جزوه درسی علم مواد PDF

‫به نام خدا‬ ‫جزوه درسی علم مواد‬ ‫مدرس‪ :‬صفورا کریم زاده‬ ‫پاییز ‪1403‬‬  ‫سرفصل درس‬ ‫مقدمه ای بر علم مواد‪ :‬خواص مکانیکی‪ ،‬فیزیکی‪ ،‬شیمیایی و مغناطیسی و ارتباط بین ساختار مواد و خواص آنها‬ ‫✓‬...

‫به نام خدا‬ ‫جزوه درسی علم مواد‬ ‫مدرس‪ :‬صفورا کریم زاده‬ ‫پاییز ‪1403‬‬  ‫سرفصل درس‬ ‫مقدمه ای بر علم مواد‪ :‬خواص مکانیکی‪ ،‬فیزیکی‪ ،‬شیمیایی و مغناطیسی و ارتباط بین ساختار مواد و خواص آنها‬ ‫✓‬ ‫مروری بر اتصاالت شیمیایی‪ :‬اتم منفرد‪ ،‬نیروهای پیوندی قوی‪ ،‬مولکولها‪ ،‬نیروهای پیوندی نوع دوم‪ ،‬فواصل بین اتمی‪ ،‬عدد کئوردینانس‬ ‫✓‬ ‫آرایش اتمی در جامدات‪ :‬تبلور‪ ،‬سیستمهای بلوری‪ ،‬سیستم مکعبی‪ ،‬سیستمهای شش وجهی‪ ،‬خاصیت چند شکلی بودن‪ ،‬جهات بلوری‪،‬‬ ‫✓‬ ‫صفحات بلوری‪ ،‬ساختمان مواد غیر بلوری‬ ‫بی نظمی در جامدات‪ :‬ناخالصی در جامدات‪ ،‬محلول جامد در فلز‪ ،‬محلول جامد در ساختمان مرکب‪ ،‬نابجایی ها‪ ،‬عیوب چیده شدن‪ ،‬مرز‬ ‫✓‬ ‫دانه ها‪ ،‬جابجایی اتمی‬ ‫انتقال الکتریکی در جامدات‪ :‬حاملهای بار‪ ،‬هدایت فلزی‪ ،‬عایقها‪ ،‬مواد نیمه هادی‬ ‫✓‬ ‫ساختمان و خواص فلزات تک فاز‪ :‬آلیاژهای تک فاز‪ ،‬ساختمان میکروسکوپی فلزات چند بلوری‪ ،‬تغییرشکل کشسان‪ ،‬تغییر شکل‬ ‫✓‬ ‫پالستیک تک کریستال فلزی‪ ،‬تغییر شکل فلزات چند بلوری‪ ،‬بازیابی و تبلور مجدد‪ ،‬خستگی‪ ،‬خزش‪ ،‬شکست‬ ‫ساختمان و خواص مواد چند فازی فلزی‪ :‬دیاگرام فازی‪ ،‬ترکیب شیمیایی فازها‪ ،‬درصد فازها‪ ،‬دیاگرام آهن‪-‬کربن‪ ،‬واکنشهای حالت جامد‪،‬‬ ‫✓‬ ‫ساختار میکروسکوپی چند فازی‪ ،‬عملیات حرارتی‪ ،‬رسوب سختی‪ ،‬سختی پذیری‬ ‫مواد سرامیکی و خواص آنها‪ :‬فازهای سرامیکی‪ ،‬کریستالهای سرامیکی‪ ،‬سیلیکاتها‪ ،‬شیشه ها‪ ،‬سیمان‪ ،‬مواد نسوز‪ ،‬عکس العمل مکانیکی‬ ‫✓‬ ‫سرامیکها‪ ،‬عکس العمل الکترومغناطیسی سرامیکها‬ ‫شناخت و خواص مواد غیرفلزی غیر معدنی‪ :‬پلیمرها‪ ،‬روش تهیه پلیمرها‪ ،‬الستیک طبیعی‪ ،‬ولکانیزه کردن‪ ،‬خواص مکانیکی پلیمرها‪،‬‬ ‫✓‬ ‫آشنایی با چندین پلیمر صنعتی‬ ‫خورندگی در مواد‪ :‬خورندگی در فلزات‪ ،‬اصول الکتروشیمیایی خورندگی‪ ،‬واکنشهای آندی و کاتدی‪ ،‬جفتهای گالوانیکی‪ ،‬سرعت خورندگی و‬ ‫✓‬ ‫اندازه گیری آن‪ ،‬کنترل خوردگی‪ ،‬ممانعت کننده ها‪ ،‬حفاظت آندی و کاتدی‪ ،‬روکش دادن‪ ،‬اکسیداسیون و مکانیزم آن‪ ،‬خورندگی در‬ ‫سرامیکها و پالستیکها‬ ‫تقسیم بندی نمرات‬ ‫حضور و فعالیت کالسی‪ 2 :‬نمره‬ ‫آزمون میانترم‪ 4 :‬نمره‬ ‫آزمون پایانترم‪ 15 :‬نمره‬  ‫منابع و مراجع‬ ‫‪✓ Materials Science and Engineering, An Introduction, William D-Callister, DAVID G. RETHWISCH‬‬ ‫✓ معرفی اصول علم و مهندسی مواد‪-‬تألیف دکتر محمد ریاحی‪ ،‬مهندس محمد فرجی‪ - 1383 -‬انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران‬  ‫مقدمه ای بر علم مواد‬ ‫✓ مواد (‪ )Materials‬در فرهنگ ما عمیقتر از آنچه که ما تصور میکنیم جای دارند‪.