خواص مواد

تعداد بازدید: 5141
چهارشنبه 03 دي 1393

خواص مواد

خواص مواد (Material Properties) می­ تواند با ساختار داخلی آن ها مرتبط باشد. در این جا به تعریف مواردی چون ساختار، آرایش شبكه و مقطع متالوگرافی پرداخته نمی­ شود، ولی اصولا نشان داده شده است كه با شناخت ساختار اتمی مواد، شبكه­ های بلوری و غیره نیز می­ توان به خواص ماكروسكوپی مواد پی برد. روش ­های تحقیقاتی برای تشریح و تشخیص خواص مواد صنعتی براساس تاثیر متقابل بین وسیله اندازه­ گیری و نمونه آماده شده استوار بوده و برمبنای آن می­ توان برخی خواص ماكروسكوپی مواد را حدس زد.

در این باب شناختی از عیوب شبكه و تعداد و توزیع آن ها، جاهای خالی، اتم ­های بیگانه (ناخالصی)، اندازه دانه، نظم قرارگیری دانه ­ها، نابجایی­ ها و دانه­ ها و مرزهایشان تحت عنوان بافت و همچنین شناختی از مراحل مختلف ساخت و تولید قطعه صنعتی، الزامی است. مسلما همیشه نمی ­توان فرق بین ساختار بلوری، بافت و غیره را شناسایی كرد. به طور مثال مساله جدایش كه با تغییر مكان ساختاری شروع شده و طی یك یا چند مرحله به تشكیل پایانی جدیدی می­رسد.

به منظور تشریح رفتار كلی ماكروسكوپی مواد در برابر عوامل خارجی، می­ بایست ماده به عنوان یک سیستم ترمودینامیكی در چرخه برگشت پذیر ترمودینامیک نگریسته شود كه در این صورت حالت ترمودینامیكی خواص مواد صنعتی توصیف خواهد شد. بین خواص مواد و خواص ترمودینامیكی آن ها ارتباطاتی برقرار است كه مثلا می ­توان با مشتق گیری از آنتالپی آزاد و انرژی آزاد گیبس نسبت به عوامل خارجی، به ویژگی­ های درونی حالت جسم جامد رسید. از میان این عوامل خارجی می ­توان به:

- فشار (P)                                          

- دما (T)

- غلظت(C) 

- تنش خارجی ناهمسان ))

- میدان الكتریكی (E)

- میدان مغناطیسی (H)

اشاره كرد. این كمیت­های موثر در ترمودینامیك، متغیرهای حالت نامیده می­شوند.

برخی از كمیت­های حالت داخلی اجسام، مانند حجم (V)، انتروپی (S)، قطبی شدن الکتریکی (P) و قطبی شدن مغناطیسی (M) نیز از روابط مشتق اول انرژی آزاد گیبس (G) نسبت به متغیرهای گوناگون مطابق معادلات رابطه (1) نتیجه می شوند:

با مشتق گیری (مشتق اول و دوم) از كمیت ­های اصلی نسبت به برخی كمیت­ های متغیر، مشابه آن چه كه در جدول زیر آمده است، خواص گوناگون ماده حاصل خواهد شد.

ظرفیت گرمایی ویژه Specific Heat Capacity
ضریب انبساط حجمی Coefficient of Thermal Expansion
ضریب تراكم پذیری Compressibility Factor
نفوذ پذیری الكتریكی Electrical Penetrability
نفوذ پذیری مغناطیسی Magnetic Penetrability
مغناتوتنگش Magnetostriction
الكتروتنگش Electrostriction
وابستگی دمایی- قطبش مغناطیسی Magnetic Polarization
وابستگی دمایی- قطبش الكتریكی Electrical Polarization

 

این معیار ها، مشتق دوم پتانسیل گیبس بوده و مفهوم وسیع­ تری نسبت به مشتق اول خود در مورد خواص مواد را در بردارند. در شكل زیر نیز ارتباط این موارد با عواملی كه بر خواص مواد موثرند آورده شده است.

