مقدمة
Introduction
الحمد لله ربّ العالمين و الصلاة و السلام على سيد العلماء و سيد الأولين والآخرين رسول ربّ العالمين و على آله و صحبة المنتجبين. أما بعد، فإن العدد الكبير من المواد الهندسية ربما يعقد من مهمة إختيار المادة الهندسية المناسبة للتطبيق المعين، وعليه، مهمة إختيار المواد الهندسية تعتبر مهمة شاقة لأنها تتطلب تحقيق متطلبات التصنيع Fabrication Requirements، متطلبات الخدمة أو التطبيق Service Requirements، و المتطلبات الإقتصادية Economic Requirements. وهذا بدوره يتطلب المعرفة الشاملة بالعلاقات مابين التركيب (البنية) Structure - الخاصية Property- طريقة التصنيع (أو المعالجة) Processing - التركيب الكيمياوي Composition للمواد الهندسية. من هنا، إختيار المادة الهندسية لا يمكن أن يتم بمعزل عن إختيار العملية أو الطريقة التي بواسطتها يمكن (سباكة Casting، تشكيل Forming، لحام Welding...الخ) المادة الهندسية. أضف الى ذلك، أن عامل الكلفة Cost يعتبر من العوامل الأساسية في كل من عملية إختيار المادة و الإسلوب الذي تصنّع فيه تلك المادة.
يتناول هذا الكتاب موضوع "إختيار المواد الهندسية" بإسلوب مبسط حيث يتكون من خمسة فصول. يتناول الفصل الأول، مقدمة موجزة حول مهمة إختيار المادة الهندسية، بينما يتناول الفصل الثاني، إختيار المادة الهندسية إعتماداً على الخواص، أما الفصل الثالث، فإنه يتناول إختيار العملية أو طريقة التصنيع المستخدمة في تصنيع أو معالجة المادة الهندسية. بعد ذلك، تناول الفصل الرابع، المعايير المستخدمة في عملية إختيار المواد الهندسية. في الفصل الخامس، تم دراسة بعض الحالات التطبيقية التي تبين كيفية إختيار المادة الهندسية بالإعتماد على معايير عملية الإختيار. يلي ذلك، ملحق مبسط يتضمن المخططات التي تستخدم بشكل شائع في عملية إختيار المواد الهندسية أي Materials Selection Charts. و أخيراً، أتمنى أن أكون قد وفقت في إغناء المكتبة العربية و ما التوفيق إلا من عند الله و الحمد لله ربّ العالمين.
أ. د. قحطان خلف الخزرجي
د. عباس خماس الساعدي
1.1 مقدمة
Introduction
إن من أهم المتطلبات الأساسية للحصول على المنتج المقبول و بكلفة تنافسية Competitive هو إختيار المادة المثلى Optimum Material من مجموعة المواد الهندسية المتوفرة. إن هذه المهمة ليست بالسهلة، فهناك نسبة كبيرة من فشل المنتجات الذي يحدث نتيجة الإختيار الخاطئ للمواد. ومما يزيد من تعقيد مهمة الإختيار، هو أن العملية المستخدمة في تصنيع المنتج تؤثر على خواص المواد وسلوكها في التطبيق. وعليه، مهمة إختيار المواد يجب أن لاتتم بمعزل عن طرق التصنيع Manufacturing Processes، التي بدورها يجب أن لاتتم بمعزل عن تصميم المنتج Product Design. أضف الى ذلك، أن فعالية إختيار المواد وعملية التصنيع يجب أن لا تقتصر على المظاهر التقنية Technical Aspects فحسب، وإنما على المظاهر الإقتصادية Economic Aspects أيضاً،لأن المتطلب الأساسي للمنتج الناجح هو الجدوى الإقتصادية Economic Feasibility.
إن دور مهندس المواد Materials Engineer في فريق التصميم Design Team، يبرز من خلال هندسة المواد Materials Engineering التي تمثل حلقة الوصل مابين فروع الهندسة الأخرى، لأن فريق التصميم يتكون عادة من مجموعة من الأعضاء من فروع الهندسة الأخرى مثل:
1. الهندسة الميكانيكية Mechanical Engineering.
2. الهندسة المدنية Civil Engineering.
3. هندسة البيئة Engineering Environmental .
4. الهندسة الكيمياوية Chemical Engineering.
5. الهندسة الكهربائية Electrical Engineering.
6. هندسة الطائرات Aerospace Engineering.
7. الهندسة النووية Nuclear Engineering.
8. الهندسة المعمارية Architectural Engineering.
9. هندسة النسيج Textile Engineering.
فإذا عرّفنا التصميم الهندسي Engineering Design بأنه عملية الحصول على جزء أو نظام جديد، فإن دور مهندس المواد يكمن في السؤال التالي: من أي مادة سوف يصنّع ذلك الجزء أو النظام؟ وللوصول الى الإجابة حول هذا السؤال، فإن سلسلة من الأسئلة يجب الإجابة عليها أولاً على سبيل المثال:
1. ما هي متطلبات الأداء Performance Requirements (الكهربائية، الميكانيكية، الكيمياوية، الحرارية) لذلك الجزء أو النظام؟
2. كيف سيتم إنتاج ذلك الجزء؟
3. ماهي الفترة الزمنية المطلوبة لذلك الجزء أو النظام في الخدمة أو التطبيق؟
4. ماهو المستوى المقبول من كلفة الإنتاج؟
5. ما هي عمليات الفحص Inspection المطلوبة لذلك الجزء أو النظام؟
6. كم سيتطلب من عملية الإصلاح Repair أو الصيانة Maintenance؟
7. ما هي الفترة الزمنية التي سوف يستهلك عندها خلال التطبيق؟
8. ما هي نتائج الفشل أثناء التطبيق أو الخدمة In-Service Failure؟
وعليه، مهندسي المواد يتعاملون بشكل مباشر مع:
1. قابلية تحمل المنتج Product Durability.