‬سیستم حمل و نقل‪ ،‬مسکن‪ ،‬پوشاک‪ ،‬ارتباطات‪،‬‬ ‫تفریح و تولید مواد غذایی‪ ،‬تقریباً هر بخش از زندگی روزمره ما تا حدی تحت تأثیر انواع مواد قرار می گیرد‪.‬در طول تاریخ‪ ،‬توسعه و‬ ‫پیشرفت جوامع به شدت به توانایی مردمان آنها برای تولید و دستکاری مواد برای برطرف کردن نیاز آنها بستگی دارد‪.‬در واقع‪ ،‬تمدن‬ ‫های اولیه با سطح پیشرفت موادشان مشخص شده اند (عصر حجر‪ ،‬عصر برنز‪ ،‬عصر آهن)‬ ‫✓ انسانهای نخستین به مواد اولیه بسیار محدودی همانند چوب‪ ،‬سنگ و پوست دسترسی داشتند اما به مرور زمان بشر ساخت مواد‬ ‫جدیدی را فرا گرفت و توانست فلزات و سفالگری را وارد زندگی اش کند‪.‬بعدها مشخص شد که خواص مواد با اضافه کردن افزودنی ها‬ ‫و عملیات حرارتی می تواند تغییر کند و در زمانهای نسبتا اخیر دانشمندان به این نتیجه رسیدند که خواص مواد مختلف با ساختار آنها‬ ‫می تواند تغییر کند‪.‬این علم در حدود ‪ 100‬سال است که گسترش پیدا کرده است و منجر به ساخت هزاران ماده جدید با خواص‬ ‫متنوع شده است‪.‬‬ ‫✓ هدف اصلی مطالعه علم مواد آگاهی یافتن از انواع مواد‪ ،‬ساختار و خواص مواد مختلف است تا طراحی های صحیحی با توجه به کاربرد‬ ‫آنها صورت بگیرد‪.‬‬  ‫مقدمه ای بر علم مواد‬ ‫✓ سه دیسک نازک از جنس اکسید آلومینیوم به ترتیب از راست به چپ‪:‬‬ ‫دیسک کامال مات‪ ،‬دیسک نیمه مات و دیسک تماما شفاف‪.‬‬ ‫✓ این سه دیسک هرسه از جنس اکسید آلومینیوم است اما تفاوتهای‬ ‫ساختاری میان آنها منجر شده است خواص نوری متفاوتی از خود نشان‬ ‫دهند‪.‬ساختار دیسک شفاف یک تک کریستال بدون عیب و نقص است‬ ‫که منجر به شفافیت این ماده شده است‪.‬دیسک نیمه مات دارای تعداد‬ ‫کمی بلور و تعداد کمی مرزدانه است و دیسک مات دارای بلورهای زیاد و‬ ‫عیوب مرزدانه ای زیادی است که اجازه شفافیت را ازین ماده گرفته است‪.‬‬ ‫✓ روش تولید این سه دیسک باهم کامال متفاوت است بنابراین اگر در‬ ‫کاربردی مورد استفاده قرار گیرد که خواص نوری حائز اهمیت باشد باید‬ ‫روش درستی برای تولید و تهیه انتخاب شود‪.‬‬  ‫مقدمه ای بر علم مواد‬ ‫✓ کشتی ‪ Liberty‬در جنگ جهانی دوم فقط یک روز پس از در آب‬ ‫قرار گرفتن دچار شکست در بدنه شد‪.‬‬ ‫زیرا برخی مواد فلزی که دارای چقرمگی خوبی هستند در دمای پایین‬ ‫خاصیت خود را از دست می دهند و برخالف انتظار دچار شکست ترد می‬ ‫شوند‪.