برخی خواص مواد با توضیحات ارایه شده قابل تشریح نیستند. چنانچه سرعت صوت با بحث خاصیت ارتجاعی و چگالی ماده جداگانه توضیح داده می­ شود. همچنین در ترمودینامیک برگشت‌ناپذیر، خواص دیگری از ماده عرضه می­ شود كه تحت مجموعه پدیده­ های انتقال خلاصه شده و به صورت یك مجموعه متحد الشكل قابل تشریح می­باشد، مانند سایش ­های درونی و یا علم تغییر شكل فلزات، هدایت گرمایی الكتریكی، نیرو گرمایی، اثر هال و غیره.

material Properties،نگرش های سیستماتیک خواص مواد

 1-Free Energy

2- Pressure

3- Elasticity

4- Thermal Expansion

5- Temperature

6- Specific Heat Capacity

7- Electrical Polarization by Temperature

8- Gibb’s Potential Energy

9- Electrical Field

10- Piezoelectric

11- Electrical Permittivity

12- Magnetic Polarization by Temperature

13- Magnetic Polarization by Electrical Field

14- Magnetic Field

15- Magnetostriction

16- Magnetic Permittivity

در این شكل، خواص داخلی ماده و مقدار آن به صورت مشتق اول یک سیستم ترمودینامیكی و مشتق دوم انرژی آزاد نسبت به عوامل موثر خارجی نشان داده شده است. به چهار خاصیت اصلی مواد با سر یک پیكان و به بقیه با سر دو پیكان اشاره شده است.

به طور كلی، برای اصل خواص مواد به طور عمومی توضیح داده نمی­ شود، زیرا خود هنوز تحت تاثیر چندین عامل دیگر به قرار زیر است:

الف- مكان: در صورتی كه ناهمگنی مواد محسوس باشد (مثلا در مواد دو فلزی و در پدیده جدایش حین انجماد فلزات) موثر است.

ب- جهت اندازه­ گیری: در مواد همگن مانند تک كریستال­ ها یا مواد دارای آرایش شبكه همسو مشاهده می ­شود.

ج- عوامل خارجی: در حالتی كه رابطه بین عوامل موثر خارجی و خصوصیات ماده به صورت خطی نباشد. در این مورد تاثیر مشتق دوم یا مشتق درجه بالاتر در انرژی پتانسیل گیبس با در نظر گرفتن اثر عوامل ذكر شده از بین نمی­ رود، بلكه كوشش دارد كه این تبعیت را در ابعاد مرز های قوانین ذكر شده نگه دارد. در این مورد مواردی چون قطبی شدن در حد اشباع، حد تسلیم، استحكام و غیره مد نظر است.

د- عوامل از قبل اعمال شده: كه در جریان برگشت، بخشی از آنها از بین می­ رود. این حالت ظاهر شده را پسماند (هیسترزیس) می ­نامند، مانند خاصیت فرومغناطیسی. در مواردی نیز خواص فرومغناطیس به دلیل از دست دادن انرژی خود (خاصیت پسماند،Cursivity Force و (Remanent Force مورد بحث قرار می­ گیرد.

ه- عوامل تابع سرعت: در صورت عدم وجود تنش روی جسم، ارزیابی خواص ماده آسان تر است. اما هنگامی كه جسم تحت تشدید مكانیكی با تحریكات سینوسی شكل قرار می گیرد، این امر به مخاطره می­ افتد.

و- شرایط زمانی و دمایی: این امر كه در نتیجه پیر شدن مواد در مراحل مختلف فرآیند صنعتی تولید ظاهر می ­شود، باعث غیرمتعادل شدن آن ها می ­گردد. مانند پیر شدن خود به خود مواد فلزی پس از تغییر شكل سرد.

ز- تاثیر یک متغیر خارجی: به شرطی كه دیگر عوامل ثابت بماند، مانند دما در مورد نفوذپذیری. در این مورد شایان ذكر است كه شرایط اعمالی صنعتی نیز ممكن است موثر واقع گردد. مثلا تغییرات دما علاوه بر آن كه عامل مؤثر بر نفوذپذیری است، می­ تواند تغییرات فازی (ناگهانی یا تدریجی) در آلیاژ ایجاد كند كه خود گاهی باعث تغییر خواص در كل یا بخشی از ماده می­ گردد.

چگونگی تغییر خواص سطوح خارجی مواد در مقابل عوامل خارجی، مانند برخورد امواج به سطح مواد می­ باشد كه منعكس، شكسته و یا قطبی می ­گردد و بستگی چندانی به خواص درونی ماده (مانند آنچه كه تشریح شد) ندارد. بلكه تنها موقعیت ویژه سطوح خارجی مواد كه با محیط اطراف در تبادل انرژی است را باید در نظر گرفت. حال این خواص را چگونه می­ توان با شرایط قبلی مرتبط كرد؟ به طور مثال میزان بازتابش امواج الكترومغناطیسی كه توسط گذردهی الكتریكی، قابلیت نفوذ و هدایت الكتریكی مواد تعیین می­ شود.

