ریاضی - فنی مهندسی >> مهندسی مواد

هدف و ماهیت

تصور كنید در حال رانندگی در یكی از بزرگراهها هستیدكه ناگهان كامیونی با خوردروی شما برخورد می‌كند و خسارت سنگینی نیز بر آن واردمی‌سازد. چنین برخوردی در حال حاضر علاوه بر صرف هزینه‌ای قابل توجه و نیاز بهزمانی نسبتا طولانی برای تعمیر، در نهایت از ارزش خودرو نیز خواهد كاست. اما اگربدنه خودروی شما به طور كامل از جنس آلیاژ Tini ساخته شده باشد، حداقل برای صافكاریمشكلی نخواهید داشت چون كافی است بدنه خوردو را تا حد معینی حرارت بدهید تا بدنهتصادفی به سرعت تغییر شكل یافته و شكل اولیه خود را پیدا كند.
البته در حالحاضر این یك خیال‌پردازی علمی است. اما با پیشرفت روزافزون علم متالوژی بزودی موانعتكنولوژیكی، در راه تولید و كاربرد این آلیاژها برطرف شده و مقدار زیادی از اینمواد در شكل‌های گوناگون تولید خواهد شد.
آری علم متالوژی به عنوان یك صنعتمادر نه تنها در حال حاضر نقش مهمی را در پیشبرد تكنولوژی بر دوش دارد، بلكه درآینده نیز یكی از عوامل مهم پیشرفت تمدن بشری است.
حدود 6000 سال پیش زمانی كهبشر فلز را شناخت، متالوژی به عنوان یك هنر، پا به عرصه وجود گذاشت. در آن زمانانسان با جداكردن ذرات طلا از شن و ماسه بستر رودخانه‌ها، ذوب فلزات مختلف و شكلدادن آنها، اولین گامها را به سوی عصر فلزات برداشت و سپس با تولید مفرغ (برنز) وساختن ابزاری مثل خنجرها، سرنیزه‌ها و دهنه اسب از این ماده وارد عصر مفرغ شد وبالاخره با استخراج آهن و ورود به عصر آهن، تمدن بشری به پیشرفت قابل ملاحظه‌ای دستیافت.
آنچه گفته شد تاریخچه متالوژی به عنوان یك هنر یا فن بود اما متالوژی بهعنوان یك علم، دانش نسبتا جوانی است كه تنها صدسال از عمر آن می‌گذرد و با كشفروشهای جدید استخراج و تصفیه فلزات ، شناسایی مشخصات ساختاری و فیزیكی مواد، فنونجدید شكل دادن و تولید فلزات متولد شده است. علمی كه به دو بخش كلی متالوژیاستخراجی و صنعتی تقسیم می‌شود كه البته هر دو بخش مذكور در دانشگاههای كشور ما نیزبه عنوان دو گرایش از رشته مهندسی مواد تدریس می‌گردد.
توانایی‌های مورد نیاز و قابل توصیه
توانایی علمی : دانشجویان این رشته باید در فیزیك و شیمی و ریاضی قوی باشند. نیاز به آشنایی بازبان انگلیسی در این رشته بیش از دیگر رشته‌های مهندسی اهمیت دارد.
توانایی جسمی:قدرت بدنی و توان جسمانی بالا و آمادگی كار درشرایط سخت.
علاقمندیها :ذهنی خلاق و كنجكاو بایدداشته باشد و همچنین باید به این رشته علاقمند باشد.
توانایی مالی:ارزان بودن و فراوانی مواد سرامیكی ازویژگی‌های این رشته است.
توانمندی‌های لازم برای موفقیت
متالوژی استخراجی و متالوژی صنعتی
بسیاریاز مردم تصور می‌كنند كه یك مهندس متالوژی فقط در كنار كوره‌كار می‌كند و به همیندلیل برای موفقیت در این رشته، اصل را بر قدرت?بدنی و توان جسمانی بالا می‌گذارنداما این یك تصور اشتباه است چون با وجود آن كه یك مهندس متالوژی نباید به فكرپشت‌میزنشینی بوده و باید آمادگی كار در شرایط سخت را داشته باشد، اما بدون شكمهندس این رشته بیش از توان جسمانی خوب نیاز به ذهنی خلاق و كنجكاو دارد و همچنینباید به این رشته علاقه‌مند باشد تا بتواند به پیشبرد علم متالوژی كمك كرده و یاحداقل در بازار كار، مهندسی موفق گردد.
