علم و مواد

علم و مواد

اسلاید 1: جزوه درس علم و مواد طراحان : سید رضا آثاری گنبدانی & علی صادقی نویدبازبین : مهندس علی جهانیموسسه آموزش عالی حکمت قم

اسلاید 2: فصل اول «تقسیم بندی مواد جامد »تقسیم بندی مواد به طور کلی مواد جامد مهندسی برای طراحی و ساخت و تولید را می توان به سه گروه اصلی که شامل مواد فلزی ، مواد غیر فلزی یا سرامیکی ، مواد پلیمری یا مصنوعی ودو گروه دیگر که از سه گروه فوق منشعب می شود به نام مواد مختلط یا کامپوزیت یا مواد نیمه هادی تقسیم می شوند . دسته اول1. مواد فلزی الف ) فلزات آهنی و آلیاژهای آن : 1. فولادها 2. چدن هاتوجه : اگر درصد کربن کمتر از 2.11 باشد فولاد و اگر درصد کربن بیشتر از 2.11 باشد چدن را تشکیل می دهد .

اسلاید 3: %c فولادهــــــــا 2.11 > %c چدن هــــــــا 2.11 < ب) فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آن مانند : آلومینیوم ، مس ، روی و ...توجه : فلزات آهنی و آلیاژهای آن درصد بسیار زیادی از آهن دارند البته آلیاژهای غیر آهنی مقدار نسبتا جزئی آهن نیز می توانند داشته باشند .توجه : تفاوت فولادها و چدن ها در درصد کربن آنهاست ، هرچه مقدار کربن بالاتر رود سختی فلز افزایش یابد و اگر درصد کربن در هر دو گروه فولادها و چدن ها از میزان 6.67 صدم بالاتر و یا پایین تر رود درصد شکنندگی آن بیشتر می شود .

اسلاید 4: نمودار رابطه بین درصد کربن و سختی مواد

اسلاید 5: « خواص فولادها و چدن ها »

اسلاید 6:

اسلاید 7:

اسلاید 8: « ویژگی های چدن های خاکستری و سفید »چدن های سفید « کاربید آهن »چدن های سفید « کاربید آهن »قابلیت ماشین کاری ندارند1بسیار ترد هستند 2از نظر مکانیکی فرم پذیر نیستند و کاربرد آنها محدود هستند 3

اسلاید 9: «تقسیم بندی چدن های خاکستری بر اساس شکل گرافیت آن ها و ویژگی های آن ها»الف) گرافیت لایه ایی : 1. قابلیت ماشین کاری خوبی دارند.2. مقاومت در برابر سایش بالاست.3. ضریب انبساط حرارتی پایینی دارند.4. قابلیت ریخته گری خوبی دارند.5. در بوش سیلندر به کار برده می شود .ب) گرافیت کروی :1. تنها چدنی است که در برابر ضربه بسیار مقاومت دارد.2. در میل لنگ ماشین به کار برده می شود.

اسلاید 10: ج) گرافیت برفکی : از لحاظ مقاومت در برابر ضربه شبیه چدن ها با گرافیت کروی هستند.د) گرافیت فشرده : از سری چدن هایی است که به صورت نا خواسته تولید می شوند و خواص مکانیکی را کاهش می دهد.نکته : تفاوت گرافیت ها در ریخته گری آنها می باشد.نکته : نوع چدن های خاکستری بستگی به روش تولید و ریخته گری آنها دارد ، اگر آهن را بدون هیچ تمهیدی با کربن وارد قالب کنیم ترکیب شده و تولید چدن سفید می کند اما با اضافه کردن برخی عناصر نظیر سیلیسیوم می توان از ترکیب شدن جلوگیری نمود و با اضافه کردن این ماده گرافیت ایجاد شده و چدن خاکستری به وجود می آید .آلیاژ : آمیخته از دو یا چند عنصر که عنصر پایه یک عنصر فلزی می باشد .

اسلاید 11:

اسلاید 12: دسته دوم2. مواد غیر فلزی معدنی « سرامیکی » : عمدتا شامل سرامیک ها می باشد . مواد سرامیکی شامل ترکیباتی از عناصر فلزی با اکسیژن به نام سرامیک های اکسیدی همچون دی اکسید منگنز و اکسید آهن و گروه دیگر از ترکیبات یک عنصر فلزی با ترکیب های سختی نظیر کاربیدها ، نیترات ها ، سیلیسیت ها به وجود می آیند که این نوع سرامیک ها سرامیک های غیر اکسیدی می نامند .خصوصیات سرامیکی خصوصیات سرامیکی ترد و شکننده اند .1نقطه ی ذوب بسیار بالایی دارند.2نسبت به شوک حرارتی حساس اند «قابلیت هدایت حرارتی پایینی دارند – عایق حرارتند »3عمدتا عایق جریان الکتریکی اند.4مقاومت خوردگی خوبی دارند .5مواد سرامیکی می تواند ساختار کریستالی ، غیر کریستالی و یا مخروطی از هر دو نوع را داشته باشند.6معمولا در طبیعت یافت می شوند و نیازی به ساختار آنها نیست .7

اسلاید 13: دسته سوم3.مواد پلیمری « مصنوعی یا پلاستیکی » : عموما از ترکیب کربن یا عناصری نظیر هیدروژن ، اکسیژن ، کلر ، نیتروژن ، فلوئور به وجود می آیند.

اسلاید 14:

اسلاید 15: دسته چهارم 4. مواد مختلط « کامپوزیتها » : موادی هستند که از مخروط کردن دو یا چند ماده مختلف با خصوصیات متفاوت به منظور دستیابی به خصوصیات ویژه به وجود می آید.مانند : لاستیک اتومبیل ، بتن آرمه ، پوشش گالوانیزه و ایاف شیشه ایی که مقاومت به کشش خوبی دارند.* اجزای مواد مختلط از نظر شکل و ترکیب شیمیایی متفاوت بوده و در یک دیگر حل نمی شوند و از نظر اندازه و ابعاد در حد میکروسکوپی و ماکروسکوپی وجود دارند .دسته پنجم 5. مواد نیمه هادی : نیمه هادی ها از نظر جمله مواد معدنی بوده و نظر خاص بین مواد فلزی و سرامیکی قرار دارند در صنایع الکترونیکی کاربرد وسیعی دارند ، هدایت الکتریکی آنها قابل کنترل بوده به طوری که در ساخت ترانزیستورها و یک سو کننده ها به کار برده می شود .

اسلاید 16:

اسلاید 17: فصل دوم « ساختار اتمی و پیوندهای بین اتمی »

اسلاید 18: * ساختار اتمی : اتم از سه نوع ذره بنیادی تشکیل شده است که شامل پروتون و نوترون در هسته اتم و الکترون ها که در حال حرکت به دور هسته می باشد .پروتون و الکترون هر دو از نظر الکتریکی باردار هستند و نوترون ها ذره ایی خنثی می باشد ، بار پروتون مثل بار الکترون منفی است .e = -1.6 × 10 c--19P = +1.6 × 10 c--19بار الکترون هابار پروتون هااتم ها در حالت عادی خنثی می باشند .

اسلاید 19: » : تعداد پروتون ها ( الکترون ها ) اتم را عدد اتمی می گویند .Z عدد اتمی « » : مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم را عدد Aعدد جرم « جرمی می گویند . » : یک مول از هر ماده 6.02 ضربدر 10 به توان 23NAعدد آووگادرو « اتم عدد آووگادرو نام دارد.Z = p = e+-A = P یا Z + N

اسلاید 20: مدل اتمی : دانشمند معروف دانمارکی به نام بوهر در سال 1913 به منظور توجیح خواص اتم مدل ساده ایی برای ساختار اتم ها ارائه نمود که بر اساس آن مدارهایی در اطراف هسته اتم به صورت دایره ایی وجود دارد که الکترون ها در اطراف مطابـــــــــــــــقK,L,M,N,O,..می چرخد این فاصله ها معین بوده و با حروف شکل زیر می باشد.