2. الكلفة Cost.
3. المعولية Reliability.
4. المسؤلية القانونية Liability.
5. علاقة الوسط مع المادة Correlation Between Environment and Material.
6. إختيار العملية أو طريقة التصنيع Process Selection.
1. 2 العوامل المؤثرة على إختيار المادة
Factors Affecting Material Selection
تتأثر مهمة إختيار المواد بالعديد من العوامل وهذه العوامل تتضمن:
إعتبارات التصميم Design Considerations.
الخواص الميكانيكية Mechanical Properties.
كلفة الجزء Component Cost.
متطلبات التطبيق Service Requirements.
المتطلبات الوظيفية Functional Requirements.
خواص المادة Material Properties.
تراكيب (بنية) المادة Material Structures.
الإنتفاع أو الإستفادة من المادة Material Utilization.
في المقاطع التالية، نتطرق الى شرح هذه العوامل بشيء من التفصيل. 1.1.2.إعتبارات التصميم Design Considerations
خلال مرحلة تصميم الجزء، يجب أن يقرر المهندس ماهي ماهي المادة أو المواد التي سوف تكون أكثر ملائمة.وفي بعض الحالات، متطلبات التطبيق للجزء هي التي تحدّد المواد التي يجب إستخدامها. على سبيل المثال، كاوية اللحام Soldering Iron تتطلب إستخدام اللقمة النحاسية Copper-Bit لغرض توصيل الطاقة الحرارية من مصدر الحرارة الى وصلة اللحام، وفي هذه الحالة اللقمة البوليمرية Polymer-Bit سوف تكون غير مناسبة. وفي أغلب الحالات لاتكون مهمة إختيار المادة سهلة أو غير معقدة. إن الإختيار الخاطئ يمكن أن يؤدي الى فشل الجزء الذي ربما يؤدي الى نتائج فادحة. ومع هذا المدى الضخم من المواد الهندسية كيف يمكن لمهندسي التصميم أن يصنعوا قرارهم حول الإختيار النهائي Final Choice للمادة؟ إن القرار ليس بسيطاً، حيث عدة عوامل مهمة يجب أن تؤخذ بنظر الإعتبار وهذه تتضمن:
أ. حجم وشكل الجزء Size and Shape of Component.
ب. كلفة المادة Cost of Material.
ج. درجة توفر المادة Availability of Material.
د. عدد الأجزاء المطلوبة Number of Required Components.
هـ. الخواص الفيزيائية والميكانيكية Physical and Mechanical Properties.
و. الخلوص البعدي Dimensional Tolerance.
ز. درجة توفر عدة الإنتاج Availability of Production Plant.
إن العوامل المؤثرة على إختيار المادة لايمكن أن تؤخذ بنظر الإعتبار بشكل معزول، إن حجم و شكل الجزء سوف يؤثر على عمليات الإنتاج أي مسبوك Cast أم مشكّل Formed أم مشغّل Machined. و عند إختيار طريقة السباكة بالقوالب المعدنية Die-Casting للإنتاج، فإن هذه الطريقة سوف تحد من إختيار المادة حيث تجعله مقتصراًً على السبائك التي تتميز بدرجة إنصهار منخفضة مثل المغنيسيوم Mg، الخارصين Zn، الألمنيوم Al. و حتى تكون طريقة السباكة بالقوالب المعدنية إقتصادية، فإن عدد الأجزاء المطلوبة يجب أن يكون عالياً، و ذلك لمعادلة تكاليف الإنتاج العالي مع كلفة تصنيع القالب. إن درجة الإنهاء السطحي Surface Finish و الخلوص Tolerance بالنسبة للمنتج النهائي سوف تؤثر على طريقة الإنتاج، ولهذا تكون طريقة السباكة الرملية Sand Casting رديئة مقارنة مع طريقة السباكة بالقوالب المعدنية بواسطة الضغط Pressure Die-Casting من حيث الإنهاء السطحي و الدقة البعدية، و لكنها أقل كلفة. و هذه تمثل بعض النقاط المهمة التي يجب أن تؤخذ بنظر الإعتبار من قبل مهندس التصميم
2.2.1الخواص الميكانيكية Mechanical Properties
إن الخواص الميكانيكية مثل المتانة Toughness، المقاومة Strength، الصلادة Hardness، يمكن أن تحدّد ملائمة بعض المواد الهندسية للإختيار. الشكل 11 يبين التغيرات في الخواص الميكانيكية لسبائك الحديد - كاربون مع تغيّر محتوى الكاربون. و هذا يزود المهندس بمدى واسع من سبائك الحديد-كاربون لإختيار المناسب منها. و بعد إختيار السبيكة الملائمة على أساس محتوى الكاربون، هل أن ذلك سوف يكون دالة مقبولة في التطبيق؟ إن أحد متطلبات التصميم للعجلات المسنّنة (الترس) Gear Wheels الصغيرة، أن تكون صلدة و ذلك لضمان أدنى كمية ممكنة من البلى Wear و بالتالي حفظ الدقة.
في البداية، يمكن إنتاج مثل هذه المسننات من الفولاذ الكاربوني المصلّد Hardened Carbon Steel ، و لكن الآن، مواد مثل التفنول Tufnol أو النايلون. 66. Nylon6.6 يمكن إستخدامها بهذا الخصوص، على الرغم من أن قيم الصلادة للمواد البوليمرية أقل من سبائك الحديد-كاربون، و لكن في التطبيق مسننات البوليمر Polymer Gears تؤدي وظيفتها بشكل مقبول ولا تتطلب إستخدام عملية التزييت Lubrication. و عليه، يجب أن يكون مهندس التصميم يقظاً من حيث أن الخواص النوعية التي تتميز بها المادة لاتعكس الإسلوب الذي سوف تسلكه المادة خلال التطبيق.
إن الخواص الميكانيكية للمادة، يمكن أن تحدّد أيضاً طريقة إنتاج الجزء. ففي بعض المواد، خواص المقاومة و المتانة، يمكن أن تجعل طرق التصنيع عملية صعبة و بالتالي تكون مرتفعة الكلفة. إن عامل الكلفة الإضافي، يمكن أن يكون نتيجة زياد الفترة الزمنية لعملية التصنيع أو إستخدام عدة خاصة أو كلاهما. إن حل مشكلة عملية الإنتاج يمكن أن يتم بإستخدام طريقة السباكة الدقيقة Investment Casting أو طريقة الشمع المفقود Lost-Wax Method، حيث لايتطلب المنتج النهائي عادة إستخدام عملية التشغيل Machining. ولكن، يجب أن نأخذ بنظر الإعتبار التأثير المباشر لعملية الإنتاج Production Process على الخواص الميكانيكية مثل المقاومة و المتانة. فعند إنتاج الجزء بواسطة السباكة، فإنه سوف يتميز بإتجاه بلوري Crystalline Orientation معين، و سوف لايتميز بخواص إتجاهية Directional Properties إلا عند إستخدام أساليب معينة مثل التجمد الإتجاهي Directional Solidification. أما عندما يخضع الجزء الى عملية التشكيل Forming للحصول على شكل معين، على سبيل المثال بإستخدام الطرق أو الحدادة Forging فإنه سوف يتميز بخواص إتجاهية. إن المعادن المشكلة Worked Metals، أو التراكيب المطروقة Wrought Structures تكون عادة أقوى من المسبوكات Castings باستخدام نفس المادة.
يمكن إنتاج نموذج غفل المسنّن الصغير Small Gear Blank بواسطة عملية تشكيل الغفل Blanking، من الصفيحة المدرفلة على الساخن Hot-Rolled Plate، أو فصل مقطع رقيق من القضيب المدرفل على الساخن Hot Rolled Bar، أو فصل طول معين من القضيب المدرفل على الساخن و تشكيله بالطرق (الحدادة) بشكل نموذج الغفل Blank، فعلى الرغم من أن المادة الأساس Parent Material لنماذج الغفل Blanks تتميز بخواص إتجاهية، إلا أن نماذج الغفل المفردة Inpidual Blanks تتميز بخواص إتجاهية مختلفة وهذه يمكن أن تؤثر على الخواص الميكانيكية مثل المقاومة. إن هذه الخواص ترتبط عادة بخطوط الألياف Fibres Lines التي تنساب مع تشوّه البلورة Crystal أو الحبيبة Grain الناتج من إتجاه عملية التشكيل.
3.2.1كلفة الجزء Component Cost
إن كلفة الجزء سوف تؤثر على نوع المادة التي يتم إختيارها و الطريقة أو العملية التي يتم إعتمادها في التصنيع. أما عوامل الكلفة المخفية الأخرى مثل:
1. تكاليف الضرائب Rates.
2. تكاليف الأجرة Rent.
3. تكاليف التشغيل Running Costs للعدة أو الأجهزة.
فإنها يجب أن تؤخذ بنظر الإعتبار قبل الحصول على الكلفة النهائية لكل جزء Final Cost per Component.
في العديد من الصناعات تقدّر كلفة شراء المواد Purchase Cost بحوالي50% من كلفة التصنيع الكلية Total Manufacturing Cost للجزء أو المنتج النهائي. و عليه، إستخدام المواد الأولية Raw Materials المنخفضة الكلفة سوف يخفض من الكلفة الأجمالية Overall Cost، و هذا يجعل تمويل ذلك الجزء أكثر جاذبية من الأجزاء المنافسة. ولكن هذه القاعدة لاتكون صحيحة دائماً، فعندما نأخذ بنظر الإعتبار، المواد المناسبة المستخدمة في تصنيع هيكل الطائرة ذات السرعة مادون الصوتية Subsonic Air Frame، فإن سبيكة المغنيسيوم القوية تتطلب التدبير الوقائي ضد الإشتعال خلال عملية التشغيل، كما أنها تتطلب الحماية ضد التآكل اللاحق. بينما تكون سبائك التيتانيوم أقوى، و تتميز بمقاومة تآكل أفضل مقارنةً مع سبائك المغنيسيوم إلا أن كلفتها عالية جداً. أما سبائك الألمنيوم فإنها قوية أيضاً ولها كلفة منخفضة نسبياً و سهلة التشغيل إلا أنها تتطلب الحماية من التآكل تحت ظروف معينة. و من خلال هذه الإحتمالات الممكنة للمواد التي يمكن إستخدامها كمواد ليهكل الطائرة، نلاحظ أن التكاليف العالية لايمكن تجنّبها بشكل أو بآخر. من هنا، المادة التي تبدو في البداية منخفضة الكلفة لايعني أنها تكون ملائمة عندما نأخذ عوامل الإنتاج الأخرى بنظر الإعتبار.
4.2.1 متطلبات الخدمة (التطبيق) Service Requirements
إن مهندس التصميم يجب أن يضمن أن المادة التي تم إختيارها سوف تكون مستقرة و خالية من الخطر و تؤدي وظيفتها بالشكل المطلوب في التطبيق الذي على أساسه تم إختيارها. ففي العمليات الكيمياوية و النووية، العوامل الرئيسية التي تؤخذ بنظر الإعتبار تتضمن:
1. الإستقرارية التركيبية Structural Stability.
2. المقاومة Strength.
3. مقاومة التآكل Corrosion Resistance.
إن المعادن النقية Pure Metals تتميز عادة بمقاومة تآكل عالية جداً و مقاومة منخفضة، و على الرغم من عمليات التسبيك Alloying Processes، فإنه من الممكن الإحتفاظ بمقاومة التآكل في حالة السبائك Alloys والحصول على المقاومة المطلوبة. إن الأنواع المختلفة من السبائك الحديدية Ferrous Alloys واللاحديدية Non-Ferrous Alloys، يمكن أن تزودنا بالمادة المثالية Ideal Material التي تناسب متطلبات التطبيق المعينة. إن وزن الجزء Component Weight يعتبر من العوامل الحرجة و بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب حفظ الطاقة Energy Conservation، ولهذا تصاميم الطائرات و السيارات تعتمد بشكل كبير على الوزن و ذلك لحفظ الوقود. وعليه، خاصية المقاومة النوعية Specific Strength (نسبة المقاومة/الوزن) يمكن أن تمزج مع الكلال Fatigue، الزحف Creep، التآكل Corrosion...الخ.
إن المصمم يجب أن يكون يقظاً وعلى معرفة وإطلاع بالمعاملات التي تجرى على المادة والتي ترفع من خواص المعادن والسبائك المختلفة وبالتالي يمكنها أن تناسب متطلبات التطبيق. إن هذه المعاملات تتضمن على سبيل المثال:
1. الإصلاد السطحي Case Hardening.
2. المراجعة Tempering.
3. المراجعة الأوستينايتية Austempering.
4. النتردة Nitriding.
5. المعاملات المحلولية ...الخ Solution Treatments
وبالنظر للطلب المتزايد على المواد المعدنية، فإن عملية إختيار المواد يجب أن لاتتم بمعزل عن المعاملات المناسبة التي يمكن أن تكون عملية معاملة سطحية Surface Treatment مثل الأنودة Anodising، الإصلاد السطحي، أو المعاملات التي تؤثر على البنية أو التركيب الداخلي للمادة مثل الإصلاد بالتقسية Quench Hardening، أو المعادلة Normalising التي تزود المادة بالتركيب الذي يناسب متطلبات التطبيق المعين.
هناك قول شائع ينص على أن "جميع المشاكل الهندسية يمكن أن تحل بإستخدام الطريقة المناسبة للتصميم"، على الرغم من أن ذلك يبدو صحيحاً الى حد ما، ولكن في العديد من التطبيقات نلاحظ حدوث الفشل رغم إستخدام التصاميم المناسبة. وهذا في أغلب الأحيان، يعزى الى نقصان الخبرة و البصيرة في متطلبات تطبيق مادة ذلك الجزء مثل الإجهادات الغير متوقعة Unexpected Stresses التي يمكن أن تتضمن:
1. الإهتزازات Vibrations.
2. التغير في درجة الحرارة Temperature Variation.
3. تحميل الصدمة Shock Loading التي يخضع لها الجزء.
1. 5.2 المتطلبات الوظيفية Functional Requirements
إن المادة التي يتم إختيارها في تطبيق معين يجب أن تحقق الهدف من إختيارها بالشكل المطلوب خلال عمر الجزء. وهذا يتطلب بعض الشروط، منها القابلية على مقاومة جميع حالات التحميل المتوقعة. إن حالات التحميل يمكن أن تتضمن:
1. التحميل الديناميكي (المتحرك) Dynamic Loading.
2. التحميل الإستاتي (الساكن) Static Loading.
3. الأجواء الكيميائية العدوانية Hostile Chemical Atmospheres.
وكنتيجةً لذلك، عدة إجهادات سوف يخضع لها ذلك الجزء. و عندما يخضع الجزء الى حمل يبقى مستقراً أو ساكناً، فإنه يسمى حالة الإجهاد الساكن Static Stress Situation. إن الأجزاء التي يجب ان تقاوم هذا النوع من الحمل، تستخدم عادة في الأثاث Furniture، تراكيب الأساس المستخدمة في الأبنية Foundations Structures of Building، هياكل القاعدة المسبوكة للمكائن Base Casting Machines .