‬‬  ‫تقسیم بندی مواد مهندسی‬ ‫بطور کلی مواد جامد مهندسی مورد نیاز برای طراحی و ساخت و تولید را می توان به چهار گروه تقسیم بندی کرد‪:‬‬ ‫✓ فلزات‬ ‫✓ سرامیک ها‬ ‫✓ پلیمرها‬ ‫✓ کامپوزیت ( مخلوط شدن دو ماده به گونه ای که مرز مشترکی بین آنها وجود داشته باشد)‬  ‫فلزات‬ ‫فلزات حداقل از یک یا دو عنصر فلزی (همانند آهن‪ ،‬آلومینیوم‪ ،‬مس) تشکیل شده اند و برخی اوقات از یک یا چند عنصر غیر فلزی (همانند‬ ‫کربن‪ ،‬گوگرد‪ ،‬نیتروژن) در مقدار بسیار کم نیز تشکیل شده اند‪.‬اتمها در فلزات و آلیاژهای آنها با درجه نظم باالیی کنار هم قرار گرفته اند‪.‬‬ ‫فلزات در مقایسه با سرامیکها و پلیمرها چگالتر هستند‪.‬در رابطه با خواص مکانیکی باید گفت فلزات از سفتی و استحکام خوبی برخوردارند‬ ‫و در کنار این چقرمگی (قابلیت برای تغییر شکل پالستیک بدون ایجاد شکست) خوبی نیز دارند همین صفات منجر به استفاده گسترده‬ ‫فلزات شده است‪.‬فلزات هادی خوبی برای الکتریسیته و گرما هستند و در این میان سه فلز آهن (‪ ،)Fe‬نیکل (‪ )Ni‬و کبالت (‪ )Co‬نیز دارای‬ ‫خواص مغناطیسی هستند‪.‬‬  ‫سرامیکها‬ ‫سرامیکها ترکیباتی هستند مابین عناصر فلزی و غیر فلزی و عمدتا اکسیدها‪ ،‬نیتریدها و یا کاربیدها هستند‪.‬به عنوان مثال اکسید‬ ‫آلومینیوم (‪ ،)Al2O3‬اکسید سیلسیوم (‪ )SiO2‬و کاربید سیلسیوم (‪ )SiC‬و نیترید سیلسیوم (‪ )Si3N4‬در دسته سرامیکها جای گرفته‬ ‫اند‪.‬همچنین سرامیکهای سنتی که در ساخت آنها از خاک رس استفاده شده است و شیشه و سیمان نیز جزو سرامیکها طبقه بندی‬ ‫شده اند‪.‬استحکام و سفتی سرامیکها در حد فلزات است و عالوه براین بسیار سخت هستند‪.‬چقرمگی سرامیکها پایین بوده و بسیار‬ ‫شکننده اند‪.‬سرامیکها برخالف فلزات عایق حرارت و الکتریسیته اند اما در مقایسه با فلزات و پلیمرها مقاومت بسیار خوبی در دمای‬ ‫باال و شرایط خشن دارند‪.‬‬  ‫پلیمرها‬ ‫پلیمرها عمدتا به مواد الستیکی و پالستیکی مشهور هستند‪.‬بسیاری از آنها متشکل از ترکیبات معدنی شامل عناصر غیرفلزی همانند کربن‪ ،‬هیدروژن‬ ‫و نیتروژن هستند‪.‬پلیمرها عموما از مولکولهای بزرگی تشکیل شده اند که به صورت زنجیر وار به همدیگر متصل شده اند‪.‬برخی پلیمرهای مشهور‬ ‫شامل پلی اتیلن (‪ ،)PE‬پلی استر (‪ ،)PS‬پلی وینیل کلراید (‪ )PVC‬و نایلونها هستند‪.‬چگالی پلیمرها پایین است و نسبت به فلزات و سرامیکها از‬ ‫سفتی و استحکام نسبتا پایینی برخودارند‪.‬در هرحال برخالف چگالی پایینی که دارند نسبت استحام به وزن آنها با فلزات و سرامیکها قابل مقایسه‬ ‫است و در کنار این پلیمرها از چقرمگی خوبی برخوردارند و به شکلهای مختلفی بدون پارگی و شکست در می آیند‪.