اسلاید 21: «ساختار الکترونی»» والانسی گفته می شود S,P» : به تعداد الکترون های لایه آخر « لایه های n*تعریف والانسی «که نقش تعیین کننده ایی در خواص شیمیایی ماده دارند زیرا الکترون های لایه آخر در واکنش های شیمیایی و پیوند بر قرار کردن با دیگر اتم ها شکل می کنند. بر اساس تعداد الکترون های لایه های می توان عناصر را به 4 دسته تقسیم نمود . S,P4 دسته عناصر والانسی4 دسته عناصر والانسی4 دسته عناصر والانسی باشد به آن فلـــــــــــــــز گویند.n= 1,2,3اگر دسته اول1 باشد به آن شبه فلز گویند.n=4 اگر دسته دوم2 باشد به آن غیر فلز گویند.n= 5,6,7اگر دسته سوم3 باشد به آن گاز گویند.n=8 اگر دسته چهارم4

اسلاید 22: مثــــــــال از تقسیم بندی عناصر والانسی :توجه : به آخرین لایه الکترونی لایه ظرفیت نیز می گویند .» حداکثر 8 الکترون در n=«2 » حداکثر 2 الکترون در لایه n=1«K* در لایه » حداکثر 18 الکترون و....n=3لایه «

اسلاید 23: مانند : نکته : معمولا اتم ها در حین واکنش شیمیایی و برقراری پیوند اتمی تلاش می کنند که به آرایش گاز به پایدار برسانند . الکترونگاتیویته : معیاری برای تمایل به جذب الکترون را می گویند. فلزات تمایل زیادی به از دست دادن الکترون دارند و لذا الکتروپوزتیو هستند. نافلزها تمایل زیادی به جذب الکترون دارند لذا الکترونگاتیوته هستند.

اسلاید 24: *جدول تناوبی : بر اساس آرایش الکترونی کلیه عناصر در یک جدول تناوبی آرایش یافته اند در حقیقت جدول تناوبی راهنمای مناسبی برای اطلاع از خواص شیمیایی عناصر مختلف می باشد از آنجایی که عناصر موجود در هر گروه تعداد الکترونی بالانسی برابر دارند بنابراین قابل انتظار است که دارای خواص شیمیایی یا فیزیکی یکسان باشند .جدول تناوبی عناصر از 8 ستون اصلی و 8 ستون وابسته تشکیل شده است که در هر ستون خواص عناصر شبیه یک دیگر می باشند این ستون ها به گروه معروف هستند این جدول دارای 7 ردیـــــــــــــــــف افقی می بــــــــــــــــــــــــاشد .

اسلاید 25: جدول تناوبی عناصر

اسلاید 26: نشان می دهند در سمت چپ A*توضیحات جدول : گروه یک اصلی که با حرف جدول با تعداد الکترون لایه آخر (ظرفیت ) یک می باشند این گروه فلزات هستند به شدت ناپایدار با حجم زیاد .مانند : لیتیوم و سدیم در لایهA2*در هر گروه از بالا به پایین عدد جرمی عناصر افزایش می یابد. گروه آخر دو الکترون دارند و شبیه گروه یک هستند از نظر خواص عناصر وابسته همگی که مهمترین آنها آلومینیوم است که این گروه به شدت A3فلز می باشد. گروه ناپایدار بوده پرا که لایه آخر 3 الکترون داشته و تمایل به دادن الکترون دارد . از این جهت به شدت اکسید می گردد و یک لایه اکسیدی قوی و غیر قابل نفوذ به وجود جزء شبه فلزات A4آورده و لذا از ادامه اکسیداسیون جلوگیری می نماید . گروه بوده مانند (سیلیسیوم ، کربن ) که در لایه ظرفیت 4 الکترون دارند هرچه به سمت راست جدول نزدیک می شویم عناصر غیرفلزی تر شده تا نهایتا به گروه 7 هالوژنها می رسیم که به شدت نافلز هستند به عبارتی تمایل شدیدی به گرفتن الکترون دارد زیرا با گرفتن یک الکترون لایه آخر 7 الکترون خود را تکمیل به یک گاز بی اثر ( لایه آخر 8 الکترونی ) می رسد .

اسلاید 27: *با عبور از سمت چپ جدول به سمت راست حجم اتم ها کاسته شده ولی عدد جرمی آنها افزایش می یابد به عبارتی سمت چپ فلزات تمایل به دادن الکترون دارد زیرا الکترونها از هسته به دور بوده و هسته اتم نمی تواند از آنها محافظت کند ولی در سمت راست جدول غیرفلزات هستند که به علت کوچک بودن حجم اتم و بار مثبت هسته ی اتم تمایل به جذب الکترون دارند .

اسلاید 28: « پیوندهای بین اتمی »کلیه مواد از قرار گرفتن اتم ها در کنار هم تشکیل می شوند برای فهم برخی خواص مواد نیاز به مطالعه نحوه پیوند بین اتمها داریم در این قسمت به بررسی نیروهایی که موجب نگه داشته شدن اتم ها در کنار هم می شوند (پیوندهای بین اتمی ) پرداخته می گردد در واقع مروری به ماهیت فنر مجازی که دو اتم را به هم متصل می کنند صورت می پذیرند. پیوند فنر مانند بین دو اتم

اسلاید 29: نکته : پیوندهای بین اتمی موجود در برخی موارد ممکن است خالص نبوده و ترکیبی از پیوندهای فوق باشند .

اسلاید 30: « پیوندهای اولیه »1.پیوند فلزی : این نوع پیوند در فلزات و آلیاژهای آن یافت می شوند مهمترین مشخصه ساختار الکترون فلزات دارا بودن الکترون آزاد است که این الکترونها تعلق خاصی به هسته ندارند . مدلی که برای تشریح پیوند فلزی ارائه شده است بر اساس مدل دریای الکترون آزاد می باشد در این مدل الکترونهای آزاد به صورت دریایی از الکترون آزاد که تعلق خاصی به یک اتم ندارند در نظر گرفته می شود و الکترونهای غیر والانسی باقی مانده و هسته اتم تشکیل هسته یونی را می دهد ، هسته های یونی دارای بار خالص مثبت می باشند و در این دریای الکترون شناور اند .شکل زیر شماتیک پیوند فلزی را نمایش می دهد .+ هسته های یونی - الکترونهای آزاد ( دریای الکترون )

اسلاید 31: عامل اتصال اتم ها در پیوند فلزی جاذبه بین الکترونهای آزاد و هسته یونی با بار مثبت می باشد ، ماهیت پیوند فلزی غیر جهت دار بودن آن است به کمک این مدل می توان برخی خواص فلزات را توضیح داد .الــــــف ) فلزات رسانای خوب الکتریسیته هستند ، ماده ایی رسانای خوب الکتریسیته است که بتواند با کمترین پتانسیل اعمالی حامل های بار الکتریکی را از خود عبور دهد مواد فلزی به علت دارا بودن الکترونهای آزاد به نیروی محرکه کمی برای انتقال جریان الکتریسیته نیاز دارد. هرگاه یک سر میله فلزی گرم شود الکترونهای آزاد با انرژی جنبشی جذب کرده حرکت نموده و گرما را انتقال میدهد. ب) فلزات دارای شکل پذیری خوبی نیز هستند این موضوع با توجه به مکانیزم های تعقییر فرم و غیر جهت دار بودن ماهیت پیوند فلزی قابل توضیح نیز می باشد .هرگاه به فلزی ضربه ایی وارد شود با جا به جا شدن یونهای مثبت و منفی شکل پذیری دارند بدون آنکه پیوند بین یونهای فلزی از بین روند.فلزات در مقابل انواع نیروهای کشش،فشاری ، ضربه ایی و پیچشی مقداری نیرو را تحمل می کنند.

اسلاید 32: 2.پیوند یونی : این نوع پیوند در ترکیباتی یافت می شود که متشکل از یک عنصر الکترونگاتیو و یک عنصر الکتروپوزتیو می باشد. پیوند اتمی حاکم در بسیاری از سرامیک ها از نوع یونی می باشد پیوند یونی بر اساس انتقال و داد و سدد الکترون استوار است در این پیوند عنصر فلزی با دادن الکترونهای لایه ظرفیت خود به عنصر نافلز موجب می شود تا هر دو عنصر به آرایش گاز ناپیدار برسد و فلز به یون مثبت (کاتیون) و نافلز به یون منفی (آنیون) تبدیل می شود . یک مثال بارز در این مورد نمک طعام می باشد که شماتیک پیوند یونی در آن مطابق شــــــــــــکل زیر اســــــــــــــــت .

اسلاید 33: *عامل پیوند یونی جاذبه الکترواستاتیکی بین یون های مثبت و یون های منفی می باشد، ماهیت پیوند یونی غیر جهت دار بودن آن است . یعنی مقدار پیوند در تمام جهات اطراف یک اتم یکسان است برخی خواص مواد با پیوند یونی عبارت اند از :الف)مواد با پیوند یونی رسانای الکتریکی خوبی ندارند در این مواد عامل رسانای حرکت یون ها است (الکترون آزاد وجود ندارد) از آنجایی که اندازه بزرگتر یونها و نیروی دافعه بین بارهای هم نام مانع حرکت آزادانه یونها می شود این مواد رسانای خوبی ندارند. شماتیک پیوند یونی

اسلاید 34: ب)مواد با پیوند یونی شکل پذیری خوبی نیز ندارند این موضوع با توجه به مکانیزم تغییر فرم و قرارگرفتن بارهای هم نام در کنار یکدیگر و نیروی دافعه ی بین آنها در حین تغییر فرم بیان می باشند.3.پیوند کوالانــــسی : پیوند کوالانسی به شکل خالص در عناصری مانند الماس ، سیلیکن و ژرمانیوم یافت می شود. پیوند کوالانسی پیوند اتمی حاکم در سرامیک های سیلیکاتی و شیشه ها می باشد،پیوند اتمی برخی فلزات با نقطه ی ذوب بالا مانند تنگستن و مولیبدن علاوه بر پیوند فلزی ماهیت کوالانسی نیز دارد . همچنین این پیوند در پلیمرها نیز وجود دارند. اساس پیوند کوالانسی بر مبنای شراکت الکترونها می باشد به عبارت دیگر هرگاه دو اتم نافلز به یکدیگر نزدیک شوند و الکترون های لایه آخر (لایه ظرفیت) را به اشتراک بگذارند پیوند کوالانسی تشکیل می شود.شکل زیر به طـــور شماتـــــــــــــــیک نحوه ی پیوند کوالانسی را در مــــــــــــتان نشان می دهــــــــد.

اسلاید 35: * یکی از مهمترین مشخصه های پیوند کوالانسی جهت دار بودن آن می باشد به علت نامتقارن بودن شکل اوربیتال قدرت پیوند بین اتمی در تمام جهات یکسان نمیباشد- برخی ویژگی های مواد با پیوند کوالانسی عبارت است از :الف) مواد دارای این نوع پیوند عایق خوب الکتریکی هستند این مواد به علت نبودن الکترون آزاد و ذرات یونی رسانای الکتریسیته نیستند.ب)مواد کوالانسی به علت ماهیت جهت دار بودن پیوندشان شکل پذیری ضعیفی دارند در واقع تغییر فرم این مواد مستلزم تغییر در زاویه پیوند آنهاست و تغییر در زاویه پیوندی یعنی شکست پیوند کوالانسی .

اسلاید 36: «پیونهای ثانویه ( واندر والسی )»پیوند های ثانویه (واندروالسی) پیوند های بین گازهای ایده آل مانند نئون و آرگون و یا مولکول های پایدار مانند متان و مواد آلی دیگر در حالت مایع و جامد می باشد این پیوند همچنین بین مولکول های قطبی مانند مولکول آب به وجود می آید به این صورت که مولکول قطبی با مولکول قطبی دیگر پیوند بر قرار می کنند در پیوند های ثانویه ارتباطی به الکترون های ظرفیت نداشته و لذا پیوندهای ضعیفی از این نوع الکترو استاتیکی می باشد . نیروی بین اتمی این پیوند های ضعیف در اثر ارتعاشات حرارتی از بین خواهند رفت این نوع پیوندها در درجه حرارت های پایین ظاهر می شوند به این جهت می توان گازهای بی اثر را در درجه حرارت های بسیـــــار پایینی به حالت مایع و یــــــــــا جامد در آورد.شکل زیر نمونه ی پیــــــــــــــــوند ثـــــــــــــــانویه یا واندروالسی را بین مولکـــــــــــــــــــــول آبنمایش می دهد.

اسلاید 37: _______________________________________________پیوند ترکیبی «هیبریدی»در بسیاری از مواد پیوندهای بین اتمی ترکیبی از پیوند های اولیه و ثانویه می باشد. پیوند اتمی موجود در ترکیبات بین فلزی ترکیبی از پیوند فلزی و پیوند یونی می باشد. هر چه اختلاف الکترونگاتیویته رو فلز بیشتر باشد سهم پیوند یونی نیز بیشتر است .

اسلاید 38: *پیوند اتمی موجود در سرامیک ها ترکیبی از پیوند یونی و کوالانسی می باشد که سهم پیوند کوالانسی را سرامیک ها میتوان به صورت رابطه زیر بیان نمود : ) کمترE ) اختلاف الکترونگاتیوته می باشد . هر چه ( دلتا E که در رابطه فوق ( دلتاباشد سهم پیوند کوالانسی بیشتر خواهد بود نوع پیوند در بسیاری از مواد مولکولی ترکیبی از پیوند کوالانسی و پیوند های ثانویه ( واندروالسی ، هیدروژنی ) می بـــــــــــــــــــاشد._______________________________________________________انرژی پیوندی اصول پیوند اتمی را می توان با در نظر گرفتن عکس العمل دو اتم ایزوله که از فاصله –ایی دور به هم نزدیک می شوند بررسی نمود در فواصل دور عکس العمل ها قابل صرف نظر کردن می باشــــــــــــــــــــــــد.

اسلاید 39: - با نزدیک شدن دو اتم به یک دیگر دو نوع نیروی بین اتمی ( جاذبه و دافعه ) بین آنها شکل می گیرد که مقدار آنها تابعی از فاصله ی بین اتمی است .منشا نیروی جاذبه بستگی به نوع پیوند اتمی دارد و به طور کلی ناشی از نیروی بین مراکز با بار مثبت و منفی است و منشا نیروی دافعه هم پوشانی الکترون های لایه ی آخر می باشد که با هر چه بیشتر نزدیک شدن دو اتم مقدار آن افزایش می یابد ، نیروی خالص بین دو اتم مجموع این دو نیرو می باشد :FN = FA + FRFN = FA + FRنیروی خالصFNنیروی جاذبه FAنیروی دافعهFR

اسلاید 40: « نمودار نیروهای دافعه و جاذبه و نیروی کل بین یون های یک کریستال برحسب فاصله بین یون ها »

اسلاید 41: « نمودار انرژی پتانسیل دافعه و جاذبه و انرژی کل یک کریستال بر حسب فاصله بین یون ها »

اسلاید 42: در حال تعادل قرار دارند .r=r0*هنگامی که نیروی خالص صفر است اتم ها در فاصله انرژی پتانسیل بین دو اتم به وسیله رابطه زیر به نیروی بین اتمی مرتبط می شود : می باشد .E0 انرژی پیوند r0انرژی متناظر با فاصله تعادلی انتگرال فاصله حداقل انرژی مورد نیاز برای جدا کردن و یا شکستن پیوند می باشد . E0 انرژی پیوندی همچنین انرژی پیوندی تابع نوع پیوند بین اتمی می باشد .جدول زیر انرژی پیوندی در انواع پیوندهای اتمی را نشان می دهد :

اسلاید 43:

اسلاید 44: نکته : برخی خواص مواد وابسته به انرژی پیوندی و شکل منحنی انژی_فاصله می باشد. هر چه انرژی پیوندی بیشتر باشند دمای ذوب بیشتر است در مقیاس اتمی مقدار ضریب الاستیک تابعی از مقاومت پیوند اتمی در برابر تغییر فاصله تعادلی اتم ها می باشد در حقیقت ضریب الاستیک متناسب است با شیب نمودار بین می باشد. r0اتمی _ فاصله در نقطه

اسلاید 45: « نمودار نیرو _ فاصله برای دو ماده با ضریب الاسیسیته بالا و پایین »

اسلاید 46: نکته : ضریب انبساط حرارتی آلفا وابسته به شکل منحنی انرژی _ فاصله می باشد. هرچه مقاومت پیوند اتمی در برابر تغییر فاصله ی بین اتمی در اثر تغییر دما بیشتر باشند ضریب انبساط حرارتی بیشتر خواهد بود. انبساط حرارتی ناشی از انحنای نامتقارن قسمت پایین نمودار انرژی_فاصله می باشد. در صورتی که منحنی متقارن باشد با افزایش دما فاصله ی تعادلی ثابت می ماند یعنی آلفا برابر صفر می شود . ولی هرچه منحنی نامتقارن تر باشد با افزایش دما فاصله ی تعادلی و در نتیجه آلفا افزایش می یابد . به طور کلی با افزایش انرژی پیوندی دمای ذوب و ضریب الاستیک افزایش و ضریب انبساط حرارتی کاهش می یابد.

اسلاید 47:

اسلاید 48: فصل سوم «ساختار کریستالی جامدات »

اسلاید 49: *در ساختار کریستالی اتم ها دارای نظم و ترتیب خاصی می باشد به این ترتیب که در هنگام انجماد با نظم و ترتیب خاصی قرار گیرند . فلزلت و بسیاری از سرامیک ها در حالت انجماد دارای ساختار کریستالی یا بلورین هستند در مواد بی شکل ( آمرف)قرار گرفتن اتم ها در هنگام انجماد تقریبا بدون نظم و ترتیب می باشد این نوع ساختار در موادی مانند شیشه ، بسیاری از پلاستیک ها و لاستیک ها وجود داشته و به نام ساختار شیشه ایی معروف هستند . _______________________________________________________ساختار کریستالی و شبکه های فضایی از آنجا که در مواد جامد کریستالی اتم ها هنگام انجماد تقریبا دارای نظم و ترتیب خاصی هستند به طوری که یک شبکه فضایی را به وجود می آورند که به صورت متناوب در تمام جهات تا سطح خارجی کریستالی تکرار می شود که کوچکترین واحد از این شبکه فضایی را سلول واحد یا شبکه واحد می نامند . این سلول واحد که چگونگی قرار گرفتن اتم ها یا یونها را نسبت به یکدیگر نشان می دهد می تواند از یک یا چندین اتم تشکیل شده باشد سپس با تکرار متناوب سلول های واحد در یک شبکه فضایی با مختصات معینی به صورت متراکم در کنار یک دیگر یک کریستال به وجود می آورد .

اسلاید 50: «شبکه فضایی»

اسلاید 51: « یک سلول واحد از شبکه فضایی »

اسلاید 52:

اسلاید 53: * در علم کریستال شناسی 14 نوع شبکه فضایی واحد با تقارن زیاد برای بلورها تشخیص داده شده است که می توان آنها را به 7 سیستم تقسیم بندی نمود که عبارت اند از :نـــــــــــــــــــــــــوعسیستم کریستالردیفمکعب ساده مکعب1b.c.cمکعب مرکزدارمکعب1f.c.cمکعب با وجوه مرکزدارمکعب1تتراگونال سادهتتراگونال2تتراگونال مرکزدارتتراگونال2مکعب مستطیل سادهاورتورومبیک3مکعب مستطیل مرکز داراورتورومبیک3مکعب مستطیل در دو وجه مرکزداراورتورومبیک3مکعب مستطیل با وجوه مرکزداراورتورومبیک3منوکلینیک سادهمنوکلینیک4منوکلینیک با قاعده مرکزدارمنوکلینیک4هگزاگونال سادههگزاگونال5رومبوهدرال سادهرومبوهدرال6تری کلینیکتری کلینیک7

اسلاید 54: نام و مشخصات 7 سیستم بلور و 14 نوع شبکه

اسلاید 55: « ساختار کریستالی مکعبی ساده »S – CS : SIMPLE C : CUBICبه فاصله مرکز تا مرکز اتم های روی ضلع مکعب در ساختارهای مکعبی پارامتر شبکه یا ثابت گفته می شود. a0شبکه اتم ها در گوشه های یک مکعب در این شبکه قرار دارند.شکل مکعبی ساده موقعیت اتم ها 0،0،0

اسلاید 56: مشخصه های مهم شبکه کریستالیNالف) تعداد اتم به ازای واحد شبکه سهم هر اتم گوشه ها در یک سلول واحد مکعبی (صورت 1 و مخرج8) می باشد.ب) عدد همسایگی ( کئوردیناسیون ) : تعداد نزدیک ترین اتم های همسایه با فاصله یکسان تا هر اتم در شبکه را عدد همسایگی می گویند. N = 8× SC18=1

اسلاید 57: عدد همسایگی

اسلاید 58: : برای پیدا کردن ارتباط پارامتر rو شعاع اتمی برای a0ج) ارتباط بین پارامتر شبکه شبکه و شعاع اتمی فرض می شود اتم ها در متراکم ترین جهت بر هم مماس اند در متراکم ترین جهت ، جهت ضلع مکعب می باشد. CSشبکه ی : درصدی از فضای شبکه کریستالی است که توسط A.P.Fد) ضریب تراکم اتمی اتم اشغال شده است و از تقسیم حجم اتم های سلول واحد بر حجم سلول واحد بدست می آید.

اسلاید 59: A.P.F = حجم اتم های سلول واحدحجم سلول واحدA.P.F = Nحجم اتم × تعداد اتم به ازای سلول واحد حجم سلول واحد100=

اسلاید 60: *ضریب تراکم اتمی برای شبکه مکعبی ساده به صورت زیر می باشد :*ساختار مکعبی مرکزدار :B.C.CB: BODY C: CENTER C: CUBICدراین سیستم 8 اتم در گوشه های مکعب قرار دارد و یک اتم در مرکز مکعب .

اسلاید 61: همچون آهن در دمای اتاق و فلزاتی همچون B.C.C*در برخی فلزات دارای ساختار کـــــــــرم ، منگنز ، تیتانیوم در دمای بالا می باشد .

اسلاید 62: B.C.Cمشخصه های مهم شبکه ج) ارتباط بین پارامتر شبکه و شعاع اتمی : در این شبکه فرض می شود اتم ها در جهت قطر اصلی بر هم مماس اند . N= 8×18+1=2الف( CN ) = 8b.c.c عدد همسایگی (ب

اسلاید 63: *از شکل و عبارات داخل آن نتیجه می گیریم که : ما از عبارتی که با رنگ سبز نوشته شده است جذر گرفتیم .

اسلاید 64: A.P.Fد ) فـــــــــــــــــــــاکتور گیری اتــــــــــــــــــــــمی تراکمش کمتر است . BCCاز شبکه CS توجه : در فاکتور گیری اتمی در شبکه

اسلاید 65: « ساختار کریستالی مکعبی وجوه مرکز دار »F.C.CF : FACEC : CENTER C : CUBICدر این سیستم 8 اتم در گوشه های مکعب قرار دارد که هر یک از آنها به 8 سلول واحد تعلق دارد و 6 اتم در مرکز وجوه که هر یک از آنها متعلق به دو سلول واحد می باشد . یعنی : 8×18=16×12=3

اسلاید 66: Nf .C.C = 8 ×18+6 ×214الفF.C.C* مشخصه های ساختار * سهم هر اتم واقع در مجوه مکعب در یک سلول واحد برابر با ( صورت 1 و مخرج 2 ) می باشد .

اسلاید 67: عبارت اند از آلومینیوم ، مس ، نیکل ، طلا ، نقره .f.c.cج) برخی فلزات دارای ساختار _______________________________________________________ »f.c.c« محاسبه ی ضریب تراکم در شبکه (C.N) = 12f.c.c(ب(4 r) = a + a22002

اسلاید 68: ضریب تراکم اتمی

اسلاید 69: نکات مهم در ساختارهای کریستالی فلزات مستقل از نوع اتمی می باشد .A.P.F1. ضریب تراکم نیز بیشتر است .N.C بیشتر باشد A.P.F دارد هرچه N.C2. فلزات تمایل به افزایش 3. کوچک ترین جزء ساختاری قابل کنترل خواص ساختار کریستالی می باشد.4. یکی از راه های کنترل ساختار کریستالی کنترل عناصر آلیاژی آنها می باشد.______________________________________________________________« محاسبه ی چگالی جامد کریستالی »می توان چگالی یا وزنه مخصوص حقیقی یک عنصر جامد کریستالی را با استفاده از رابطه ی ضریب تراکم اتمی به دست آورد و بلعکس . با داشتن چگالی و نوع ساختار کریستالی میتوان شعاع اتمی و واحد شبکه یا فواصل اتمی را محاسبه کرد به طور مثال چنانچه یک سلول اتم را در نظر بگیریم در این صورت وزنN و تعداد Vواحد از یک سیستم کریستالی با حجم

اسلاید 70: - این سلول واحد برابر است با وزن اتم های موجود در این سلول واحد . وزن اتم ها در هر سلول واحد را می توان از رابطه ی زیر بدست آورد .محاسبه فرمول چگالی جامد کریستالی

اسلاید 71: « صفحات کریستالوگرافی »برای مشخص کردن یک صفحه کریستالوگرافی یعنی صفحه ایی که از تعداد حداقل3 اتم یک شبکه تشکیل شده است ابتدا محل تلاقی آن صفحه با محورهای مختصات تعیین شود. سپس عکس این اعداد را بدست آورده و کوچکترین مضرب مشترک مخرج اعداد را تعیین می کنیم و انتخاب می کنیم . این hklهمگی را در آن ضرب و صورت اعداد کسری را به فـــــــــــــرم فرم به نام اندیس میلر معروف است و سه حرف یا سه عددی که جای این حروف می نشینند به نام شاخص های میلر نامیده می شود . شکل زیر اندیس میلر صفحاتی از سیستم کریستالی مکعب را نشان می دهد .الف) مختصات 1،0،0

اسلاید 72: ب) مختصات 1،1،0 1،1،1مختصات (ج

اسلاید 73: « نکات مهم »1. اگر صفحه ایی محوری را قطع نکند مختصات آن محور صفر خواهند بود .2. چنانچه صفحه ایی که محور های مختصات را در نقاط منفی قطع کنند علامت منفی در بالای عدد منظور می شود .مانند : 3. هرگاه شاخص های میلر دو صفحه مضربی صحیحی از یک دیگر باشند آن دو صفحه با هم موازی هستند . (1،1،1) ---

اسلاید 74: « غیر فلزات »غیر فلزات را می توان به طور کلی در شش گروه دسته بندی نمود. غیر فلزاتغیر فلزاتساختمان کریستال یونی 1ساختمان کریستال کوالانسی2ساختمان کریستال مولکولی 3ساختمان کریستال مختلط 4مواد سرامیکی 5مواد مصنوعی 6

اسلاید 75: 1. ساختمان کریستال یونی : این شبکه معمولا پیچیده تر از شبکه فلزات است در این شبکه یونهای مثبت توسط یونهای منفی احاطه شده اند و جاذبه ی الکترونی قوی بین اتم ها به وجود می آید عدم تحرک یونها باعث می شود که هدایت الکتریکی در آنها وجود نداشته باشد . بارزترین نمونه از این مواد یونی ساختمان کریستالی نمک طعام است.2. ساختمان کریستالی کوالانسی : در این ساختمان هر شبکه توسط پیوند کوالانسی با اتم مجاورش در اتصال است این ترکیبات دارای نقطه ی ذوب بالا و سختی زیاد می باشند. مانند : الماس و انواع کاربیدها . مواد کوالانسی از نظر هدایت الکتریکی جزء نیمه هادی ها هستند خصوصا در گروه های سوم تا پنجم جدول تناوبی نمونه ایی از شبکه کریستالی پیوند کوالانسی در شکل صفحه بعد مشاهده می شود .

اسلاید 76: 3.ساختمان کریستالی مولکولی : در این ساختمان مولکول ها توسط نیروهای بین مولکولی به هم اتصال دارند از مشخصات این کریستالها نرمی نقطه ی ذوب پایین و ضریب انبساط حرارتی بالای آنها می باشد. یک گروه بسیار مهم از کریستال های مولکولی را انواع پلیمرها تشکیل می دهند . 4.ساختمان کریستالی مختلط : برخی از مواد بیش از یک نوع پیوند دارند و یا ممکن است گروهی از اتم های متفاوت یا مولکول های متفاوت در کنار یک دیگر اتصال برقرار کرده باشند که این مواد را در ساختمان کریستالی مختلط بررسی می کنیم . 5.مواد سرامیکی : مواد سرامیکی دسته ایی از ساختمان کریستالی مختلط می باشند که در آنها پیوند یونی و کوالانسی دیده می شود . مانند : اکسید سیلیسیوم که به لحاظ اهمیت آنها را در گروه سرامیکها قرار داده اند . مواد سرامیکی ها را به طور کلی در 5 گروه تقسیم بندی می کنند :مثال بارز ساختمان کریستالی کوالانسی

اسلاید 77: 232343222322

اسلاید 78: 6. مواد مصنوعی : دسته ایی از ساختمانی کریستالی غیر مولکولی می باشند ولی به لحاظ تنوع در مواد آنها را در گروه مواد مصنوعی تقسیم بندی می کنند عناصر اصلی تشکیل دهنده ی مواد مصنوعی را کربن ، اکسیژن ، ازت و گوگرد تشکیل می دهند . برخی از مواد مصنوعی عبارت اند از : دسته بندی مواد مصنوعی دسته بندی مواد مصنوعی ترموپلاستیک ها 1پلی اتیلن ها 2پلی پروپیلن ها 3پلی استایرین ها 4پلی متیل ها5الاستومرها 6پلی آمین ها7مواد مصنوعی خاص8ترموستاتها 9

اسلاید 79: فصل چهارم « عیوب شبکه کریستالی »همان طور که در قبل گفته شد اگر اتم ها به صورت منظم در فلزات کریستالی شوند یک شبکه فلزی ایده آل به وجود می آیند اما چنین کریستالی در طبیعت به ندرت یافت می شود و عمدتا تمام کریستال ها دارای عیوب مختلفی می باشند که تاثیر به سزایی بر روی خواص فیزیکی و مکانیکی کریستال ها دارند عیوب شبکه ایی به 4 بخش اصلی تقسیم بندی می شوند . 1. عیوب نقطه ایی ( صفر بعدی ) 2. عیوب خطی ( یک بعدی ) 3. عیوب سطحی ( دو بعدی ) 4. عیوب فضایی ( سه بعدی )

اسلاید 80: الف ) عیب جای خالی : جاهای خالی در بین اتم های شبکه فلزات از مهمترین و ساده  - ترین عیوب شبکه ایی می باشند محل خالی را در شبکه کریستالی با علامت مشخص می کنند . تعداد این جاهای خالی برای فلزات مختلف با شبکه های متفاوت قابل محاسبه می باشند . از دلایل اصلی به وجود آمدن این جاهای خالی می توان به عوامل زیر اشاره کرد :1. سرد کردن فلزات با سرعت زیاد از دماهای بالا و بسیار بالا 2. ایجاد تغییر شکل در فلزات3. اشعه دادن با انرژی زیاد 1. عیوب نقطه ایی ( صفر بعدی )1. عیوب نقطه ایی ( صفر بعدی )عیب جای خالیالفعیب شوتکیب عیب بین نشینیجعیب جانشینیدعیب فرنکلیهـ

اسلاید 81: کریستال ها به طور عادی دارای جاهای خالی می باشند که تعداد آنها از رابطه ی زیر محاسبه می شوند:محل خالی در شبکه کریستالی

اسلاید 82: مشخصات فرمول عیوب جاهای خالیمشخصات فرمول عیوب جاهای خالیعدد آووگادروNaچگالیرووزن اتمیmتعداد جاهای خالی nتعداد کل اتم ها در یک متر مکعب Nانرژی لازم برای ایجاد یک جای خالی u ضریب ثابت بولتزمن 8.63×10Kدرجه حرارت بر حسب کلوین Tevk-5توجه : برای تبدیل سیلیسیوس به کلوین عدد مورد نظر را باید با عدد 273+ جمع کنـــــــــــیم .

اسلاید 83: ب) عیوب شوتکی : عیوب شوتکی از جمله عیوب نقطه ایی می باشد که در کریستالهایی با پیوند یونی به وجود می آید این عیب کاملا شبیه عیوب جاهای خالی است با این تفاوت که در عیوب جاهای خالی بار مثبت یا منفی وجود ندارد ولی در عیب شوتکی یک جای خالی داریم که دارای بار مثبت یا منفی است . ج) عیوب بین نشینی : در اثر نشستن یک اتم در فضای موجود بین اتم های شبکه به وجود می آید شرط اولیه این عیب وجود یک اتم با شعاع اتمی کوچک که بتواند در فضای خالی شبکه ایی قرار گیرد می باشد. بیشتر این عیب در شبکه هایی با ضریب تراکم پایین دیده می شود .

اسلاید 84: د) عیوب جای نشینی : در صورتی که جای خالی یک اتم در یک شبکه توسط یک اتم دیگری اشغال شود این عیب به وجود می آید که معمولا اتم جای نشین شده شعاع اتمی نزدیک به اتم های شبکه دارد این عیب را توسط آلیاژسازی در فلزات میتوانند به وجود آورند . آلیاژ کردن فلزات یکی از انواع عیوب است که ما آن را عیوب جای نشینی می نامیم . اتم جانشینی با اندازه بزرگتر از اندازه اتم های میزباناتم جانشینی با اندازه کوچکتر از اندازه اتم های میزبان

اسلاید 85: هـ)عیوب فرنکلی : وجود یک محل خالی یا یک عیب بین نشینی همراه با هم در یک شبکه کریستالی عیب فرنکلی نامیده می شود این عیب در شبکه های کریستالی متراکم نسبت به عیوب محل خالی و عیوب شوتکی کمتر دیده میشود زیرا برای انتقال اتم های جدید به درون محل های جدید انرژی زیادتری لازم می باشد .

اسلاید 86: « استفاده های صنعتی از عیوب نقطه ایی ( صفر بعدی ) »در حقیقت برای درک بیشتر مطالب مواردی را که تاکنون گفته شده عیوب می نامیم در حالی که هیچ یک از این پدیده ها به طور مطلق عیب نیستند اگر چه یک بی نظمی در چیدمان اتم های شبکه به وجود می آید اما همین عامل باعث ایجاد یک شرایط مطلوب برای دست یابی به یک سری خواص مطلوب می باشد . به طور مثال از مزایای جاهای خالی در شبکه فلزات میتوان به بهتر انجام شدن پدیده نفوذ جهت آبکاری و سخت کاری فلزات خصوصا فولادها و همچنین سخت کردن سطحی فولادها می باشد دیگر آنکه ایجاد عیوب نقطه ایی سبب بروز تغییراتی در رنگ کریستالی ها می گردد . استفاده های صنعتی دیگری که از وجود عیوب نقطه ایی در کریستال ها می شود می توان به تولید بلورهای نیمه عایق یا نیمه هادی از طریق بین نشینی عناصر ناخالص در شبکه ها اشاره کرد . در مورد ساخت آلیاژها با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب به طور گسترده ایی از عیوب جای نشینی ( آلیاژ سازی ) استفاده می گردد.

اسلاید 87:

اسلاید 88: الف) نابه جایی لبه ایی یا خطی : هرگاه در یک ساختمان کریستالی یک نیم صفحه اتمی اضافه یا کم شود عیب کریستالی به وجود آمده را نابه جایی لبه ایی یا خطی می نامند . یک نابه جایی خطی را با علامت نشان می دهند که در آن خط عمود در جهت نیم صفحه ی اضافی و خط افقی صفحه ی لغزش را نشان می دهد. نیم صفحه اضافی صفحه لغزش

اسلاید 89: ب) نا به جایی پیچی : هرگاه در ساختمان کریستالی یک ماده صفحات مجاور به اندازه یک ثابت شبکه نسبت به یک ماده صفحات پیدا کنند حالت به وجود آمده شبیه رزوه های یک پیچ می باشد و به همین دلیل نابه جایی ایجاد شده را نا به جایی پیچی می نامند . نا به جایی پیچی در اثر کارهای مکانیکی به وجود می آید. ج)نا به جایی مختلط : از به هم پیوستن نا به جایی لبه ای و پیچی به یک دیگر نا به جایی مختلط به وجود می آید.

اسلاید 90: « نقش نا به جایی ها در تغییر فرم پلاستیک »نا به جایی ها در ماده کمک می کنند که تغییر فرم پلاستیک در ماده آسان تر انجام شود در تغییر شکل پلاستیک سرد وجود نا به جایی های خطی باعث کاهش قابل ملاحظه ایی در تنش برش می شود . اعمال نیروی برش باعث می شود لغزش با وجود نا به جایی ها نیاز به جا به جا نمودن همزمان تمامی اتمها در صفحه لغزش نباشد بلکه حرکت از یک نقطه شروع شده و گام به گام جلوتر می رود و نهایتا به انتهای شبکه کریستالی می رسد با انجام این فرآیند در نهایت جا به جایی به اندازه ی یک فاصله ی اتمی در ساختمان کریستالی ماده خواهیم داشت .

اسلاید 91: الف ) عیوب لایه ایی : از قرار گرفتن نامنظم صفحات اتمی به وجود می آید به طور مثال در شبکه ی تشکیل شده اند ABABAB…هگزاگونال متراکم – لایه های اتمی به صورت منظم از صفحات h.c.p قرار گیرند یک عیب سطحی در شبکهABAABA…در صورتی که این لایه ها به طور غیر منظم مثلا به وجود می آید و در حقیقت شبکه فاقد یک صفحه اتمی است.ب) عیوب مرزدانه ها : یکی از مهمترین عیوب سطحی است به جزء موارد خاص تک کریستالها مرزدانه – ها می باشد . در هنگام انجماد مواد از حالت مذاب شبکه های کریستالی شروع به رشد نمایند از آنجا که این رشد از نقاط زیادی به اتفاق افتاده و در هر یک از این نقاط اتم ها در یک جهت خاص رشد می نمایند لذا در هنگام برخورد این نقاط با یک دیگر فصل مشترک به وجود آمده که به این فصل مشترک مرزدانه می گویند این نقاط دارای حداکثر بی نظمی و ناپایداری انرژی می باشد.3.عیوب سطحی ( دو بعدی ) : عیوب سطحی به دو صورت به وجود می آید : 3.عیوب سطحی ( دو بعدی ) : عیوب سطحی به دو صورت به وجود می آید : عیوب لایه ایالفعیوب مرز دانه ها ب

اسلاید 92: « عیوب فضایی »این عیوب دارای حجم می باشند و در سه بعد تشکیل می شوند . مانند حفره های انقباض یا حفره های گازی یا شکاف ها ( ترکها ) که در حین انجماد غیر منظم در فلزات به وجود می آید. منشا تمام عیوب فضایی در هنگام انجماد فلز از مذاب می باشد. مثلا وقتی گاز در مذاب حل شده باشد در هنگام جامد شدن این حباب های گازی به صورت یک فضای خالی در فلز جامد شده به وجود می آید که عموما این حفره ها در سطوح قطعات دیده نمی شوند بلکه داخلی بوده و باعث کاهش سطح مقطع فلز و در نتیجه کاهش خواص مکانیکی آن می گردد. *منشا پیدایش عیوب : عیوب جاهای خالی بر اثر حرارت دادن و بمباران نوترونی به وجود می آید. عیوب بین نشینی و جانشینی عموما بر اثر آلیاژ سازی به وجود می آید. عیوب خطی (انواع نا به جایی ها ) در اثر سرعت انجماد زیاد تغییر فرم های پلاستیک های زیاد وجود ناخالصی و یا عناصر محلول و تابش اشعه ی پر انرژی به مواد به وجود می آید .عیوب سطحی تحت شرایط انجماد فلزات مورد بررسی قرار می گیرد . عیوب فضـایی نیز در هنــــــــــــــگام انــــــــــــــــجمادفلز از مذاب به وجود می آید .

اسلاید 93: فصل پنجم « خواص مکانیکی مواد »عکس العمل مواد جامد در برابر انواع نیروها را خواص مکانیکی مواد می گویند.با استفاده از روش های آزمایشی استاندارد می توان اعدادی به دست آورد که بر اساس آن کاربرد صنعتی مواد را بررسی نمود از آنجایی که در تمامی موارد اجسام باید تحت نیروهای مختلف کارایی داشته باشند لذا نیروهای وارد بر یک جسم را بررسی نمود.1.نیروی کششی : برای آسان تر شدن بررسی نیروهای خارجی وارد بر یک جسم قرار Fتحت نیروی Aبهتر است که یک نمونه استوانه ایی را با سطح مقطع دهیم و حاصل تقسیم را تنش (سیکما) نام گذاری کنیم.FAواحد نیرو واحد سطح مقطع

اسلاید 94: *بنابراین تنش عبارت است از : در آن ایجاد Al*چنانچه استوانه مورد نظر تحت کشش قرار گیرد مقداری تغییر طول می شود. کرنش : نسبت تغییر طول به طول اولیه را کرنش نام گذاری می کنند.مقدار نیروی وارد بر یک سطح مقطع خاص

اسلاید 95: نکته : کرنش بی بعد است ولی بیشتر آن را بر حسب درصد بیان می کنند. *باید توجه داشت که وقتی مواد تحت کشش قرار می گیرند (مخصوصا فلزات) دو رفتار متفاوت از خود نشان می دهند . ابتدا تغییر شکل برگشت پذیر ( الاستیک ) سپس تغییر شکل برگشت ناپذیر ( پلاستیک ) .*هرگاه در محدوده ی الاستیک نسبت تنش به کرنش را بررسی کنیم برای هرفلزی عدد Eخاص به دست می آید که آن را ضریب الاستیک یا ضریب الاستیسیته و با حرفنمایش می دهند. کرنش بی بعد است

اسلاید 96: *هرچه مقدار ضریب الاستیک بزرگ تر باشد ماده در مقابل نیروی خارجی مقاوم تر بوده و به راحتی تغییر شکل نمی دهند. _______________________________________________________« عوامل موثر بر ضریب الاستیک »الف ) انرژی پیوند: هرچه قدر انرژی پیوند بین اتم های یک فلز بیشتر باشد نقطه ی ذوب آن فلز بیشتر بوده و در نتیجه ضریب الاستیک بیشتر است. لذا با مقایسه را بررسی نمود.Eنقطه ی ذوب فلزات می توان تا حدودی مقدار بیشتر است Eب) نوع شبکه : هرچه قدر عدد همسایگی در شبکه بیشتر باشد مقدار با عدد همسایگی8b.c.c بیشتر از شبکه Eبا عدد همسایگی 12 مقدارf.c.cمثلا در شبکه می باشد. را کاهش می دهد زیرا با افزایش دما فاصله ی اتم ها Eج ) دما : افزایش دما مقدار بیشتر شده و انرژی پیوند ها کمتر می شود. را افزایش می دهد خصوصا وقتی که فازهای پایداری Eد) عناصر آلیاژی عموما مقدار با نقطه ی ذوب بالا تشکیل شود . مانند : اکسیدها، کاربیدها و بریدها که دارای ضریب الاستیک بسیار بالا می باشند.

اسلاید 97:

اسلاید 98: « بررسی رفتار کششی فلزات »رفتار کششی فلزات با هم متفاوت هستند ولی به طور کلی می توان فلزات را در هنگام در دو منطقه تغییر شکل موقت «الاستیک » یا تغییر شکــــــــل دائمی « پلاستیک » بررسی کرد در آزمایش کششی نمونه ی استاندارد تحت نیروی کششی مقداری تغییر طول می دهد . در صورتی که با حذف نیرو این تغییر طول به حالت اولیه باز می گردد. این رفتار را رفتار الاستیکی نامیـــــده منطقه ی زیر را نمودار تنش کرنش را منطقه ی الاستیک می نامند . این منطقه در منحنی تنش کرنش شکل نشان داده شده به صورت هاشور خورده نمایش داده شده است.

اسلاید 99:

اسلاید 100: * هر گاه مقدار نیرو را افزایش دهیم و تغییر شکل دائمی در نمونه به وجود آید ( یعنی با حذف نیروی کششی طول نمونه به حالت اولیه خود باز نمی گردد) در این حالت وارد منطقه ی پلاستیک می شود در قطعات مهندسی این مقدار نیرو بسیار اهمیت دارد چرا که در صنعت قطعات مورد استفاده نبایستی تحت اثر نیروهایی قرار گیرند که تغییر شکل دائمی در آن ها ایجاد شود . لذا تنش را که به ازای آن تغییر شکل پلاستیکی آغاز می گردد نقطه ی تسلیم یا نشان می دهند و مقدار آن معمولا 0.2% تغییر طول می گردد. (g حد تسلیم (سیکما حد تسلیم برای قطعات مهندسی عمومی Epsilon : 0.2 حد تسلیم برای قطعات مهندسی خاص Epsilon : 0.1در هنگام آزمایش مقدار نیرو و تغییر طول در حالت الاستیک خطی بوده و یک تناسب خطی خط هوک نامیده OBبین افزایش نیرو و تغییر طول برقراراست که این قسمت منحنی انتهای نقطه ی الاستیک و نقطه ی شروع تغییر شکل پلاستیک را نشان Bمی شود و نقطه ی Cمی دهد . در این قسمت در این قسمت از منحنی که همراه با افزایش نیرو است به نقطه ی می رسیم که نیرو کاهش پیدا کرده در حالتی که تغییر طول نمونه افزایش دارد که در اصطلاح ) می گویند .Max و یا سیکما ultمهندسی به آن نقطه ی ( سیکما در این نقطه نمونه گلویی شده ( باریک شده ) یعنی سطح مقطع آن کاهش می یابد تا نهایتا در شکست نمونه اتفاق می افتد . Dنقطه ی

اسلاید 101: 2. نیروی فشار : آزمایش فشار معمولا بر روی مواد ترد مانند چدن ها یا فولاد های ابزار و مواد غیر فلزی مانند بتن یا مواد سرامیکی انجام می گردد. در این آزمایش نمونه ی استوانه ایی با ابعاد از دو طرف تحت تنش فشاری قرار می گیرد .از مقایسه ی آزمایش کشش و فشار نتایج زیر حاصل می شود : HD=1.5یا H: 1.5 D ضریب الاستیک مواد تحت اثر تنش کشش و فشار با هم برابرند. Aدر مواد نرم یا شکل پذیر نتاج به دست آمده از آزمایش کشش و فشار تقریبا برابراند مانند نقــــــاط) در روی منحنی تنش کرنش. ultو سیکما Yسیکما )Bدر مواد ترد یا سخت نتایج آزمایش کشش و فشار تفاوت قابل ملاحظه ایی با هم دارند. C

اسلاید 102: مطابق شکل تحت H : 1.5 dروش آزمایش : یک نمونه ی استوانه ایی به ابعاد نیروی فشاری قرار می دهیم نمونه در اثر تنش فشاری تغییر شکل داده و به شکل بشکه ایی در می آید . هرگاه تغییر شکل به مقدار ماکزیمم برسد ترک هایی در طول نمونه های نرم به وجود می آید.

اسلاید 103: نتایج به دست آمده از آزمایش فشار : 1. نوع پرداخت کاری سطح قاعده بالایی و پایینی نمونه و روغن کاری این دو سطوح به نتایج به دست آمده از آزمایش فشار تاثیر گذار است .2. حد تسلیم مواد نرم در آزمایش فشار برابر با همان تنش است که به ازای آن )yتغییر شکل پلاستیکی شروع می شود. (سیکما 3.مقدار استحکام فشاری برابر است با تنش که به ازای آن اولین نشانه از ترک یا شکست ظاهر می شود. 4.افزایش نسبی سطح مقطع شکست بزرگترین مقدار تغییر شکل پلاستیکی « بر آمدگی سطح جانبی » در زمان ظاهر شدن اولین ترک می باشد.

اسلاید 104: ( عوامل موثر بر آزمایش فشار )1. اصطکاک : قاعده بالایی و پایینی نمونه به دلیل داشتن اصطکاک با فک دستگاه به مقدار جزئی تغییر شکل داده و برعکس قسمت وسط نمونه بدون هیچ ممانعتی تغییر شکل داده در نتیجه نمونه به شکل بشکه ایی در می آید . 2.نسبت ارتفاع به قطر نمونه : این نسبت به طور عمده بر استحکام فشاری تاثیر خواهد گذاشت ، زیرا در نمونه های بلند خطر خمش ممکن است اتفاق بیافتد. 3.درجه پرداخت کاری سطوح قائده نمونه : پرداخت کاری سطوح نمونه بر استحکام فشاری به دست آمده تاثیر خواهد گذاشت. 4.شکل نمونه : نمونه های استوانه ایی شکل استحکام فشاری بالاتری را نسبت به نمونه های مکعبی با همان سطح قائده و ارتفاع خواهند گذاشت . ___________________________________________________

اسلاید 105: ) : سختی به عنوان مقاومت یک ماده در مقـــــــــــــابلHardness3.سختــی ( تغییر شکل پلاستیکی یا به عبارت دیگر مقاومت یک ماده در مقابل نفوذ یک ماده دیگر در آن ماده تعریف شده است . از آنجا که آزمایش وفت گیر و هزینه ور است لذا با استفاده از آزمایش سختی تا حدودی می توان به رفتارهای کششی فلزات پی برد . سختی سنجی روش های مختلفی دارد که جند روش آن در زیر آمده است :) : برینل یکی از ساده ترین و قدیمی ترین وش ها است کهBHNالف ) سختی برینل (هنوز مورد استفاده قرار می گیرد . Dدر این روش از یک ساچمه از جنس کاربید تنگستن یا فولاد پرکربن (چدن) با قطر به مدت ثابتی ( 10 ثانیه برای آلیاژهای آهنی و 30 تا 60 Fروی جسم و با نیروی ثانیه برای آلیازهای غیر آهنی ) توسط ماشین مربوطه فشار ایجاد می کند . پس از حذف نیرو و برداشتن ساچمه از روی قطعه ابتدا تغییر شکل الاستیکی بازگشت و کوچک در t عمقdکرده و به تغییر شکل پلاستیکی به صورت حفره ایی به قطر سطح قطعه ی مورد آزمایش به جا می ماند . قطر اثر ایجاد شده توسط میکرومتر اندازه گیری و سپس عدد سختی برینل از رابطه ی زیر به دست آورده می شود :

اسلاید 106: سختی برینلقطر ساچمه مورد استفادهنیروی اعمال شده

اسلاید 107: نکات مهم 1. بایستی توجه داشت که در آزمایش سختی سنجی به روش برینل ضخامت نمونه های باشد که با استفاده ازtمورد آزمایش بایستی حداقل 10 برابر عمق فرو رفتگی ساچمه رابطه ی زیر مقدار ضخامت نمونه با توجه به نیروی اعمال شده و قطر ساچمه ی دستگاه تعیین می گردد. 2. حد اکثر سختی برای فلزات آهنی 450 برینل می باشد. 3. برای فلزات نرم مقدار بار کمتری لازم است در غیر این صورت فلز یا آلیاژ مورد نظر تغییر شکل الاستیک می دهد و اندازه گیری قطر دایره اثر مشکل خواهد بود و مقدار سختی دارای خطا می باشد .

اسلاید 108: 4. دقت اندازه گیری این روش به اعداد 90 تا 450 برینل می باشد لذا اعداد بیشتر از 450 و کمتر از 90 قابل قبول نبوده و بایستی از روش های سختی سنجی دیگری استفاده کرد .5. برای اندازه گیری قطر دایره اثر روی نمونه از یک میکروسکوپ میکرومتر دار استفاده می شود .

اسلاید 109: رابطه ی زیرmax6. تجربه نشان می دهد که بین عدد سختی برینل و استحکام کششی به جنس آلیاژ مربوط می شود و بین عدد 3 تا 4kبرقرار است . که در رابطه ی زیر متغیر است . ___________________________________________________________« مزیت و معایب برینل »مزیت روش برینل ارزان بودن دستگاه و ساده بودن کار با آن می باشد . معایب : 1. اندازه گیری موادی با سختی بسیار بالا و یا سختی بسیار پایین امکان پذیر نیست . 2. قطعاتی با ضخامت کمتر از 2.5 میلی متر را با این روش نمی توان سختی سنجی نمود . 3.اندازه گیری قطر اثر همیشه به راحتی امکان پذیر نیست به طور مثال در فلزات با رنگ خاص نظیر مس و آلیاژهای آن مشخص کردن قطر اثر کاری مشکل و دارای خطا می باشد .