إن الحمل المسلط في حالة الحركة ( على سبيل المثال، جهاز المرفاع Crane Lifting Equipment، نوابض تعليق المركبة Vehicle Suspension Springs ) أو التأثيرات الإهتزازية Vibrational Effects ، على سبيل المثال، المثقاب النفحي (الضغطي الهوائي) Pneumatic Drill، تؤدي عادة الى إجهادات ديناميكية. إن هذه الإجهادات يمكن أن تنشأ أيضاً من التاثيرات الحرارية الناتجة من التمدد والإنكماش. و عليه، عند تصميم جهاز المعاملة الحرارية Heat Treatment يجب أن يؤخذ بنظر الإعتبار النوع الأخير من الإجهادات الديناميكية. أما عند تصميم وحدة الصناعة الكيمياوية Chemical Plant، فإن الإجهادات يمكن أن تمتد من الإجهادات الساكنة في حالة حاويات الخزن الكيمياوي Chemical Storage Containers الى الإجهادات التي تنشأ بواسطة الهجوم الكيمياوي Chemical Attack أي التآكل. أن الوسط التآكلي يمكن أن يكون غير مباشر Indirect نتيجة التلوث الناتج من الغازات المبددة Waste Gases أو يكون بشكل تماس مباشر Direct Contact ، مع مواد التآكل أي المحاليل الملحية Salt Solutions و الحوامض Acids، على سبيل المثال. إن هذه الأوساط تتميز بالعدوانية الشديدة، وعليه، مواد مرتفعة الكلفة، أو معاملات سطحية تتطلب عادة لخفض هجوم التآكل.
ومهما كان معدل التآكل، فإن الجزء يجب أن يكون قوياً بمافيه الكفاية بحيث يكون مأموناً Safe و مؤدياً الوظيفة بالشكل المطلوب. و بغض النظر عن الأوساط الكيمياوية، فإن الإجهادات الناتجة من الهجوم التآكلي Corrosion Attack يمكن أن تنشأ من الإختيار الخاطئ للمادة. و في هذه الحالة تنشأ خلية إلكتروليتية Electrolitic Cell حيث يخضع جزء من المنتج الى التآكل بشكل مضحي Sacrificial. إن سبب فشل العديد من الأجزاء و التراكيب بشكل سابق لأوانه، ينشأ من الأخطاء في الحكم Judgment، حول قابلية المادة المختارة و الإجهادات الطبيعية التي تخضع لها. و مع تطور تكنولوجيا الحاسوب و التصميم بمساعدة الحاسوب Computer Aided Design (CAD)، من الممكن محاكاة Simulation، حالات الإجهادات المتوقعة و هذا بدوره يحسّن من عملية إختيار المادة و تصميم الجزء.
6.2.1 خواص المادة Material Properties
إن نجاح مهندس التصميم Design Engineer، يعتمد الى حد ما على معرفته بالمواد و كيفية إنسيابها و تشكيلها خلال عملية التصنيع. إن مثل هذه المعرفة بخواص المواد سوف تضمن الإختيار المناسب لعملية التشكيل Forming Process. كما أن بعض المواد مثل الرصاص Lead لايمكن سحبه بنجاح بشكل سلك Wire و لايمكنه الإستجابة الى عمليات عدة القطع Cutting Tool Operations، للحصول على الشكل المطلوب. إن الرصاص يبدي عادة مقاومة منخفضة للقوة المسلطة إلا أنه سوف لايخضع الى القص بالشكل المقبول للحصول على نوعية إنهاء سطحي جيدة.
و كماهو معروف أن خاصية قابلية الطرق Malleability تمكّن من إجراء عمليات البثق Extrusion Processes بنجاح و بالتالي يمكن إنتاج سلك الرصاص. و على الرغم من سهولة و بساطة هذا المثال المتعلق بتفاعل المادة مع حالات التحميل المختلفة مثل:
1. الشد Tensile (مثل سحب الأسلاك Wire Drawing ).
2. القص Shear (مثل أداء عدة القطع Cutting Tool Action ).
3. الضغط Compression (مثل البثق Extrusion ).
إلا أنه يوضح أهمية معرفة خواص المواد. إن المواد المختلفة تتميز بخواص فيزيائية مختلفة. و هذه الخواص سوف تحدّد إختيار المادة، و الآن، نتطرق إليها بشكل موجز.
مقاومة الشد Tensile Strength
إن هذه الخاصية، تمكّن المادة من مقاومة قوة الشد. كما أن التركيب الذري أو الجزيئي يزود هذه المقاومة الداخلية Internal Strength.
الصلادة Hardness
درجة مقاومة الثلم Indentation، البري أو الحك Abrasion، البلى Wear، وهذه المقاومة يمكن الحصول عليها بواسطة تقنيات المعاملة الحرارية Heat Treatments Techniques أو تقنيات التسبيك Alloying Techniques التي تخفض أو تمنع الذرات من الإنزلاق في داخل المادة.
مقاومة البلى Wear Resistance
قابلية المادة على حفظ أبعادها الفيزيائية عندما تخضع الى تماس الإنزلاق Sliding أو الدرفلة Rolling مع العضو الثاني. و هذه الخاصية تكون عادة مرتبطة مع خاصية الصلادة.
المطيلية Ductility
إن هذه الخاصية مرتبطة مع عمليات سحب الأسلاك على البارد Cold Wire Drawing و تتضمن التخصّر التدريجي في مساحة المقطع العرضي من دون حدوث التمزق، على سبيل المثال، النحاس له مطيلية عالية جداً بخلاف الرصاص.
مقاومة الصدمة Impact Strength
مقياس إستجابة المادة لتحميل الصدمة. فالزجاج، حديد الزهر، و الماس مواد لها مقاومة صدمة منخفضة، بينما المطاط و بعض البوليمرات يتميز بمقاومة صدمة عالية.