همچنین دانشجویان این رشته باید درفیزیك ، شیمی و ریاضی قوی باشند. چون برای مثال فولاد خود به تنهایی بیش از 2000نوع مختلف دارد و انتخاب نوع فولاد نیز برای ساخت یك قطعه بسیار مهم است. یعنیمهندس متالوژی باید با خواص فیزیكی و شیمیایی هر یك از انواع فولاد آشنایی داشتهباشد تا بتواند فولاد مناسب را برای ساخت قطعه مورد نظر خویش انتخاب كند.
مهندسی سرامیك
وقتی صحبت از مهندسی مواد می‌شود، دو علمشیمی و فیزیك اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌كند. چرا كه بررسی خواص مواد بدون آشنایی بااین دو علم امكان‌پذیر نمی‌باشد.
همچنین دانشجوی این رشته علاوه بر فیزیك وشیمی باید از دانش ریاضی اطلاعات كافی داشته و قدرت تجزیه و تحلیل خوبی داشته باشد.
آشنایی با زبان انگلیسی در تمام رشته‌های مهندسی ضروری است. اما در مهندسیسرامیك این ضرورت بیشتر احساس می‌شود چرا كه این رشته نسبتا جدید می‌باشد و درنتیجه كتابهای علمی آن كمتر به زبان فارسی ترجمه شده است.
معرفی گرایش‌های مقطعکارشناسی
در مجموع مهندسی مواد دارای سه گرایش: متالوژی استخراجی ، متالوژیصنعتی و سرامیك می باشد.
متالوژی استخراجی و متالوژیصنعتی
دانشمندان ، مواد صنعتی را به سه گروه عمده فلزات، پلاستیك‌ها وسرامیك‌ها تقسیم‌بندی كرده و فلزات را به عنوان بزرگترین گروه مواد صنعتی معرفیمی‌كنند.
در این میان علم متالوژی در برگیرنده هر كاری است كه روی فلزات و سنگمعدن‌های آنها انجام می‌شود یعنی متالوژی استخراجی با تهیه فلزات از سنگ معدن اولینقدمها را برمی‌دارد و سپس متالوژی صنعتی محصول فلزی قابل مصرف را تولید می‌كند.
متالوژی استخراجی حدفاصل بین مهندسی معدن و شاخه صنعتی متالوژی است. چرا كهتمامی موادی كه ما از آنها استفاده می‌كنیم به صورت توده‌های سنگی كه دارایناخالصی‌های زیادی هستند (عیارشان پایین است) در معادن قرار دارند و باید بعد ازكشف و استخراج به یاری تكنولوژی متالوژی استخراجی، مراحلی را طی كنند تا قابل مصرفگردند. یعنی لازم است كه یك مهندس متالوژی با انجام یكسری فرآیندها مانند خردكردنسنگ معدن با دستگاههای موسوم به سنگ‌شكن، تغلیظ سنگ معدن با استفاده از روشهایمغناطیسی و شناور سازی و عملیات ذوب و پالایش، عیار سنگ را بالا برده و سنگ را بهصورت شمش كه تقریبا خالص است تحویل صنعت بدهد و سپس به یاری دانش‌ نظری و علمیمتالوژی صنعتی، محصول فلزی قابل مصرف به طور مستقیم یا غیرمستقیم تولید گردد.