‬در اکثر محیطهای شیمیایی‬ ‫پلیمرها بدون واکنش و به صورت خنثی باقی می مانند‪.‬یک عیب بزرگ پلیمرها عدم تحملشان به دمای باال است زیرا شکل و فرم اولیه خود را از‬ ‫دست می دهند و نمی توانند کارایی اولیه را داشته باشند‪.‬پلیمرها اکثرا عایق حرارت و الکتریسیته هستند‪.‬‬ ‫به فرآیند تولید پلیمر (به هم پیوستن واحدهای کوچک) پلیمریزاسیون گفته می شود‪.‬‬ ‫پلیمرها‬ ‫پلیمرها‬  ‫کامپوزیت یا ماده مختلط‬ ‫کامپوزیتها مواد مختلط متشکل از حداقل دو ماده مهندسی همانند فلزات‪ ،‬پلیمرها و سرامیکها هستند‪..‬به جزء دوم اضافه شونده تقویت‬ ‫کننده و به ماده اولیه ماتریکس یا زمینه گفته می شود‪.‬ویژگی های زمینه و تقویت کننده باهم متفاوت هستند‪.‬به عنوان مثال یک ماده‬ ‫تقویت کننده سخت به زمینه نرم اضافه می شود تا سختی و استحکام به درجه مطلوبی برسند‪.‬ماده تقویت کننده به حالت فیبر یا به حالت‬ ‫ذره نیز می تواند به جز زمینه اضافه شود‪.‬بدین ترتیب خواص زمینه و تقویت کننده متفاوت تر از حالت خالص آن ها خواهد بود‪.‬‬ ‫از ساده ترین کامپوزیتها می توان به کاه گل و چوب اشاره کرد اما مشهورترین کامپوزیت ساخته دست بشر فایبرگالس (‪ )GFRP‬است که‬ ‫الیاف (فیبر) شیشه در یک زمینه پلیمری مثل اپوکسی یا پلی استر پراکنده شده اند‪.‬همانطور که می دانید شیشه یک ماده ترد و سفت است‬ ‫در حالیکه پلیمر یک ماده منعطف است‪ ،‬زمانی که کامپوزیت فایبرگالس ساخته می شود خواص مکانیکی سفت‪ ،‬منعطف و با چگالی پایینی‬ ‫خواهد داشت‪ CFRP.‬نیز یک ماده پلیمیری مشهور است که به جای الیاف شیشه از الیاف کربنی در یک زمینه پلیمری استفاده شده است‪.‬‬ ‫‪ CFRP‬نسبت به ‪ GFRP‬سفتی و استحکام بهتری دارند اما گرانتر هستند‪ CFRP.‬در کاربردهایی که چگالی کم و استحکام باال نیاز باشد‬ ‫استفاده می شوند همانند کاربردهای هوا فضا‪ ،‬دوچرخه‪ ،‬راکت تنیس‪.‬‬ ‫مواد کامپوزیتی براساس فاز زمینه به سه دسته زیر تقسیم بندی می شود‪:‬‬ ‫✓ زمینه فلزی‬ ‫✓ زمینه سرامیکی‬ ‫✓ زمینه پلیمری‬ ‫کامپوزیت یا ماده مختلط‬  ‫مواد پیشرفته مهندسی‬ ‫مواد پیشرفته مهندسی (‪ )Advanced Materials‬در کاربردهای با تکنولوژی باال مورد استفاده قرار می گیرند همانند تجهیزات‬ ‫الکترونیکی‪ ،‬کامپیوترها‪ ،‬کاربردهای فضایی و نظامی‪.‬مواد پیشرفته در واقع همان مواد مهندسی (فلزات‪ ،‬سرامیکها‪ ،‬پلیمرها) هستند که برای‬ ‫کاربدهای خاصی گسترش داده شده اند و خواصشون بهبود یافته است و عمدتا بسیار گران قیمت تر هستند‪.‬از مواد پیشرفته می توان به‬ ‫نیمه هادی ها (‪ )Semiconductors‬و مواد زیستی (‪ )Bio Materials‬و نانو مواد (‪ )Nano Materials‬اشاره کرد‪.