خواص ماكروسكوپی سطح خارجی مواد را در بیشتر موارد نمی­ توان با شرایط ذكر شده قبلی بی­ ارتباط دانست، مانند تر شدن سطح، جداسازی الكترولیتی، اتصال و چسبندگی (لحیم كردن، جوش دادن، چسباندن)، پوشش دادن (شیمیائی، الكتروشیمیائی و غیره) برای جلوگیری از خوردگی و غیره، و یا برای غیرفعال شدن سطح خارجی مواد باید عوامل دیگری چون نیروی چسبندگی، قدرت حلالیت، غلظت شیمیایی و فعالیت شیمیایی را جستجو كرد. در واقع همگی آن ها را می­ توان تحت عنوان پتانسیل شیمیایی نیز بیان كرده و به پتانسیل گیبس مربوط دانست. بدین صورت كه می ­توان پتانسیل شیمیایی را به مواردی مانند قابلیت جذب، حلالیت و یا واكنش پذیری ماده نسبت داد.

با این وصف با عنایت به ارتباط خواص گوناگون مواد با یكدیگر و پیوند عمیق ترمودینامیک با هر یک، با درک كمی آن ها، این امكان فراهم می­ آید كه روابط گوناگون بین خواص ماكروسكوپی مواد و عواملی كه بر روی آن ها تاثیر می­ گذارند را مشخص كرد.

عوامل مؤثر ساختاری بر خواص ماكروسكوپی مواد

به دلیل تبعیت خواص ماكروسكوپی مواد از ساختار و شبكه سلولی آن ها، تنها یافتن نوع شبكه كافی نیست بلكه باید مسیر و چگونگی ارتباط ساختار و خواص مواد صنعتی نیز روشن گردد. تاثیر متغیرهای فرآیندهای ساخت مواد صنعتی بر ساختار مواد روشن است كه در این باب، در علم متالورژی، مواردی مؤثر نظیر چگالی، خلوص، تركیب شیمیایی، دمای ذوب، دمای تغییر شكل، فشار غلتک ­ها و سرعت كشیدن در فرآیند كشش، سرعت و زمان سرد كردن، محیط و نوع عملیات حرارتی و غیره را باید در نظر گرفت.

به طور عمومی ساختار مواد صنعتی یكنواخت نبوده، بلور ایده ­آلی وجود ندارد و همواره مواردی چون نقص شبكه در ساختار مواد مشاهده می ­شود. نقایص شبكه را می­توان به گروه­ های اصلی زیر تفكیک كرد:

الف- صفر بعدی: مانند جاهای خالی نقطه ­ای و اتم­ های بیگانه

ب- یک بعدی: مانند نابجایی ­های خطی

ج- دو بعدی: مانند نقص انباشتگی و مرزدانه

د- سه بعدی: مانند جدایش، حفرات ریز حجمی، مک، ترک و مجموعه­ ای از عیوب نقطه­ ای

در آلیاژهایی كه تنوع عناصر در آنها زیاد است، تقسیم و قرارگیری انواع اتم­ ها در آرایش شبكه، كه به نظم شیمیایی منجر می­ گردد، از اهمیت خاصی برخوردار است. عناصر در نظم كم دامنه  و یا پردامنه  با قرار گرفتن در شبكه بلوری می­ توانند بر خواصی گوناگونی از جمله ممان­ های الكتریكی و مغناطیسی و جهت حوزه آن ها (در مواد مغناطیسی) تاثیر گذارند.

ساختار یك جسم جامد تنها شامل نقطه نظرهای هندسی در رابطه با نظم اتمی و یونی در شبكه ساختمانی نیست، بلكه به نوع اتصال و نیروی جفت شدن آن ها نیز ارتباط دارد. این بحث به ساختار الكترونی ذرات و روابط الكتریكی و مغناطیسی بین آن ها مرتبط گشته و برآیند آن ها به نوعی مبین خواص ماكروسكوپی مواد صنعتی خواهد بود.

در شکل زیر رابطه كلی خواص ماكروسكوپی مواد از امتزاج مواد، عوامل و شرایط تولید و خواص ساختاری، مشاهده می­ شود.

تابعیت خواص ماکروسکوپی مواد از متغییرهای گوناگون

روش های تحقیق در تركیب و ساختار مواد

با تجزیه و تحلیل شاخه ساختار مواد می­ توان به مواد با خواص ماكروسكوپی مورد نظر دست یافت. امروزه اصطلاح تجزیه و تحلیل فراتر از تجزیه یک عنصر خالص یا یك آلیاژ مفهوم داشته و گسترش پیدا كرده است. به طوری كه تنها به عنوان مقرراتی كلاسیک مطرح نبوده، گاهی دلایل معینی نیز داشته است. اگر پژوهشگری در علم تجزیه و تحلیل مواد، از بیان محتوای نتایج راضی نباشد، به فرآیند های تولید، پدیده ­های تبدیل و بعضا به تقسیم ظریف عناصر مورد تحقیق روی می­ آورد. بنابراین پژوهشگر برای نتیجه ­گیری و تحلیل، بین تركیب مواد، ساختار شبكه و بافت مواد، تفكیكی قایل نمی­ شود.

