، فشار و ترکیب نشان می‌دهند. این نمودارها حالت‌هایی را نمایش می‌دهند که انرژی آزاد سیستم حداقل است. قانون فاز گیبس رابطه بین تعداد فازها، اجزا و درجات آزادی را بیان می‌کند.
سیستم‌های دوتایی. برای سیستم‌های دو جزئی در فشار ثابت، نمودارهای فازی نواحی فازی و مرزهای فازی را نشان می‌دهند:
- خط مایع (Liquidus): بالاتر از این خط فقط فاز مایع وجود دارد.
- خط جامد (Solidus): پایین‌تر از این خط فقط فاز جامد وجود دارد.
- سیستم‌های ایزومورف: اجزا در هر دو حالت مایع و جامد کاملاً محلول‌اند (مانند Cu-Ni).
- سیستم‌های یوتکتیک: دارای ترکیب خاصی هستند که در دمای معینی ذوب یا جامد می‌شوند و مخلوطی از دو فاز جامد تشکیل می‌دهند.
قاعده اهرم. در نواحی دو فازی، قاعده اهرم برای محاسبه نسبت جرمی هر فاز در دمای مشخص و ترکیب کلی استفاده می‌شود که برای درک توسعه ریزساختار اهمیت دارد.
۷. تبدیل‌های فازی ریزساختار را کنترل می‌کنند
دو مرحله در تشکیل ذرات فاز جدید وجود دارد: هسته‌زایی و رشد.
تغییر حالت‌ها. تبدیل‌های فازی شامل تغییر در تعداد یا نوع فازهای موجود است که اغلب توسط تغییر دما تحریک می‌شود. این تبدیل‌ها از طریق هسته‌زایی (تشکیل ذرات کوچک و پایدار فاز جدید) و رشد (افزایش اندازه ذرات) انجام می‌شوند.
سینتیک تبدیل. سرعت تبدیل وابسته به زمان است و معمولاً از معادله آوْرامی پیروی می‌کند که سهم تبدیل شده را در طول زمان توصیف می‌کند. سرعت تبدیل به شدت به دما وابسته است؛ معمولاً با افزایش دما پس از شروع تبدیل افزایش می‌یابد اما در دماهای بسیار بالا به دلیل کاهش نیروی محرکه کاهش می‌یابد.
تبدیل‌های آهن-کربن. نمودار فازی Fe-Fe3C برای فولادها حیاتی است. آستنیت (γ) هنگام سرد شدن تبدیل می‌شود:
- پرلیت: مخلوط لایه‌ای فریت (α) و سمنتیت (Fe3C) که در دماهای بالاتر تشکیل می‌شود.
- بینیت: مخلوط سوزنی α و Fe3C که در دماهای متوسط شکل می‌گیرد.
- سفروئیدیت: ذرات کروی Fe3C در ماتریس α که پس از زمان طولانی در دماهای بالا تشکیل می‌شود.
- مارتنزیت: ساختار متاستابل تتراگونال مرکزبدنی که با کوئنچ سریع آستنیت ایجاد می‌شود و بسیار سخت و ترد است.
نمودارهای TTT و CCT. نمودارهای تبدیل ایزوترمال (TTT) سینتیک تبدیل را در دماهای ثابت نشان می‌دهند. نمودارهای تبدیل با سردسازی پیوسته (CCT) تبدیل‌ها را در حین سرد شدن مداوم نمایش می‌دهند که برای عملیات حرارتی مانند کوئنچ اهمیت دارند. این نمودارها راهنمای انتخاب عملیات حرارتی برای دستیابی به ریزساختار و خواص مطلوب هستند.
۸. فلزات: ساختارها و خواص چندکاره
آلیاژهای آهنی به دلیل: (۱) فراوانی معادن آهن، (۲) روش‌های اقتصادی استخراج و ساخت، و (۳) قابلیت تنظیم خواص، به‌طور گسترده استفاده می‌شوند.
ویژگی‌های فلزی. فلزات به‌خاطر استحکام، سختی، شکل‌پذیری، رسانایی الکتریکی و حرارتی و چقرمگی شناخته شده‌اند. این خواص ناشی از پیوند فلزی و ساختارهای بلوری (FCC، BCC، HCP) است. آلیاژسازی امکان تنظیم خواص را فراهم می‌کند.
آلیاژهای آهنی. فولادها (آلیاژهای Fe-C) و چدن‌ها رایج‌ترین فلزات هستند:
- فولادها: بر اساس میزان کربن (کم، متوسط، زیاد) و عناصر آلیاژی (ضدزنگ، ابزار) طبقه‌بندی می‌شوند. خواص آن‌ها با ترکیب و عملیات حرارتی متغیر است.
- چدن‌ها: کربن بیشتری نسبت به فولاد دارند و معمولاً شامل گرافیت هستند. انواع مختلفی مانند چدن خاکستری، چدن داکتیل (گره‌ای)، چدن سفید و چدن نرم وجود دارد که شکل گرافیت و ساختار ماتریس آن‌ها بر شکل‌پذیری و استحکام تأثیر می‌گذارد.
آلیاژهای غیرآهنی. شامل آلومینیوم، مس، تیتانیوم، فلزات دیرگداز، سوپرآلیاژها و فلزات گران‌بها هستند. این فلزات به‌دلیل خواصی مانند چگالی کم (آلومینیوم، تیتانیوم)، رسانایی بالا (مس)، استحکام در دمای بالا (فلزات دیرگداز، سوپرآلیاژها) یا مقاومت به خوردگی (فلزات گران‌بها، فولاد ضدزنگ) انتخاب می‌شوند.
۹. سرامیک‌ها: ساختارهای یونی/کووالانسی و رفتار ترد
دو ویژگی یون‌های تشکیل‌دهنده که ساختار بلوری سرامیک را تعیین می‌کنند عبارت‌اند از: ۱) مقدار بار الکتریکی هر یون، و ۲) نسبت اندازه کاتیون‌ها به آنیون‌ها.
پیوندهای قوی و شکننده. سرامیک‌ها جامدات غیرآلی و غیر فلزی هستند که اغلب ترکیبی از فلزات و نافلزات‌اند. پیوندهای آن‌ها معمولاً یونی یا کووالانسی است که منجر به سختی، سختی بالا، نقطه ذوب و پایداری شیمیایی زیاد می‌شود، اما شکنندگی نیز دارند. ساختارهای بلوری پیچیده‌ای دارند که توسط نسبت اندازه یون‌ها و خنثی بودن بار تعیین می‌شود (مانند نمک طعام، کلرید سزیم، زینک بلند، پروسکایت، اسپینل).
سیلیکات‌ها. دسته مهمی بر پایه چهاروجهی SiO4 هستند که ساختارهای متنوعی از سیلیکات‌های ساده تا شبکه‌های پیچیده (شیشه‌ها) دارند. پیوندها ترکیبی از کووالانسی و یونی هستند.
نقص‌ها. نقص‌های نقطه‌ای مانند جای‌خالی و بین‌نشین وجود دارند که باید خنثی بودن بار را حفظ کنند (مانند نقص‌های شاتکی و فرنکل). ناخالصی‌ها نیز نقص‌هایی برای تعادل بار ایجاد می‌کنند.
رفتار مکانیکی. سرامیک‌ها در فشار قوی اما در کشش ضعیف هستند زیرا ترک‌ها از نقص‌ها گسترش می‌یابند. مقاومت شکست آن‌ها پراکندگی زیادی دارد و با کاهش اندازه افزایش می‌یابد. تغییر شکل پلاستیک به دلیل محدودیت سیستم‌های لغزش دشوار است. مدول الاستیک با افزایش تخلخل کاهش می‌یابد.
۱۰. پلیمرها: زنجیره‌های مولکولی و خواص متنوع
پلیمرهای ترموپلاست هنگام گرم شدن نرم و هنگام سرد شدن سخت می‌شوند، درحالی‌که پلیمرهای ترموست هنگام گرم شدن سخت می‌شوند و گرم‌تر شدن بیشتر باعث نرم شدن آن‌ها نمی‌شود.
مولکول‌های زنجیره‌ای بلند. پلیمرها مولکول‌های بزرگی (ماکرومولکول) هستند که از واحدهای ساختاری تکرارشونده (واحدهای تکرار) تشکیل شده‌اند که با پیوند کووالانسی به هم متصل‌اند. وزن مولکولی متغیر است و خواص را تحت تأثیر قرار می‌دهد. درجه پلیمریزاسیون تعداد واحدهای تکرار در هر زنجیره است.
ساختار و معماری.
- ساختارهای خطی، شاخه‌دار، متقاطع و شبکه‌ای.
- ایزومریسم فضایی (ایزوتاکتیک، سندیوتاکتیک، آتاکتیک) و ایزومریسم هندسی (سیس، ترانس) بر بسته‌بندی زنجیره‌ها تأثیر می‌گذارند.
- کوپلیمرها ترکیبی از واحدهای تکرار مختلف هستند (تصادفی، متناوب، بلوکی، شاخه‌ای).
رفتار حرارتی.
- ترموپلاست‌ها: هنگام گرم شدن نرم و هنگام سرد شدن سخت می‌شوند (خطی/شاخه‌دار) و قابل بازیافت‌اند.
- ترموست‌ها: هنگام گرم شدن سخت و غیرقابل برگشت سخت می‌شوند (شبکه‌ای/متقاطع زیاد) و قابل بازیافت نیستند.
- الاستومر
آخرین به‌روزرسانی::
نقد و بررسی
کتاب «علم و مهندسی مواد» نوشته ویلیام دی. کالیس‌تر جونیور، به‌عنوان یک مقدمه‌ی جامع و معتبر در زمینه‌ی علم مواد شناخته می‌شود. خوانندگان این اثر را به‌خاطر توضیحات روشن، مثال‌های مرتبط و محتوای جذاب ستایش می‌کنند. بسیاری این کتاب را برای دانشجویان مهندسی و متخصصان حوزه‌ی مواد ضروری می‌دانند. کتاب اصول پایه و کاربردهای مختلف را پوشش می‌دهد و موضوعات پیچیده را به‌گونه‌ای قابل فهم ارائه می‌کند. اگرچه برخی ممکن است موضوع را خشک بیابند، اما اکثریت به رویکرد جامع و کاربردهای عملی آن ارج می‌نهند. این کتاب حتی پس از پایان تحصیلات نیز به‌عنوان مرجعی ارزشمند مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی خوانندگان با طنز به حجم زیاد و محتوای فشرده‌ی آن اشاره می‌کنند، اما در مجموع، این اثر به‌عنوان یکی از متون بنیادین در آموزش علم مواد به‌شمار می‌آید.