‬‬ ‫نیمه هادی ها‬ ‫خواص الکتریکی نیمه هادی ها مابین مواد هادی (فلزات و آلیاژهای آنها) و عایق (پلیمرها و سرامیکها) است‪.‬خواص الکتریکی نیمه هادی‬ ‫ها به درصد عناصر ناخالصی و نوع ماده ناخالصی وابستگی شدیدی دارد‪.‬نیمه هادی ها در بردهای الکتریکی‪ ،‬سلول های خورشیدی و‬ ‫کاربردهایی نظیر شکافت آب کاربرد دارد‪.‬‬ ‫مواد زیستی‬ ‫زیست مواد به موادی اطالق می شود که در بدن انسان کاشت می شود تا با یک عضو آسیب دیده بدن جایگزین شود‪.‬این مواد نباید در‬ ‫بدن سمیت ایجاد کنند و باید با بافتهای انسان سازگاری کامل داشته باشند که می توانند فلزی‪ ،‬سرامیکی یا حتی پلیمری نیز باشند‪.‬‬ ‫نانو مواد‬ ‫مواد نانو می توانند از دسته فلزات‪ ،‬سرامیکها و پلیمرها باشند و بیشتر بر اساس اندازه شان تقسیم بندی می شوند‪.‬در حالت کلی هر ماده‬ ‫ای که ابعادش زیر ‪ 100‬نانو متر باشد جزو این دسته محسوب می شود‪.‬اهمیت مقیاس نانو به این دلیل است که در این مقیاس ویژگی‬ ‫های جدیدی حاصل می شود و خواص و ویژگی هایی که مواد در ابعاد معمولی (بالک) دارند همانند استحکام‪ ،‬نقطه ذوب‪ ،‬شفافیت‪ ،‬خواص‬ ‫نوری و ‪...‬در این مقیاس تغییر می کند‪.‬در حقیقت در مقیاس نانو با مواد جدیدی سروکار داریم که خواص جدید بنابراین کاربردهای‬ ‫جدیدی دارند‪.‬‬  ‫ساختارهای نانو‬ ‫نانو لوله های دی اکسید تیتانیوم‬ ‫نانو سیمهای اکسید روی‬ ‫نانو الیاف ‪PVP‬‬ ‫نانو سیمهای اکسید روی‬  ‫مروری بر اتصاالت شیمیایی‬ ‫برخی از ویژگی های مواد به پیوندهای موجود در ساختار و کنش بین اتمها بستگی دارد‪.‬بنابراین مطالعه انواع اتصاالت بین اتمی و بین مولکولی در جهت‬ ‫شناخت رفتار مواد کمک کننده است‪.‬در این جهت ابتدا به مرور برخی اصول بنیادی می پردازیم‪.‬‬ ‫ساختار اتم‪:‬‬ ‫هر اتم متشکل از هسته شامل پروتونها و نوترونها است و همچنین دارای یک سری الکترون که به دور این هسته می چرخد‪.‬الکترون و پروتون به ترتیب‬ ‫دارای بار منفی و مثبت هستند و نوترونها بدون بار می باشند بنابراین کل اتم در حالت بار خنثی قرار می گیرد‪.‬تعداد پروتونها و الکترونها جهت ارضای این‬ ‫شرط باید برابر باشد‪.‬‬ ‫در این راستا مفهومی به نام عدد اتمی (‪ )Z‬گسترش پیدا کرده است که تعداد الکترون (یا پروتون) را در یک اتم نشان می دهد و برای اتم هیدروژن برابر‬ ‫مقدار ‪ 1‬است و تا اتمهای سنگین مثل اورانیوم (‪ )Z=92‬ادامه پیدا می کند‪.‬‬ ‫جرم پروتون و نوترون تقریبا نزدیک هم هستند (‪ )1.67 ×10-27 kg‬و بسیار سنگین تر از الکترون (‪.)9.11 ×10-31 kg‬اما در برخی اتمها ممکن است‬ ‫تعداد نوترونها قابل تغییر باشد و به همین جهت است که گفته می شود ایزوتوپ های اتمی جرم متفاوتی دارند‪.‬‬ ‫جدول تناوبی عناصر‬ ‫انواع مدل اتمی‬ ‫مدل اتمی بور‪ :‬در این مدل الکترونها ذراتی تصور شده اند که در اوربیتالهای‬ ‫مشخصی به دور هسته در حال گردش هستند‪.‬‬ ‫مدل موجی مکانیکی‪ :‬با گسترش مکانیک کوانتوم این مدل مطرح شد‪.‬در‬ ‫این مدل الکترونها نه تنها از انرژی مشخصی برخوردارند بلکه دارای دو‬ ‫خاصیت موجی و ذره ای به صورت همزمان هستند‪.‬بنابراین نمی توان تصور‬ ‫کرد که الکترون به صورت ذره در یک مکان مشخص قرار دارد بلکه احتمال‬ ‫حضور الکترون در اطراف هسته مطرح می شود‪.‬شکل سمت چپ تفاوت‬ ‫مدل اتمی بور و مدل موجی را نشان می دهد و شکل سمت راست مدل‬ ‫اتمی بور است‪.‬‬  ‫نیروهای بین اتمی‬ ‫مطلع بودن از نیروهای بین اتمی که اتمها را بهم پیوند می دهد برای درک بسیاری از خواص فیزیکی مواد مفید است‪.‬در فواصل دور دو اتم هیچ‬ ‫برهمکنشی روی یکدیگر ندارند اما زمانی که بهم نزدیک می شوند اتمها برهم اثر می گذارند و نیروهایی بین اتمها شکل میگیرد‪.‬اگر جاذبه بین‬ ‫الکترونهای اتم و هسته اتم دیگر بر نیروی دافعه بین الکترونها غلبه کند نیروی جاذبه بین اتمی اتفاق می افتد و پیوند تشکیل می شود اگر خالف‬ ‫این باشد نیروی دافعه و دور شدن اتمها را خواهیم داشت و تمامی این مسائل ارتباط مستقیمی با فاصله بین اتمها دارد‪.‬‬  ‫پیوندهای اولیه‬ ‫در حالت کلی سه نوع پیوند اولیه شامل پیوند یونی‪ ،‬کوواالنسی و فلزی در جامدات وجود دارد‪.‬‬ ‫پیوند یونی‪ :‬این نوع پیوند بین فلزات و نافلزات رخ می دهد (اختالف الکترونگاتیویته زیاد) بدین ترتیب که در اثر اتصال اتم فلز الکترون‬ ‫خود را به نافلز می دهد تا هردو به آرایش گاز نجیب خود در جدول تناوبی برسند و اینگونه پایدارتر شوند‪.‬کلرید سدیم یا نمک طعام‬ ‫مشهورترین مثال از نوع پیوند یونی است‪.‬سدیم یک الکترون را به کلر می دهد تا به آرایش گاز نجیب نئون برسد و کلر با دریافت الکترون‬ ‫به آرایش گاز نجیب آرگون می رسد‪.‬‬  ‫پیوندهای اولیه‬ ‫پیوند کواالنسی‪ :‬این نوع پیوند در میان اتمهایی که اختالف الکترونگاتیویته کمی دارند صورت می گیرد بدین ترتیب الکترونی ردوبدل‬ ‫نمی شود و فقط به اشتراک پذاشته می شود‪.‬الکترون به اشتراک گذاشته شده متعلق به هردو اتم است‪.‬‬ ‫پیوند بین اتمهای هیدروژن در یک مولکول هیدروژن از نوع کوواالنسی است که هردو اتم تک الکترون خود را به اشتراک می گذارند تا به‬ ‫آرایش گاز نجیب هلیوم برسند‪.‬‬  ‫پیوندهای اولیه‬ ‫پیوند فلزی‪ :‬پیوند فلزی در فلزات مشاهده می شود‪.‬مدلی که برای این پیوند ارائه شده مدل دریای الکترونی است‪.‬به این معنی که هسته‬ ‫های با بار مثبت در دریایی از الکترون شناور هستند‪.