الموصلية الكهربائية Electrical Conductivity
إن المادة التي تبدي مقاومة صغيرة لمرور التيار الكهربائي تتميز بموصلية كهربائية عالية، حيث يسهل إنسياب الإلكترونات في داخل المادة عندما تخضع الى مصدر إلكترونات خارجي. إن جميع المعادن و كذلك المواد اللامعدنية مثل الكاربون تعتبر موصلات كهربائية جيدة.
الخواص المغناطيسية Magnetic Properties
يطلق على المواد التي تنجذب بشدة نحو مجال القوة المغناطيسية، الناتج من المصدر الكهربائي الخارجي أو المغناطيس الدائم Permanent Magnet مواد المغناطيسية الحديدية ( العالية الإنفاذية) Ferromagnetic Materials. إن العناصر الشائعة التي تسلك هذا السلوك تتضمن: الحديد Fe، النيكل Ni، الكوبلت Co.
الموصلية الحرارية Thermal Conductivity
إن خاصية توصيل المادة للحرارة تسمى الموصلية الحرارية. بعض المواد مثل النحاس و الألمنيوم تعتبر موصلات حرارية عالية التوصيل الحراري. و نظراً لهذه الخاصية يمكن إستخدام هذه المواد في العديد من التطبيقات مثل لقم كاوية اللحام Soldering Iron Bits , أدوات الطبخ المنزلية Cooking Utensils...الخ، مقارنةً مع المواد المنخفضة التوصيل الحراري مثل الأسبستوس Asbestos، الخشب Wood، و بعض البوليمرات التي تستخدم بشكل عوازل حرارية Heat Insulators مثل مقابض أدوات الطبخ المنزلية Handles for Cooking Utensils، صناديق الأفران Furnace Boxes.
الكثافة Density
مقياس المادة لرص Pack كتلة معينة في حجم معين. إن كيلوغرام من الريش Feathers و كيلوغرام من الرصاص Lead لهما نفس الكتلة إلا أن حجمهما مختلف تماماً. و عليه، تتميز هذه المواد بقيم كثافة مختلفة. إن العامل المهم، هو
عندما يكون الوزن و بالتالي الكتلة، عاملاً حرجاً كما هو الحال في تراكيب الطائرات. و من جانب عامل الأمان، خفض إجمالي كتلة الجزء يجب أن لايؤدي الى خفض مقاومة الجزء.
مقاومة التآكل Corrosion Resistance
إن المواد التي لا تتحلل كيمياوياً في الأوساط الغريبة Alien Environment، تتميز عادة بمقاومة تآكل جيدة. إن الوسط الغريب يمكن أن يكون، الماء المالح Salt Water، الجو الملوث Polluted Atmosphere، المحاليل أو الأجواء ذات الحامضية العالية High Acidic Atmosphere or Solution. إن درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على هذه الخاصية، كما هو الحال، في الطبقة الأوكسيدية Oxidation Film، التي تتكون في الفولاذ الساخن Hot Steel. إن هذا التفاعل يمكن إعتباره تآكل معجّل Accerlated Corrosion أو أكسدة Oxidation.
إن الخواص الفيزيائية و الميكانيكية للمادة المختارة لتصنيع جزء معين، يجب أن تحقق شروط التصنيع Fabrication Requirement، و شروط التطبيق Service Requirement. إن سهولة التشكيل، التشغيل، أو الحصول على سائل أو مائع السباكة سوف يؤثر على الكلفة النهائية للجزء. و من العوامل المهمة جداً، هي معولية Reliability المواد بينما تكون في التطبيق. إن الفشل السابق لأوانه نتيجة الزحف Creep، الكلال Fatigue، فقدان الصلادة Hardness Loss، يكون عادة مكلف عند إستخدام المواد الرديئة Low Grade Materials. إن التفاعل مابين متطلبات التصنيع، متطلبات التطبيق، المتطلبات الإقتصادية لإختيار المادة المثلى Optimum Material
من هنا، يمكن تقسيم متطلبات إختيار المواد الهندسية الى:
1. متطلبات التصنيع Fabrication Requirements.
2. متطلبات الخدمة أو التطبيق Service Requirements.
3. المتطلبات لإقتصادية Economic Requirements.
متطلبات التصنيع Fabrication Requirements
حيث تتضمن:
• اللدونة Plasticity.
• قابلية الطرق Malleability .
• المطيلية Ductility.
• خواص السباكة Casting Properties.
• الخواص الإتجاهية Directional Properties.
• سهولة الربط Ease of Joining.
• قابلية التشغيل Machinability.
• الإستجابة للمعاملات السطحية Response to Surface Treatment.
• الإستجابة للمعاملات الحرارية Response to Heat Treatments.
متطلبات الخدمة أو التطبيق Service Requirements
و تتضمن مايلي:
• المقاومة Strength.
• الصلادة Hardness.
• الجساءة Rigidity.
• المتانة Toughness.
• مقاومة التآكل Corrosion Resistance.
• مقاومة الزحف Creep Resistance.
• مقاومة الكلال Fatigue Resistance.
• الموصلية الكهربائية Electrical Conductivity.
• الموصلية الحرارية Thermal Conductivity.
• الوزن Weight.
• الخواص المغناطيسية Magnetic Properties.
• خواص المرونة Elasticity Properties.
المتطلبات الإقتصادية Economic Requirements
و تتضمن:
• كلفة المواد الأولية Cost of Raw Materials.