امروزه اصول شناسایی مواد با نظم وسیعی گسترش یافته و دیگر به محلول­ های شیمیایی در آزمایشگاه ­های شیمی (شیمی تر) بسنده نمی­ شود، بلكه با پدیده هایی كه مواد در مقابل امواج، اشعه، ذرات، الكترون­ ها و غیره از خود عكس­ العمل نشان می­ دهند، به تشخیص دقیق­ تری از آن ها  (از طریق فیزیكی) پرداخته می شود.

در دهه­ های اخیر، علم تجزیه و تحلیل مواد، با كمک تجهیزات مدرن ساخته شده، آن چنان گسترش وسیع و چند جانبه ­ای یافته است كه مصرف كنندگان این دستگاه­ ها، به دلیل فقدان دید كافی و كاربرد آن ها، در به كارگیریشان در حوزه توسعه تولیدات صنعتی با مشكل روبرو بوده و برای حل مشكلات به مراكز علمی، كه توان تجزیه و تحلیل آن مشكلات را دارند، روی می­ آورند. به طور كلی می­ بایست كلیه نهادهای علمی یا صنعتی برای انتخاب و خریداری یک دستگاه، با توجه به كاربرد اصلی آن، به ویژگی­ های گوناگون دستگاه امتیازاتی اختصاص داده و با تفكر بر تک تک عوامل و مسایل، اقدام به خریداری دستگاه مورد نظر می كنند. به عبارت دیگر مواردی چون تعداد آزمایش، سرعت آزمایش، دقت، روش تهیه نمونه، زمان لازم برای تهیه نمونه، حساسیت اندازه­ گیری، فن­اوری روش، شیوه­ های گوناگون تحلیل و بررسی نتایج، تكرارپذیری، سود آوری و نهایتا سرمایه­ گذاری مد نظر قرار گیرد. در بحث حاضر نیز عمدتا به نكاتی از این دست در باب كاربرد دستگاه ­ها در شناخت مواد از طریق بررسی ساختار آن ها پرداخته شده است.

منابع و پیوندها

گرد آوری شده توسط مهندس آمنه امیر افشار

یوسف خرازی و امیر شیخ غفور، ابزار شناسایی مواد، چاپ اول، انتشارات علم و صنعت، 1380

افسانه ربیعی، آزمایشگاه متالوگرافی، انتشارات جزیل، چاپ دوم، 1375

G.F. Vander Voorf, Metallugraphy, Principles and Practice, MCGrow Hill, 1984.

G. F. Vonder Voorf, Applied Metallugraphy, 1986.

علی اكبر تاری نسب، تئوری و عملی متالورژی، چاپ دوم، انتشارات باستان، 1363.

Metallographic Examination, SLV, EWE-3/2.31

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

material properties
عوامل مؤثر ساختاری بر خواص ماكروسكوپی مواد
عوامل موثر بر خواص ماکروسکپی مواد
خواص ماکروسکپی مواد
روش های تحقیق در تركیب و ساختار مواد
روش تحقیق در ساختار مواد
برچسب ها: انتخاب و شناسایی موادخواص فیزیکی
حضور شرکت پاکمن در نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجاری از کشورهای اسلامی
عنوان: نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجا ...بیشتر
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان اصفهان 97
بیست و یکمین نمایشگاه تخصصی ساختمان اصفهان 97   عنوا ...بیشتر
نمایشگاه صنعت ساختمان البرز 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان البرز 97   عنوان: نمایشگ ...بیشتر
اولین نمایشگاه تخصصی سونا و جکوزی قزوین 97
نمایشگاه تخصصی سونا، استخر و جکوزی قزوین 97   عنوان: ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97
هفدهمین نمایشگاه تخصصی ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97   ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی همدان 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان،آسانسور، درب و پنجره، تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گر ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97
نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97   عنوان: نم ...بیشتر
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنندج 97
نمایشگاه ساختمان، درب، پنجره، یراق آلات، لوازم، تجهیزات و ماشین آلات ساختمان سنن ...بیشتر
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز شهر آفتاب تهران 97
اولین نمایشگاه بین المللی صنعت گاز تهران 97   عنوان: ...بیشتر
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان کرمان 97   عنو ...بیشتر
نمایشگاه تخصصی لوازم و تجهیزات خانه و آشپزخانه، حمام، سونا و استخر اصفهان 97
نمایشگاه تخصصی لوازم و تجهیزات خانه و آشپزخانه، حمام، سونا و استخر اصفهان 97 ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر