أساسيات علم المواد: الذرة والمادة

أساسيات علم المواد الهندسية

• يركز علم المواد الهندسية على التفاعل بين خصائص المواد الهندسية، بنيتها البلورية، وعمليات التصنيع والتشكيل.
• البنية البلورية تحدد مواصفات المادة الهندسية، حيث أن المسافة بين الذرات (A) تؤثر في الخواص.
• يرتكز هذا العلم على عدة محاور أساسية:
  • توصيف المواد الهندسية وتحديد خواصها.
  • دراسة السلوك الميكانيكي للمواد، سواء كانت متينة أم مقاومة للالتواء.
  • دراسة تغير أداء المواد والبحث عن الظروف المثلى لتحسين الأداء.
  • إجراء الاختبارات على المواد الهندسية، مثل اختبارات الشد والصلادة والقتل.
  • إجراء الأبحاث العلمية في مجال المواد الهندسية.

أهمية دراسة علم المواد الهندسية

• استخلاص المواد الهندسية المناسبة.
• تصميم المنتجات بكفاءة.
• تصنيع المنتجات بفعالية.
• تسويق المنتجات بشكل مقنع.
• فحص المنتجات لضمان جودتها.
• صيانة المنتجات لإطالة عمرها.

تصنيف المواد الهندسية

• تصنف المواد الهندسية إلى أربع عائلات رئيسية:
  • المعادن.
  • السيراميك والزجاج.
  • البوليمرات.
  • المواد المركبة.

المعادن

• تتميز المعادن بسلوك ميكانيكي ممتاز ودرجة انصهار مرتفعة نسبيًا، وتوجد في الطبيعة بشكل خام.
• يمكن استخراجها بسهولة، وتنقسم إلى قسمين رئيسيين:
  • المواد الحديدية: يشكل الحديد (Fe) العنصر الأساسي فيها، وإذا كانت نسبة الكربون منخفضة، يُحصل على الفولاذ.
  • يمكن إضافة مواد معدنية بنسب ضئيلة للحصول على خلائط.
  • المواد اللاحديدية: تمثل باقي العناصر المعدنية في الجدول الدوري، مثل النحاس والألمنيوم والرصاص والزنك.
  • يمكن إضافة عناصر أخرى لهذه المواد للحصول على خلائط.
  • الخليط عبارة عن عنصر رئيسي نضيف له خلطات ثانوية.

السيراميك والزجاج

• تعرف مواد السيراميك على أنها مركبات لا عضوية ولا معدنية.
• حتى لو كان المركب يحوي الكربون وتقويت معدن فهو مرُكب لا معدني ولا عضوي.
• توجد عناصر غير موجودة في الجدول الدوري، يمكن مصادفتها في الطبيعة ولكن بحاجة إلى استخلاص.
• تشكل الأكاسيد النسبة الأكبر في هذه المركبات.
  • الألومنيوم هو معدن، وأكسيد الألومنيوم هو سيراميك.
• يعتبر الزجاج حالة خاصة من المواد السيراميكية ويتكون من عدة ألكاسيد.
• تتميز المواد السيراميكية بمقاومة حرارية مرتفعة ومقاومة ميكانيكية منخفضة، وهي خفيفة الوزن مقارنة بالمعادن.
  • مثال عليها: أكسيد الألومنيوم (Al2O3) أو الألومينا.

البوليمرات

• تتكون من سلاسل عضوية تحتوي على عنصر الكربون بشكل رئيسي في السلسلة.
• يدخل في السلسلة أحياناً السيليكون والأكسجين والهيدروجين وبعض المواد الأخرى، ولكن بكميات قليلة.
• تتميز بخفة الوزن وبخواص ميكانيكية مقبولة، ويمكن تصنيفها إلى:
  • مواد تَلْحَم حرارياً: يمكن تشكيلها مرة واحدة فقط، وعند تعرضها لأي حقل حراري تحترق ولا تنصهر.
  • ميزتها أنها رخيصة، ولكن عيبها الرئيسي أنها غير صامدة حرارياً.
  • مواد لَدِنة حرارياً: وهي المواد القابلة للتشكيل.

المواد المركبة

• تتكون من اتحاد مادتين أو أكثر بالطبيعة الفيزيائية لإنتاج مادة جديدة. تتميز بالصفات الإيجابية لكل مادة على حدة، وتتألف من طورين:
  • الأرضية (Matrix).
  • مادة التقوية أو الدعم (Reinforcement).
  • بالإضافة إلى هذه العائلات، يمكن تصنيف أنصاف النواقل والمواد الحيوية كمواد هندسية.

بنية المواد الهندسية

• تنقسم إلى قسمين:
  • البنية الذرية.
  • الروابط الذرية

البنية الذرية

• الذرة هي أصغر جزء في المادة، وتتألف من إلكترونات سالبة الشحنة تدور حول نواة فيها جسيمات صغيرة تسمى البروتونات وهي ذات شحنة موجبة.
• اختلاف عدد النيوترونات يؤدي إلى ظهور النظائر.

الروابط الذرية

• يوجد نوعان من الروابط الذرية:
  • روابط أساسية.
  • روابط ثانوية.

الروابط الأساسية

• فيها يتم انتقال أو مشاركة الإلكترونات بين الذرة والذرات الأخرى، وهي روابط قوية وصلبة ولا تزول بسهولة بارتفاع درجة الحرارة كونها مسؤولة عن التماسك في المعادن والسيراميك، وتضمن تحقق عوامل مرونة عالية، وهي
• تضم هذه الروابط كلاً من المرابطة الشاردية، التشاركية، المعدنية.

الروابط الثانوية

• ولا تعتمد على الكترونات التكافؤ وتكون الرابطة ضعيفة ولكنها ضرورية مثل الروابط الهيدروجينية ، وروابط قوى ثاندر فالس.

الرابطة التشاردية

• تتواجد بشكل أساسي في المواد السيراميكية، وفيها تتخلى ذرة ما عن الكترونات والمدار السطحي مثال: على ذرة الصوديوم أن تتخلى عن الكترون في المدار السطحي وتتحول إلى شاردة موجبة إن الدار الأخير في ذرة الكلور يحتوي على سبع إلكترونات فهذه الذرة مستعدة لاستقبال الكترون والمتحول إلى شاروة سالبة.

الرابطة التشاركية

• توجد بشكل أساسي في المواد البوليمرية، وتحدث عندو اتشادى المشرعة لكسب الإلكترونات مع الشرعية لفقدها.

الرابطة المعدنية

• توجد هذه المرابطة في المعادن فقط حيث تحتوي في مداراتها الأخيرة الكترونات أقل من ثلاثة صيفة الإرتباط فتقوم بإطلاقها وتشكل مجموعة من الإلكترونات المنطلقة من
• الذرات ساليس بالقمامة أو السحابة الإلكترونية وهي أقوى الروابط الأساسية.

الروابط الثانوية

• روابط قوى ثاندر فالس.

روابط قوى ثاندر فالس

• هي عبارة عن قوى تجاذب وقوى تنافر في آن معاً وهي ناتجة من طبيعة مكونات الذرة الإلكترونات والبروتونات) ومالها في شينات كهربائية مختلفة.

النسبة الميكروية للمادة الهندسية

• يتكون جسم المادة من عدد كبير من الذرات وتقسم المواد من حيث انتظام الذيات فيها إلى قسمين:
  • الأول المواد البلورية :حيث تأخذ الذرات فيه أوضاعاً هندسية منتظمة
  • الثاني المواد اللابلورية ( عشوائية ) :حيث يكون وضع الذرات عشوائي غير منظم

الشبكة البلورية والانتظام البلوري

• تنتظم بعض المواد وعلى الأخص المعادن في شبكات بلورية يهذا الانتظام يكب هذه
• المراد خواص وبشكل خاص خواص متينة ميكانيكياً

الخلية الواحدية

• هي أصغر بنية إنشائية تكرارية تخيليلة في المادة
• بها شكل هندسي هزاعي معين وتشترك فيها مجموعة من الذرات المتوضعة على رؤوس الشكل الهندسي أو في داخله أو على وجوهه بحيث يتلامس بعض هذه الذرات.
• الشكل الهندسي الأكثر وروداً هو المكعب
• للخلية الواحدية ثلاث أطوال وحاوه وثلاث زوايا لاوβ و في حال الخلية المكعبية

العدد التنسيقي أو العدد الرابطي

• عدد الذرات التي يمكن أن تلامس الدورة في الخلية المواحدية
• اكبر عدد ترابطي في المستوي الواحد هو (( 6 )_ أما في الفراغ 1112) )جو

العدد الفعلي للذرات في الخلية

• نسبة الخلية من الذرات الداخلة في تشكيل الخلية،

• تصيب الحلية من الذرة الموجودة على رأس المكتب ¾ومن الموجودة في مركز الوجه هو النصف ¾

• كدذرة تساهم بـ 1/8 ولدي 8 ذرات وبالتالي العدد الفعلي هولا )) أي العدد الفعلي_ يعنى باختصار في حالة المكتب عندي 8 - ذرات كل ذرة شاهم وورا

ثابت الشبكة البلورية

• هو ثابت التناسب بين أبعاد الشبكة البلورية ونصف قطر الذرة

معامل الإختصاص (APF )

• هو الكثافة الذرية أو نسبة الجزء المشغول بالذرات من الخلية المواحدية معامل الارتصاص حجم الذرة * العدد الفعلي للذرات / حجم الخلية الواحدية
• *الخلاصة
• أي المادة الصلبة تشغل في الفرافع بمقدار السيراميك له بنية بلورية ،* *الزجاج ليس له بنية بلورية

الخلية الواحدية المكتبية متمركزة الحجوم

• يوجد ذرة في كل رأس من رؤوس الكتب وذرة في مركزه وبالنتيجة فالذرات المشاركة في الخلية هي و ذرات . لدينا أ ذرات على رؤوس المكعب بنسبة چرا به الإضافة الماذرة حشرت ثقع بالكامل ضمن المكتب

الخلاصة النهائية

تتلخص مما سبق أن :

• مكتب البسيط العدد الفعلي (
• متمركز الحجوم : 211
• الوجوه (
• وبالتالي العدد القبلي * ** له وتسمى خلية بكعبية مكتظة **

يأتي السؤال في الاعتماد على الشكل

• تعاريب أدارسم تا رسم الخلية توصيف الشبكة البلورية ديكارتياً تكون علي ثلاثة مصطلحات (( المواقع الشبكية ( البلورية ) (( بناحي ))* مستويات )) أن المواقع الشبكية يتم التعبير عن المواقع الرئيسية عن طريق إسقاط النقطة على المحاور الإحداثية ()) يعبر عنه بثلاث أرقام محصورة بين أواه0

وبالتالي أكبر بعد ( 1 ) وأصغر بعد_ (

• غير محتوى بأقواس (( مفصولة بفواصل)) (())) المتجه البلوري :
• يعبر عن المنتجه البلوري بثلاث أرقام ضمن قوسين قوسين مريسين

اختبر معلوماتك عن مكونات الذرة، الجسيمات المشحونة، وتأثير النيوترونات. تعرف على خواص المادة الهندسية، بنية المادة، وعمليات التصنيع وتأثيرها على المواد الحديدية والفولاذ.