بهعنوان مثال آنچه در كارخانه ذوب آهن اصفهان تا مرحله تهیه شمش آهن خام (چدن) انجاممی‌شود، عمدتا مربوط به متالوژی استخراجی است و آنچه پس از این انجام می‌دهند ومحصول فلزی قابل مصرف مستقیم یا غیرمستقیم تولید می‌كنند، در حیطه دانش نظری و علمیمتالوژی صنعتی قرار دارد مانند تهیه نورد كه برای ساخت میله، ورق، تیرآهن وپروفیل‌های مختلف آهنی و غیرآهنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
متالوژی استخراجیشامل جدا كردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آنها (تولید فلزات) ، شناخت انواعكوره‌ها، سوخت‌ها و فعل و انفعالات شیمیایی می‌شود. این گرایش انواع متعددی ازروشها را در بر می‌گیرد كه از جمله می‌توان به كانه‌آرایی، پرعیار كردن مواد معدنی،ذوب كردن، تصفیه فلز مذاب و تولید شمش فلز اشاره كرد. همچنین متالوژی صنعتی عبارتاست از روشهای مختلف تولید مصنوعات فلزی كه مهمترین این روشها: متالوژی پودری (تهیهقطعات فلزی با استفاده از پودر آنها)، شكل دادن (نورد ، آهنگری، پرس‌كاری و كشیدن) ، جوشكاری و ماشین‌كاری (شكل دادن مواد توسط تراش و برش) است. همچنین در متالوژیصنعتی خواص و مشخصات فیزیكی ، ساختاری و مكانیكی مواد بررسی می‌شود.

مهندسی سرامیك
واژهسرامیك كه از كلمه یونانی كراموس گرفته شده است به معنای سفالینه یا شی پختهشده است. چرا كه منشا پیدایش این علم، سفالینه‌ها هستند كه بشر اولیه آنها را ازگل رس می‌ساخت و قدمت آنها به بیش از 6000 سال قبل، یعنی پیش از كشف و استفاده ازفلزات می‌رسد و هنوز نیز استفاده از ساخته‌های سفالی در جوامع مختلف رونق دارد. وشاید به همین دلیل هرگاه نام سرامیك برده می‌شود، بسیاری از مردم تنها به یاد ظروفسفالی و دیگر سفالینه‌ها می‌افتند. در حالی كه علم سرامیك نوین محدود به ساخت ظروفگلی و سفالینه‌های سنتی دیگر نمی‌شود، بلكه این علم اكنون به عنوان شاخه بسیار مهمیدر علوم مختلف بویژه علوم فنی و مهندسی مطرح است و در تمامی علوم و صنایع از جملهدر كامپیوترها، راكتورهای اتمی، صنایع پیچیده الكترونیكی، صنایع ذوب فلزات و ... كاربرد پیدا كرده است.
امروزه سرامیك را هنر ساخت ظروف سرامیكی و سفالینه‌هانمی‌دانیم؛ بلكه آن را به صورت علمی وسیعتر از ساخت این‌گونه وسایل تعریف می‌كنیم. بر این اساس می‌توان گفت كه سرامیك به طور كلی هنر و علم ساختن و به كاربردن اشیاءجامدی است كه اجزاء تشكیل‌دهنده اصلی و عمده آنها مواد غیرآلی و غیرفلزی است یعنیعلم سرامیك علاوه بر سفالینه‌ها شامل انواع چینی‌ها، دیرگدازها، فرآورده‌های رسیساختمانی ، مواد ساینده، لعاب‌های چینی، سیمان، شیشه، مواد مغناطیس غیرفلزی،فروالكتریك‌ها، تك بلورهای مصنوعی و محصولات پیچیده‌تر دیگر می‌شود.
به عبارت دیگر فرآورده‌های سرامیكی به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند كهعبارتند از :
الف )سرامیك‌های سنتی كهاساسا مواد اولیه آنها را سیلیكاتها تشكیل می‌دهند و شامل انواع محصولات رسی،سیمان، شیشه‌های سیلیكاتی و چینی‌ها می‌شود.
ب)سرامیك‌های نوین كه برای جوابگویی به نیازهای مخصوص مانند مقاومت حرارتی بیشتر،خواص مكانیكی بهتر، خواص الكتریكی ویژه و مقاومت شیمیایی افزونتر بوجود آمده‌اند.
دانشجویان مهندسی سرامیك كه یكی از گرایشهای مهندسی مواد است، در طول دورهتحصیلی خود پس از كسب پایه‌های علمی و مهندسی لازم، كلیه فرآیندهای ساخت سرامیك‌هارا از مواد اولیه و آماده‌سازی آن گرفته تا كنترل كیفی محصولات ساخته شده و ارتباطبین ساختمان و خواص این مواد فرا می‌گیرند.
