معرفی گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

معرفی گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی از رشته مهندسی مواد

شناسایی و انتخاب مواد مهندسی گرایشی از رشته مهندسی مواد است که علاوه بر آن به صورت بین رشته ای در رشته های دیگر نیز کاربرد دارد. به عبارت دیگر شما هر گونه شغلی از جمله تولید، واردات مواد اولیه، و فروش به صنایع مختلف را داشته باشید، یا اگر حین تحقیقات دانشگاهی و علمی برای مواد و دستگاه های خود نیاز به شناسایی و انتخاب داشته باشید، با گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی سر و کار خواهید داشت. شناسایی و انتخاب مواد مهندسی به عنوان رشته مهم و اساسی و پایه در بسیاری از علوم و صنایع از جمله خودروسازی، هوافضا، معادن، پزشکی، و غیره کاربرد بنیادین دارد.
این گرایش را می توان گرایش اصلی مهندسی مواد در مقطع ارشد نامید. سایر گرایش های مهندسی مواد را می توانید در این +لینک مطالعه نمایید.

به عنوان مثال فرض کنید نیازمند انتخاب ماده برای انبردستی هستید که در حال تولید آن در ابعاد کوچکید. مسلما در این حالت خواص فیزیکی و مکانیکی ماده ای که انتخاب می کنید، با توجه به شرایط کاری، و برای بهینه کردن فرایند تولید و مصرف، از نظر کارآیی، مسائل اقتصادی، حساس بودن قطعه و غیره، نیازمند بهترین انتخاب می باشید و اینجاست که علم پایه شناسایی و انتخاب مواد مهندسی مطرح می گردد تا در نهایت شما انبردستی تولید کرده باشید که هم استحکام خوبی داشته باشد، هم حین کار نشکند، هم طول عمر بالایی داشته باشد، هم به صرفه اقتصادی باشد و هم بسیاری نکات ریز دیگر که در عمل مهم خواهد بود.

در این مختصر رشته شناسایی و انتخاب مواد مهندسی را در چند مرحله بررسی خواهیم کرد.

مواد مهندسی

در زمینه شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، دامنه وسیعی از مواد در دسترس هستند که هر کدام خواص، امتیازات، محدودیت ها، و کاربردهای خودشان را دارند. این مواد را به پنج دسته کلی زیر می توان تقسیم کرد:
۱٫ مواد فلزی
۲٫ مواد پلیمری
۳٫ سرامیک ها
۴٫ کامپوزیت ها
۵٫ غیره (نظیر شیشه، چوب، نیمه هادی ها، و …)

جهت مطالعه بیشتر راجع به مواد مهندسی می توانید مطلب موجود در این +لینک را مطالعه نمایید.

از طرف دیگر هنگام انتخاب یک ماده برای یک کاربرد خاص، خواص ماده باید تامین کننده کاربرد و شرایط کارکرد جزء یا ساختاری باشند که در حال طراحی است. خواص، که مستقیما بر انتخاب ماده اثر می گذارند می توانند به دسته های زیر تقسیم شوند:

• خواص مکانیکی نظیر سفتی، استحکام، داکتیلیته، سختی، چقرمگی و غیره
• خواص فیزیکی نظیر چگالی، هدایت الکتریکی، هدایت حرارتی، و غیره
• خواص شیمیایی نظیر مقاومت خوردگی در محیط های مختلف
• خواص تولید نظیر شکل پذیری، قابلیت ماشین کاری، سهولت اتصال، و غیره

ملزومات یک محصول به طور مستقیم توسط خواص مکانیکی، فیزیکی، و شیمیایی آن بدست می آیند. با این حال برای اینکه محصول از نظر فنی قابل تولید باشد، ماده باید خواص مناسب تولید داشته باشد. به عنوان مثال یک قطعه فورج نیاز به ماده ای با قابلیت جریان یابی کافی بدون ترک خوردن حین فورجنیگ دارد، یک نمونه ریختگی نیاز به ماده ای دارد که به سهولت در حالت مذاب جریان یابد و قالب را پر کند و هنگام انجماد تخلخل ها و ترک های نامطلوب ایجاد نکند.

روش های شناسایی مواد مهندسی:

شناسایی مواد و مشخصه گذاری فیزیکی آن کلید فهم کاربردهای مهندسی، کنترل کیفیت، و علل تخریب هستند. از جمله مهم ترین روش های شناسایی مواد می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• متالوگرافی
• آزمایشگاه خواص مکانیکی (کشش، خمش، ضربه،…)
• میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM
• میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM
• آزمایشگاه اسپکترومتری نشری
• آزمایشگاه خوردگی
•  آزمایشات غیر مخرب NDT
• تفرق اشعه ایکس (XRD)
• اسپکتروسکوپی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR)
• اسپکتروسکوپی انرژی اشعه ایکس (EDS)
• فلورسانس اشعه ایکس (XRF)
• طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-OES)

مسلما تعداد آزمایشات مواد بسیار بیشتر از مقدار فوق است که لیست کامل آن بر حسب حروف الفبای انگلیسی در وبگاه زیر قابل دست یابی است:

انتخاب مواد مهندسی

یکی از قسمت های بسیار مهم گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، انتخاب مواد است. مسلما یکی از اولین قدم ها در طراحی هر گونه قطعه مهندسی انتخاب مواد آن است. انتخاب مواد به گونه ای که هم در حین ساخت هم در حین کاربرد مناسب باشند و حتی بعد از دور ریز گزینه مناسبی برای چرخه طبیعت باشند از مهم ترین قسمت های طراحی است .
مهندسین طراح یک سری آزمایشات و آنالیزهای مواد هم به صورت فیزیکی هم به صورت مجازی با مدل سازی و شبیه سازی برای یافتن بهترین ماده جایگزین انجام می دهند. سوال این است: عواملی که قبل از انتخاب یک ماده برای مهندسی باید لحاظ شوند کدامند. پاسخ این است:

۱- هزینه ماده
۲- قابلیت تولید آن
۳- مسائل محیط زیستی
۴- خواص شیمیایی
۵- خواص فیزیکی
۶- خواص مکانیکی

اهمیت انتخاب مواد در فرایند طراحی مهندسی

برخی خواص مکانیکی حائز اهمیت عبارتند از [۳]:

۱٫ استحکام کششی
۲٫ استحکام تسلیم
۳٫ حد خستگی
۴٫ استحکام ضربه
۵٫ استحکام و مدول خمش
۶٫ استحکام فشار
۷٫ داکتیلیته
۸٫ چقرمگی و ضریب اصطکاک
۹٫ پلاستیسیته
۱۰٫ چقرمگی شکست
۱۱٫ استحکام برشی
۱۲٫ غیره

مهندسین طراح شیوه های مختلفی از انتخاب مواد نظیر کمک گیری از انتخاب دسته بندی شده بر اساس نیازمندی های طراحی و آنگاه باریک کردن جستجو به یک متغیر که به بهترین نحو با طراحی مطابق است را به کار برده اند. شیوه دیگر برای انتخاب ماده نهایی کردن فرایند تولید در ابتدا و آنگاه انتخاب ماده ای است که می تواند با فرایند مطابقت داشته باشد و احتیاجات طراحی را برآورده سازد.

توجه شود که انتخاب مواد با اهمیت ترین قسمت در طراحی یک محصول است. مهندسین هنگام طراحی یک محصول جدید همواره با این چالش مواجهند.
انتخاب یک ماده برای یک طراحی مهندسی به چه چیزهایی بستگی دارد؟ پاسخ این است:

نیازهای کارکردی طراحی، به عنوان مثال طراحی باید یک ظرفیت حمل بار مشخص، قابلیت انتقال حرارت مشخص و غیره داشته باشد.

هدف اصلی طراحی به عنوان مثل بهبود قابلیت تحمل، کاهش وزن کل محصول/ قطعه

محدودیت های طراحی به عنوان مثال ابعاد ثابت، ماده نباید تحت فشار انباشته شود، باید بتواند در دماهای بالا شکل و استحکام خود را حفظ کند.

چرا انتخاب مواد مهم است:

• اگر یک فرایند انتخاب مواد سیستماتیک در جای خود وجود نداشته باشد، بر طراحی محصول/ قطعه اثر می گذارد و آن را به شدت در معرض تخریب قرار می دهد.
• آنالیز یک طراحی و در معرض شرایط واقعی قرار دادن آن به پیدا کردن ناکارآمدی ها و خواص موادی که نیاز به جایگزینی یا بهبود دارند کمک می کند. این فرایند به انتخاب بهترین ماده کمک می کند.
• انتخاب مواد به طول ایده آل برای اطمینان از آین محصول در شرایط تشدید باز نمی ماند و در شرایط غیر قابل پیش بینی به خوبی عمل می کند بحرانی است .در زمینه طراحی محصول، هدف اصلی انتخاب مواد کمینه کردن هزینه در حالی است که به اهداف عملکردی محصول نیز رسیده باشیم. انتخاب سیستماتیک بهترین ماده برای یک کاربرد خاص با خواص و هزینه مواد موردنظر آغاز می شود. به عنوان مثال، یک پتوی حرارتی باید هدایت حرارتی کمی داشته باشد تا انتقال دما را برای یک اختلاف دمای ثابت کمینه کنند. انتخاب سیستماتیک برای کاربردهایی که نیاز به معیارهای چندگانه دارند پیچیده تر است.

منحنی های اشبی به نام مایکل اشبی از دانشگاه کمبریج نامگذاری شده اند و منحنی های توزیعی هستند که دو یا بیشتر خاصیت از بسیاری از مواد یا دسته مواد را نشان می دهند. این منحنی ها برای مقایسه نسبت بین خواص مختلف مفید می باشند. به عنوان مثال، برای میله ای که هم سفت است و هم سبک، مدول یانگ در یک محور و چگالی در محور دیگر قرار می گیرد. بدین ترتیب یک نقطه در منحنی نشان دهنده یک ماده است. در چنین منحنی نه تنها پیدا کردن ماده با بیشترین سفتی بلکه ماده با کمترین چگالی ممکن است.