• كلفة الماكنة Cost of Machine.
• كلفة التصميم Cost of Designing.
• كلفة الربط Cost of joining.
• كلفة التصنيع Cost of Fabrication.
• كلفة السباكة Cost of Casting.
7.2.1 تركيب (بنية) المادة Material Structure
إن مادة هندسية مثل سبيكة الفولاذ الكاربوني الحاوي على 0.4%C و التي تخضع الى معاملة حرارية مناسبة يمكن إستخدامها بشكل مقبول في حالة النوابض Springs. إن مثل هذه المادة التي تتميز بقابلية على مقاومة الأحمال الصدمية Shock Loads من دون حدوث الكسر يمكن إعتبارها مادة متينة Tough. و المواد الأخرى التي تستجيب بشكل مقبول الى التحميل الصدمي، تتضمن المطاط المصلّد بواسطة الكبريت Vulcanised Rubber و العديد من البوليمرات اللدنة حرارياً Thermoplastic Polymers. و على الرغم من أن هذه المواد يمكنها أن تحقق شروط التطبيق الذي يتطلب المتانة، فإن السبائك هي المواد الوحيدة التي يمكنها أن تتميز بهذه القابلية بواسطة المعاملة الحرارية المناسبة. و بخلاف ذلك، يبدي المطاط والبوليمر، خواص مرونة عالية مقارنة مع السبائك.
إن تفاعلات المادة المختلفة التي تنشأ بواسطة الإستجابة للمعاملات الحرارية المختلفة أو الإجهادات المسلطة هي نتيجة التركيب الداخي المتباين للمواد المعدنية واللامعدنية. إن التشوه Distortion ، الذي تخضع له المعادن بواسطة التشكيل Working أو المعاملة الحرارية يحدث عادة في الترتيب الذري المنتظم Ordered Atomic Arrangement، و هذه العمليات يمكن أن تعيق الإنزلاق الذري Atomic Slip أو كما في عملية المراجعة Tempering التي تسهّل عملية الإنزلاق وبالتالي تصبح المادة أكثر لدونة Plasticity. و بخلاف المعادن، يتميز المطاط و البوليمرات اللدنة حرارياً بالسلاسل الجزيئية المتشابكة Entangled Molecular Chains.
وعليه، لاتمتلك، نفس الدرجة من الترتيب الذري الموجود في المعادن و لهذا لايمكن إعتبارها مواد بلورية Crystalline Materials. إن خواص المواد الهندسية ترتبط بشكل مباشر مع الترتيب الداخلي للذرات أو الجزيئات و كيفية تفاعل هذه الترتيبات مع بعضها. إن إدراك التشابه و الإختلاف مابين المواد يعتبر من الأمور المهمة جداً بالنسبة لمهندس التصميم. و هذه المعرفة، تمكّنه من إختيار المواد الأكثر ملائمة.
يمكن تصنيف المواد الى عدة أصناف، إعتماداً على ترتيبها الذري أو الجزيئي إلا أن التصنيف العام للمواد الهندسية يتضمن: مواد معدنية Metallic Materials، و مواد لامعدنية Non-Metallic Materials.
المعادن Metals
عندما تحوي هذه المواد على ذرات الحديد Iron Atoms أو الفرايت Ferrite فإنها تصنف بشكل مواد حديدية Ferrous Materials، وبخلاف ذلك، تصنف بشكل مواد لاحديدية Non-Ferrous Materials. وفي هذه المواد تترتب الذرات بشكل نماذج منتظمة تسمى وحدات الخلية Unit cells. والنماذج الشائع تتضمن:
• المكعب المتمركز الوجه (F.C.C) Face Centred Cubic.
• المكعب المتمركز الجسم Body Centred Cubic (B.C.C) .
• السداسي المكتظ المغلق Hexagonal Close Packed (H.C.P).
تتميز المواد المعدنية، بالبريق و اللمعان السطحي العالي Surface Lustre، التوصيل الحراري، التوصيل الكهربائي الجيد.
أضف الى ذلك، أن هذه المواد يمكن أن تكون قابلة للطرق Malleable، مطيلية Ductile، قوية Strong، متينة Tough، و صلدة Hard. إن هذه الخواص تحدّد بواسطة كمية الإنزلاق الذري الذي يحدث داخل ترتيب وحدة الخلية. كما أن المعادن يمكن أن تكون مواد مغناطيسية Magnetic Materials، أو لامغناطيسية Non-Magnetic Materials، ولها مستويات مختلفة من مقاومة التآكل. أن المعادن تستجيب عادة بسهولة للحام Welding، اللحام بالنحاس الأصفر أو القصدير Brazing، لحام الكاوية Soldering، و يمكن تشكيلها بواسطة الطرق أو الحدادة Forging، السباكة Casting، والتشغيل Machining.
البوليمرات اللدنة حرارياً Thermoplastic Polymers
في هذه المواد تترتب الذرات بحيث تكوّن سلاسل جزيئية بشكل نماذج خطية Linear أو متفرعة Branched (الشكل3.1). إن هذه اللدائن Plastics أو البوليمرات Polymers تتميز بقابليتها على التطرية أو التليين Softening و إعادة التشكيل Reforming بشكل متكرر بإستخدام الحرارة و الضغط المسيطر عليهما. إنها مواد غير مغناطيسية، وبإستثناء أنواع معينة من الحوامض، تتميز بمقاومتها الجيدة للتآكل. ويمكن تشكيلها بواسطة القولبة Moulding، التشكيل بواسطة النفخ في الفراغ Blow-Vacuum Forming. و يمكن تشغيلها بسهولة. كما يمكن لحام أو ربط هذه البوليمرات باستخدام طرق تصنيع معينة. والأمثلة النموذجية على البوليمرات اللدنة حرارياً تتضمن:
• النايلون Nylon.