به طور كلی مواد و مصالح صنعتی بهسه گروه بزرگ فلزات، پلاستیك‌ها و سرامیك‌ها تقسیم می‌شوند. كه مشخصه اصلیسرامیك‌ها، مقاومت بسیار زیاد آنها در برابر تاثیر مواد شیمیایی و دماهای بالا است. یعنی بیشتر فرآورده‌های سرامیكی مانند اجزای متشكله خود، در برابر آب، اسیدها،گازها، نمك‌ها و دماهای بالا مقاومت خوبی دارند و به همین سبب در ساختن قطعات مقاومنسبت به خوردگی و یا در روشهای حفاظت از خوردگی از سرامیك‌ها استفاده زیادی می‌شود.
یكی دیگر از ویژگی‌های مواد سرامیكی نیز ارزانی و فراوانی نسبی این مواد است. كه از جمله می‌توان به خاك رس ، فلدسپات (به طور عمده شامل سیلیكات آلومینیوم)، ماسهكوارتزی (به طور عمده اكسید سیلیسیوم)، اكسیدهای مختلف آهن و آلومین (اكسیدآلومینیوم) اشاره كرد. حال مهندسان سرامیك با كنترل نوع و نسبت تركیب مواد اولیه،فرآورده‌های گوناگونی مانند آجر و كاشی، آجر نسوز، ظروف چینی و سفالی‌، لعاب‌ها (بهعنوان روكش فلزات و سرامیك‌های دیگر)، آلومین و تیتانات باریوم (در الكترونیك)، دیاكسید اورانیوم (به عنوان سوخت هسته‌ای) لعل یا نارسنگ (در لیزر)، شیشه و سیمانطراحی و تولید می‌كنند.

آینده شغلی و بازار كار
متالوژی صنعتی و متالوژی استخراجی
هر كالایی راكه در زندگی روزمره خود به كار می‌بریم یا حاوی فلز است و یا برای ساخت و تولید آننیاز به فلز می‌باشد. برای مثال كلیه وسایل حمل و نقل از خودرو گرفته تا كشتی،هواپیما و قطار برای حركت به فلزات یا اجزای فلزی نیاز دارند. همچنین در تمامیساختمان‌ها از خانه‌های كوچك گرفته تا آسمان‌خراشها فلز به كار رفته است. به عبارتدیگر امروزه متالوژی در كلیه صنایع نقش مهمی را ایفا می‌كند و در نتیجه موقعیت شغلیفارغ‌التحصیلان این رشته نیز بسیار گسترده است.
چرا كه فارغ‌التحصیلان این رشتهدر گرایش‌ متالوژی استخراجی با شناخت روشهای استخراج فلزات و بهره‌برداری ازواحدهای متالوژی استخراجی و بخشهای وابسته می‌توانند روشهای مقرون به صرفه استخراجفلزات و تصفیه و بازاریابی عناصر فلزی را ارائه دهند و همچنین فارغ‌التحصیلان گرایشمتالوژی صنعتی به دلیل آشنایی با ساختمان، خواص فیزیكی و شیمیایی، فرآیند ساختفلزات و درك ارتباط بین ساختار فلزات و آلیاژها با خواص آنها می‌توانند امور مربوطبه انتخاب، شناسایی و تهیه مواد فلزی را انجام دهند و به طراحی و ساخت قطعات فلزینظارت داشته باشند و روشهای تولید این قطعات را گسترش داده و بهبود بخشند.
دركل می‌توان گفت كه فارغ‌التحصیلان این رشته در هر دو گرایش می‌توانند مدیریتكارخانه‌های استخراجی و تولید فلزات و سرپرستی بخشهای مختلف این كارخانه‌ها رابرعهده داشته و یا به عنوان محقق و پژوهشگر به رفع مشكلات متالوژیكی این بخشهابپردازند.
دكتر وقار استاد متالوژی دانشگاه تهران در همینزمینه می‌گوید:
?فارغ‌التحصیلان متالوژی استخراجی می‌توانند جذب مراكزیشوند كه به فرآیند استخراج و تولید مواد اولیه فلزی (آهنی و غیرآهنی) از كانه‌هایمربوط می‌پردازند و فارغ‌التحصیلان متالوژی صنعتی نیز می‌توانند در مراكزی كه باتولید قطعات فلزی سروكار دارند مانند صنایع ریخته‌گری، صنایع متالوژی پودر، صنایعخودروسازی و ابزارسازی مشغول به كار شوند.
مهندس متالوژی استخراجی می‌تواند درصنایع نفت و پالایش و همچنین صنایع آهنی و غیرآهنی مانند ذوب آهن اصفهان ، مجتمع مسسرچشمه و آلومینیم اراك فعالیت بكند. مهندس متالوژی صنعتی نیز می‌تواند در صنایعفولادسازی، صنایع دفاع، هواپیماسازی، كشتی‌سازی، تراكتورسازی، خودروسازی و ساختقطعات مختلف وسایل خانگی از جمله یخچال ، كولر، ماشین لباسشویی، تلویزیون و ضبط صوتفعالیت نماید.
مهندسی سرامیک
سرامیك‌ها به سببدوام در دماهای زیاد، ارزانی و فراوانی مواد اولیه و سهولت تهیه آنها و همچنین بهسبب خواص ویژه الكتریكی، مغناطیسی، نوری و هسته‌ای در رشته‌های گوناگون علم وتكنولوژی كاربردهای فراوان دارند و هر روز نیز كاربردهای جدیدتری برای آنها پیدامی‌شود. برای مثال امروزه قطعات سرامیكی در قسمت‌های مختلف توربین‌گازی به كارمی‌روند و یا از ماده سرامیكی آلومین به عنوان ساینده (برای سنگ‌زدن و پرداختكاریفلزات) و ماده اولیه ساخت بوته و آجرهای دیرگداز استفاده می‌شود. همچنین می‌توان بهتك بلورهای سیلسیم اشاره كرد كه در صنایع الكترونیكی بخصوص ساخت آی سی‌ها به كارمی‌روند و تحول شگرفی در صنایع الكترونیك ایجادكرده‌اند كه نمونه ساده آن همینماشین‌حسابها و ساعت‌های كوارتزی است.
با توجه به این كه موادی مثل برنج و مسبه مرور به علت خوردگی شیمیایی به بدن آسیب می‌رسانند، به تازگی علم پزشكی ازسرامیك‌ها به عنوان تقویت كننده و یا جایگزین شونده اعضای بدن بویژه استخوان‌هااستفاده می‌كند
امروزه صنایع سرامیك برای رشد اكثر صنایع اهمیت بسیاری دارند. برای مثال صنایع متالوژی و سایر صنایعی كه با درجه حرارت بالا سروكار دارند،مصرف‌كننده مواد دیرگداز هستند و یا صنایع الكترونیك احتیاج به قطعات مختلف سرامیكیبا خواص الكترونیكی و مغناطیسی مطلوب دارند. همچنین صنایع اتومبیل‌ سازی ، صنایعساختمانی، صنایع تولید نیرو ، مخابرات و بالاخره هر خانه و خط تولید هركارخانه‌اینیاز به فرآورده‌های سرامیكی دارد و در نتیجه رشد و شكوفایی و خودكفایی اقتصادیكشورها بدون ایجاد و گسترش صنایع سرامیك امكان‌پذیر نخواهد بود .
كاوشهایباستان‌شناسی نشان می‌دهد كه ساخت اشیاء سرامیكی در ایران؛ از زمان‌های بسیار قدیممتداول بوده است. اشیاء و مجسمه‌های رسی ساخت ایران كه قدمت برخی از آنها بهچندهزار سال می‌رسد، در اكثر موزه‌های ایران و جهان نگاهداری می‌شوند. در دورانتمدن اسلامی نیز ساخت ظروف چینی با لعاب‌های تزئینی گوناگون و همچنین صنعتكاشی‌كاری بسیار رونق داشته است.