البته هزینه بر حسب کیلوگرم تنها فاکتور مهم در انتخاب مواد نیست. بلکه جنبه مهم هزینه بر واحد کارکرد است. به عنوان مثال اگر هدف کلیدی طراحی سفتی یک صفحه ماده است، آنگاه طراح نیاز به ماده ای دارد با ترکیب بهینه چگالی، مدول یانگ، و قیمت. بهینه سازی ترکیبات پیچیده خواص تکنیکی و هزینه ای یک فرایند دشوار دستی است بنابراین نرم افزار انتخاب ماده ابزار مهمی به حساب می آید .

منحنی مدول یانگ در برابر چگالی. رنگ ها نشان دهنده خانواده های مواد هستند [۴].

منحنی مدول یانگ در برابر چگالی با مقیاس گزاری log-log. رنگ ها نشان دهنده خانواده های مواد هستند.

استفاده از منحنی اشبی یک روش مرسوم برای انتخاب ماده مناسب است. ابتدا سه سری متغییر مختلف تعریف می شوند:

• متغیرهای مواد که خواص ذاتی یک ماده نظیر چگالی، مدول، تنش تسلیم و بسیاری دیگر هستند.
• متغیرهای آزاد که کمیت هایی هستند که می توانند حین چرخه بار تغییر کنند، به عنوان مثال نیروی اعمالی
• متغیرهای طراحی که حدودی هستند که بر طرح اعمال می شوند. مثلا اینکه یک میله چقدر می تواند ضخامت داشته باشد و چقدر می تواند انحراف داشته باشد.

اکنون معادلی ای برای اندیس کارکرد مشتق می شود. معادله به طور عددی میزان رضایت بخشی ماده برای یک موقعیت خاص را کمی می کند. به طور مرسوم یک اندیس کارکرد بالاتر نشان دهد ماده بهتری است. در نهایت، اندیس کارکرد بر منحنی اشبی رسم می شود. بازرسی چشمی مطلوب ترین ماده را مشخص می کند.

گرایش شناسایی انتخاب مواد مهندسی در دانشگاه های ایران

گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی در دانشگاه های ایران در مقطع کارشناسی ارشد وجود دارد. فهرست دانشگاه هایی که در مقطع ارشد این گرایش را ارائه می کنند در پیوست ارائه شده است.

• دانشگاه هایی که در مقطع کارشناسی ارشد گرایش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی را ارائه می دهند.
• دانشگاه علم و صنعت ایران- تهران دانشگاه صنعتی همدان
• دانشگاه صنعتی امیرکبیر- تهران دانشگاه صنعتی نوشیروانی- بابل
• دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی- تهران دانشگاه فردوسی مشهد
• دانشگاه صنعتی سهند- تبریز دانشگاه کاشان
• دانشگاه صنعتی شریف- تهران دانشگاه یاسوج
• دانشگاه صنعتی شیراز دانشگاه یزد
• دانشگاه صنعتی مالک اشتر (محل تحصیی شاهین شهر) پژوهشگاه مواد و انرژی- مشکین شهر کرج
• دانشگاه صنعتی مالک اشتر دانشگاه فنی و مهندسی گلپایگان

طبق مشخصات کلی، برنامه، و سرفصل دروس دوره کارشناسی ارشد مهندسی مواد (فایل پیوست)، دانشجویان این گرایش در مقطع کارشناسی ارشد دروس اجباری زیر را پشت سر می گذارند:

دروس اجباری
نام درس تعداد واحد
ترمودینامیک پیشرفته مواد ۲
تغییر حالت های متالورژیکی ۲
خطاهای اندازه گیری در تحقیق مواد ۱
آزمایشگاه روش های پیشرفته مطالعه مواد ۱
روشهای پیشرفته مطالعه مواد ۲
فرآیندهای انجماد پیشرفته ۳
تئوری نابجایی ۳

تعداد واحدهای درسی این دوره ۳۲ واحد بوده که از این میان ۱۴ واحد دروس اجباری، ۸ واحد دروس اختیاری، ۸ واحد پروژه پایان نامه، و ۲ واحد سمینار هستند. دروس خواص مکانیکی دو، ریاضیات مهندسی، انتخاب مواد فلزی، انتقال مطالب علمی و فنی، و مواد پیشرفته از دروس جبرانی این گرایش هستند.

چه بخوانیم؟

جهت مطالعه بیشتر برای آشنایی و کاربرد گرایش شناسایی و انتخاب مواد، شما را به مطالعه منابع زیر که در سایت ایران مواد یافت می شوند دعوت می کنیم:
– جزوه درس روشهای شناسایی مواد آقای دکتر عسگری (دانشگاه صنعتی شریف)
– جزوه روش ها و دستگاه های آنالیز و شناسایی مواد
– راهنمای عملی انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد
– هندبوک انتخاب مواد Myer Kutz
– کتاب انتخاب مواد Nicholas P. Cheremisinoff
– هندبوک ASM جلد ۲۰، انتخاب و طراحی مواد