• البولي أثيلين Polyethylene.
• البولي فينل كلورايد Polyvinyl Chloride (PVC).
البوليمرات الصلدة حرارياً Thermosetting Polymers
تسمى هذه البوليمرات أيضاً، لدائن الأصلاد الحراري Thermoplastic Plastics، حيث يحدث التغير الكيميائي عندما تخضع هذه البوليمرات الى الحرارة والضغط، التي تؤدي الى نشوء الربط المستعرض Cross-Link مابين السلاسل الجزيئية ( الشكل4.1). إن وجود هذا النوع من الربط يمنع السلاسل الجزيئية من الإنزلاق مع بعضها البعض، و نتيجةً لذلك، لايمكن إعادة تشكيل المادة.
و نظراً لوجود الربط المستعرض، فإن هذه البوليمرات لاتستجيب الى الإضافات مثل المواد الملدّنة Plasticisers، و بالتالي تكون المادة جسوءة Rigid، و غير مرنة Inflexible. و الأمثلة النموذجية على اللدائن الصلدة حرارياً تتضمن:
• الفينول فورمال ديهايد Phenolformal –dehyde.
• البولي يورثين Polyurethane.
الإيلاستوميرات Elastomers
مواد بوليمرية تتميز بقابليتها على الإستطالة Extension، بكميات كبيرة من دون حدوث الكسر. إن المطاط الطبيعي Natural Rubber يعتبر من الأمثلة الشائعة على هذا النوع من البوليمرات حيث يمكن أن يخضع الى الإستطالة بمقدار كبير جداً و بالإسلوب المرن Elastic Manner. إن المواد التي تستجيب الى هذا النوع من السلوك المرن تسمى الإيلاستوميرات Elastomers.
المواد السيراميكية Ceramic Materials
حيث تعتبر مواد بلورية Crystalline Materials، أي أن ذراتها تترتب بإسلوب منتظم. و هي مواد تتميز بهشاشية عالية جداً، و تنكسر من دون الخضوع Yielding بواسطة الإسلوب اللدن Plastic Manner. إن تطبيقات المواد السيراميكية تمتد من ادوات الخزف الصينية (الكاؤلين) China Clay (Kaolin) مثل:
• الخزفيات المنزلية Domestic Crockery.
• العوازل الكهربائية Electrical Insulators.
• عوازل شمعة الإشعال بالشرر Sparking Plug Insulation.
الى إنتاج قوالب السحب Drawing Dies، لقم عدة القطع Cutting Tool Tips...الخ.
إن هذه المواد تتميز بقيم صلادة أعلى من الفولاذ الكاربوني المصلّد Hardened Carbon Steel، و إستجابة للإجهادات الضغطية Compression Stresses
أفضل مقارنة مع الإجهادات الشدية Tensile Stresses. إن الأجزاء السيراميكية يتم تشكيلها عادة بواسطة القولبة Moulding أو الضغط Pressing، من المزيج الطيني Clay-Mix المعين، و من ثم تخضع الى الحرق Fire، أو التلبيد Sintering للحصول على الصلادة المطلوبة.
الخشب Wood
يعتبر الخشب من المواد المهمة جداً في الصناعة الإنشائية Construction Industry. و تقسم هذه المواد عادة الى مجموعتين رئيسيتين:
• الخشب الرخو (اللين) Soft Wood.
• الخشب الصلد Hard Wood.
و يمكن الحصول على الأخشاب اللينة من أشجار الصنوبر Pine، التنّوب Spruce، و الأشجار الأخرى ذات المحمل المخروطي Cone-Bearing. أما الأخشاب الصلدة، فيمكن الحصول عليها من الأشجار النفضية Deciduous Trees، اي الأشجار التي تفقد أوراقها كل سنة. و الأخشاب الصلدة الشائعة الإستخدام تتضمن: خشب المرّان Ash، خشب الدردار Elm، خشب السنديان Oak. و يجب تجفيف الأخشاب المقطوعة قبل الإستخدام و ذلك لخفض محتوياتها من الرطوبة. و تصل نسبة التطبيقات المنزلية الى حوالي 14%، بينما التطبيقات الغير منزلية تصل الى حوالي 22%.
إن هذه المواد يمكن ان تخضع الى الهجوم بواسطة الفطريات Fungi، أو الحشرات Insects، وعليه تتطلب هذه المواد معاملات خاصة لحمايتها من هذا الهجوم. إن بعض المعاملات يمكن ان تزود هذه المواد بقابلية على مقاومة الإحتراق Fire Resistance. إن تركيب هذه المواد مكون من ألياف Fibres أو خلايا Cells بأطوال طويلة، حيث تستجيب الى مقاومة الشد التي تصل الى 6.2 MPa، عندما تكون موازية لأليافها في حالة الأخشاب الصلدة، والى 2.4 MPa في حالة الأخشاب اللينة. إن الأجزاء الخشبية يمكن ربطها مع بعضها بواسطة الغراء Glue، أو المواد اللاصقة Adhesives، كما يمكن تثبيتها بواسطة المسامير Nails، اللوالب Screw، البراغي Bolts.