این كاشی‌ها پس از گذشت صدها سال از نظر لعاب ورنگ و كیفیت كاشی در موقعیت بسیار مطلوبی هستند و در مقایسه با كاشی‌های امروزیمرغوبتر به نظر می‌رسند. اما این فن و هنر كه در دوران گذشته پیشرفت زیادی كرده بودبه یكباره متوقف شد و ما به واردكنندگان فرآورده‌های سرامیكی تبدیل شدیم و صنایعكوچك و سنتی كه در روند تكاملی خود می‌توانستند به صنایع پیشرفته و مدرن تبدیل شونددر نطفه خفه گردیده و ابتدا محصولات وارداتی و سپس كارخانجات وارداتی وابسته، جلویرشد و گسترش صنایع داخلی را گرفتند.
چرا كه این كارخانجات از نظر مواد اولیه،ماشین‌آلات و اداره‌كنندگان و برنامه‌دهندگان وابسته بوده و به جای حركت در جهت رشدو شكوفایی اقتصادی در جهت وابستگی سیر می‌كردند. البته پس از انقلاب، گام‌هایی درجهت قطع وابستگی این كارخانجات برداشته شد و امید است كه در آینده نیز بابرنامه‌ریزی صحیح در این زمینه، علاوه بر خودكفا كردن كارخانجات موجود، در جهتگسترش صنایع سرامیك مستقل و احداث كارخانجات موجود، در جهت گسترش صنایع سرامیكمستقل و احداث كارخانجات جدید گام‌های اساسی برداشته شود.
در حال حاضر ماكارخانه‌های عمده كاشی‌سازی، چینی‌سازی، تولیدكننده مواد نسوز، تولید كنندهسرامیك‌های الكتریكی ، شیشه‌سازی، آجرسازی و سیمان داریم كه فارغ‌التحصیلان رشتهسرامیك می‌توانند در آنها مشغول به كار گشته و به افزایش كارایی و راندمان كارخانهو همچنین بهبود كیفیت محصول آن كمك نمایند.
وضعیت نیازکشور به این رشته در حال حاضر
بعلت اینکه امروزه متالوژی در کلیه صنایعنقش مهمی را ایفا می کند نیاز کشور به این رشته و فارغ التحصیلان این رشته نسبتاًزیاد و فراوان است.
پیش بینی وضعیت آینده رشته درایران
فارغ التحصیلان گرایش متالوژی استخراجی با شناخت روشهای استخراجفلزات و بهره برداری از واحدهای متالوژی استخراجی و بخشهای وابسته می توانند روشهایمقرون به صرفه در این زمینه را ارائه دهند و در گرایش متالوژی صنعتی می توانند بهدلیل آشنایی با ساختمان .
خواص فیزیکی و شیمیائی ، فرآیند ساخت فلزات و درکارتباط بین ساختار فلزات و آلیاژها با خواص آنها، می توانند امور مربوط به انتخاب،شناسایی و تهیه مواد فلزی را انجام دهند و به طراحی و ساخت قطعات فلزی نظارت داشتهباشند و روشهای تولید این قطعات را گسترش داده و بهبود ببخشند . در مورد گرایشسرامیک بعلت مشکلات اقتصادی و نیز بعلت گسترده شدن صنایع و کاربرد علوم این رشته درآنها به نظر می رسد در آینده نزدیک سرمایه گذاری بیشتری در مورد فارغ التحصیلان وزمینه های کاری آن انجام گیرد .

دروس اصلي مشترك در همه گرايش ها
مباني مهندسي برق وآزمايشگاه	استاتيك
مقاومت مصالح	كريستالو گرافي و آزمايشگاه
پديده هاي انتقال	شيمي فيزيك مواد
ترموديناميك مواد 1	خواص فيزيكي مواد 1و2
آزمايشگاه متالوگرافي	خواص مكانيكي مواد 1 و آزمايشگاه

دروس پايه مشترك در همه گرايش ها
رياضي 1و2	معادلات ديفرانسيل
رياضي مهندسي	محاسبات عددي
مباني و برنامه سازي کامپيوتر	فيزيك 1و2 و آزمايشگاه