اسلاید 110: » : در اندازه گیری سختی به روش راکول عامل نفوذ کننده مخروط HRب) سختی راکول « الماسه با زاویه راس 120 درجه می باشد و ملاک عمل در این روش عمق نفوذ می باشد . * روش انجام آزمایش سختی راکول : در این روش ابتدا عامل نفوذ کننده با یک نیروی اولیه به طور عمودی در سطح جسم فرو برده می شود و در نتیجه فرو رفتگی بسیار ریزی در سطح جسم ایجاد می شود در این لحظه عقربه دستگاه را روی صفر قرار داده و سپس بار اصلی به آن اضافه می شود سختی پس از وارد آوردن بار اثر و نگه داشتن آن به مدت لازم برای انجام تغییر شکل پلاستیکی مستقیما از روی صفحه مدرج نصب شده بر روی دستگاه انواع راکول انواع راکول انواع راکول عامل نفوذ کننده یک ساچمه فولادی سخت شده می باشد . ( HRB )Bراکول 1عامل نفوذ کننده مخروط الماسه با زاویه راس 120 درجه است .( HRC ) Cراکول 2

اسلاید 111: - سختی سنجی خوانده می شود . به این ترتیب عدد سختی راکول معساری از فرو رفتگی پلاستیکی یا دائمی ایجاد شده در جسم در اثر نیروی اصلی می باشد . HR = C1 - C2 t HR = C1 - C2 tC1 = 100 C2 = 500Cبرای راکول C1 = 130C2 = 500Bبرای راکول

اسلاید 112: معایب روش راکول معایب روش راکول از روش راکول برای اندازه گیری سختی قطعاتی با ضخامت کمتر از 1.5 میلی متر نمی توان استفاده کرد . 1برای قطعاتی که سطح ناهمواری دارند و یا ساختار متالوگرافی آنها یکنواخت و همگن نیست نظیر چدن ها نمی توان از این روش استفاده کرد.2

اسلاید 113: ) : در این روش عامل نفوذ کننده یک هرم مربع القاعده از جنس VHNج ) سختی ویکرز (الماس می باشد که با زاویه راس 120 درجه در جسم با نیروی معینی به طور عمودی فرو برده می شود پس از برداشتن نیرو قطر اثر هرم را به کمک یک میکروسکوپ اندازه گیری کرده و پس از محاسبه ی سطح اثر مقدار نسبت نیرو را بر سطح اثر تعیین می کنند. به این ترتیب عدد به دست آمده ی سختی سطح قطعه ی مورد نظر را بر حسب عددی سختی ویکرز تعیین می کنند .

اسلاید 114: معایب روش ویکرزمعایب روش ویکرزگران بودن دستگاه نسبت به دیگر روش ها 1عدم سرعت عمل در اندازه گیری سختی 2مشکل بودن ساخت عامل نفوذ کننده 3رابطه ی تقریبی زیر ارتباط بین حد تسلیم و سختی ویکرز را نشان می دهد . نکته

اسلاید 115: 4. سختی شــــــــــــــــــــــر : در این روش با رها کردن یک فرو رونده الماسی از ارتفاع مشخص و اندازه گیری مقدار برگشت آن به سمت بالا سختی سنجی انجام میگیرد . هر چه ارتفاع برگشت بیشتر باشد ماده سخت تر و هر چه ارتفاع برگشت کمتر باشد ماده نرم تر است . در این روش بر اساس خاصیت فنریت و الاستیک ماده سختی آن سنجیده می شود . از مزایای این روش قابلیت حمل ونقل آسان دستگاه می باشد که می تواند به راحتی برای تعیین سختی قطعات بزرگ مانند غلطک های نورد یا چرخ دنده های بزرگ استفاده می شود .5. سختی ماوراء صوت « التراسونیک » : در این روش یک میله نوسان کننده با نوکی از جنس الماس بر سطح جسم مورد نظر نوسان می کند در نتیجه سختی ماده بر نوسان این میله تأثیر گذاشته و سختی ماده مشخص می شود .از مزایای این روش سهولت حمل و نقل دستگاه و سرعت عمل آن را می توان اشاره کرد . معــــــــــــــــــــایب : 1. گران بودن دستگاه . 2. در این روش چون عمق فرو رفتگی بسیار کم است لذا فقط سختی موضعی قطعات را می توان اندازه گیری کرد .3. در این روش بایستی سطح قطعه ی مورد آزمایش پرداخت شده و همگن باشد .

اسلاید 116: رفتار مواد در برابر ضربه آزمایش ضربه : در این آزمایش که منجر به شکست نمونه می شود به طور کلی دو نوع رفتار از فلزات مشاهده می شود : 1. شکست نرم 2. شکست تـرد که هر یک از این حالات خصوصیات منحصر به فرد خود را دارد. ( انواع شکست ) 1. شکست نرم : در فلزات نرمی مانند آلومینیوم ، مس ، فولادهای کم آلیاژ با ارتفاق می افتد .f.c.cساختار این شکست معمولاً در درجه حرارت های بالا و همراه با تغییر فرم پلاستیک قابل ملاحظه ایی در مواد ظاهر می شود در هنگام شکست نرم ماده در حین تغییر فرم وارد محدوده گلویی شدن می شود و نهایتا می شکند . بعد از شکست سطح مقطع شکست کاملاً غیر مسطح و ناصاف می باشد .

اسلاید 117:

اسلاید 118: منطقه ی تغییر فرم پلاستیک غیر یک نواخت منطقه ی تغییر فرم پلاستیک یک نواخت الاســـــــتیکپلاستیک نمودار تنش و کرنش

اسلاید 119: اتفاقHcp و b.c.c 2. شکست ترد : عموما در فلزات سخت با ساختمان کریستالی می افتد . در این شکست ماده بعد از تغییر فرم بسیار ناچیز و به صورت ناگهانی شکسته می شود . همچنین ماده وارد منطقه ی گلویی نمی شود . سطح مقطع شکست در شکست مواد ترد تقریبا صاف و یک نواخت است . اشکال ترد شکستن در مواد آن است که لحظه ی شکستن قابل تشخیص نیست . ______________________________________________________( عوامل موثر بر مقاومت به ضربه ) 1. درجه حرارت : آزمایش ضربه بایستی در درجه حرارت های متفاوت برای نمونه ها انجام شود مثلا در فولادها مقاومت به ضربه در درجه حرارت های بالا بسیار خوب ولی در درجه حرارت های پایین به شدت کاهش می یابد . سطح مقطع بعد از شکست ترد

اسلاید 120: * تعریف درجه حرارت انتقال : درجه حرارتی که فلز از حالت نرم به صورت ترد در می آید را درجه حرارت انتقال یا تبدیل می گویند که به سرعت تغییر شکل و به حالت تنش وارده بستگی دارد . 2. اندازه دانه ها : هرچه اندازه دانه ها در یک نمونه کوچکتر باشند مقاومت به ضربه کمترمی شوند . 3. تأثیر عناصر آلیاژی : به طور کلی عناصر آلیاژی که در شبکه فلزات بین نشینی می شوند مانند کربن در فولاد مقاومت به ضربه را افزایش داده به شرط آنکه از حد حلالّیت افزایش نیابد و تبدیل به یک فاز سخت و شکننده مانند « کاربید آهن » نشود . 4. نفوذ گازهایی نظیر هیدروژن در ماده و تجمع آن در مرزدانه ها باعث می شود که ماده به صورت تــــُـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــرد بشکنـــــــــــــــــــــــــــــد .

اسلاید 121: ( روش آزمایش ضربه ) روشهای مختلفی برای تعیین مقاومت به ضربه وجود دارد که از مهمترین و متداول ترین آنها دو روش چــــــــــــــــارپی و ایـــــــــــــــــــــزود می باشد.این دو روش تنها در طرز قرار گرفتن نمونه ها و نحوه اعمال ضربه در دستگاه آزمایش ضربه با یکدیگر تفاوت دارند . *روش چارپی : در این روش نمونه به شکل مکعب مستطیل با مقطع مربع بوده و در وسط آن در امتداد عرض نمونه شکافی تعویه شده است دو انتهای نمونه به طور آزاد در روی تکیه گاه قرار گرفته و یک ضربه از پشت نمونه توسط پاندولی به آن وارد می شود .

اسلاید 122: * روش ایزود : در این روش نحوه کار مانند روش چارپی است با این تفاوت که در روش ایزود بر خلاف روش چارپی ضربه به یک می باشد.Vطرف نمونه وارد می شود و شکاف نمونه نیز به شکل روش چارپی روش ایزود

اسلاید 123: « شکل دستگاه ایزود و چارپی »صفحه مدرجکاری که چکش پس از شکست قطعه انجام می دهد.

اسلاید 124: فرمول انرژی شکست W = mgH – mgh = mg ( H – h )انرژی پتانسیل اولیه انرژی پتانسیل باقیمانده

اسلاید 125: خدایا چنان کن سرانجام کار که تو خشنود باشی و ما رستگارپایان