‬پیوند اتم های طال‪ ،‬نقره و آهن و برنج (آلیاژ مس و روی) از این نوع است‪.‬قابلیت‬ ‫چکش خواری خوب فلزات‪ ،‬هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی خوب آنها نیز به همین علت است‪.‬‬ ‫بنابراین انتقال یا اشتراک الکترونی نداریم و ابر الکترونی متعلق به تمامی هسته های مثبت است‪.‬‬  ‫پیوندهای ثانویه‬ ‫پیوندهای ثانویه در مقابل پیوندهای اولیه ضعیفتر هستند و به نیروهای واندروالسی شهرت دارند که به جاذبه بین مولکولها یا گروهی از اتمها اشاره می‬ ‫کند به عنوان مثال می توان به جاذبه بین مولکولهای گازهای خنثی (نیتروژن‪ ،‬آرگون‪ ،‬هلیوم ‪ )..‬اشاره کرد‪.‬حرکت آزادانه مولکولهای گاز خنثی نیز‬ ‫اشاره به ضعیف بودن نیروی واندروالسی بین مولکولهای گاز است‪.‬‬  ‫آرایش اتمی در جامدات‬ ‫تعاریف اولیه‬ ‫تعریف کریستال یا بلور‪ :‬یک ماده بلوری یا کریستالی ماده است که در آن اتمها با یک واحد تکرار‬ ‫شونده در فواصل اتمی زیادی قرار می گیرند‪.‬به عبارتی می توان گفت جامد کریستالی ماده است که‬ ‫به هنگام انجماد آن اتمها با یک الگوی سه بعدی تکرار شونده کنار هم قرار می گیرند‪.‬تمامی فلزات‪،‬‬ ‫اکثر سرامیکهای مهندسی جزو مواد کریستالی محسوب می شوند‪.‬به ماده ای که کریستالی نباشد یا‬ ‫نظم بلند‪-‬برد اتمی نداشته باشد جامد آمورف یا غیر کریستالی گفته می شود‪ ،‬مثل شیشه یا اکثر‬ ‫مواد پلیمری‪.‬‬ ‫تعریف ساختار کریستالی (‪ :)Crystalline structure‬برخی خواص جامدات بلورین به ساختار‬ ‫کریستالی آنها بستگی دارد یعنی اینکه نظم و ترتیب اتمهای قرار گیرنده در آن جامد معین به چه‬ ‫شکلی باشد‪.‬فلزات دارای ‪ 3‬ساختار کریستالی مهم هستند‪ ،‬سرامیکها می توانند ساختارهای‬ ‫پیچیده تری داشته باشند‪.‬‬ ‫تعریف شبکه (‪ :)Lattice‬در ساختارهای بلوری هر اتم به صورت گلوله نشان داده می شود که گلوله‬ ‫های نزدیک به هم یکدیگیر را لمس می کنند‪.‬در فلزات که تمامی اتمهای جامد بلورین از یک نوع‬ ‫هستند ‪ 2‬نوع شبکه کریستالی وجود دارد‪.‬شبکه های مکعبی و شبکه شش گوشه‪.‬‬  ‫ساختارهای کریستالی در فلزات‬ ‫ساختارهای کریستالی در فلزات شامل مکعبی مرکز پر‪ ،‬مکعبی با وجوه مرکز پر و ساختار با شبکه شش گوشی‬ ‫هستند که به تفکیک به هریک از آنها پرداخته می شود‪.‬‬ ‫تعریف ساختار کریستالی مکعبی ساده (‪:)Simple cubic‬‬ ‫در این ساختار کریستالی تصور می شود اتمهای یک جامد گوشه های یک مکعب را اشغال کرده اند‪.‬این ساختار‬ ‫فقط برای سهولت ساختارهای کریستالی در نظر گرفته می شود و در فلزات وجود ندارد‪.‬‬  ‫محاسبه تعداد اتمها در سلول واحد مکعبی ساده‬ ‫سهم اتم هر گوشه برای یک سلول واحد (کوچکترین واحد تکرار شونده)‪1/8 :‬‬ ‫تعداد اتم در گوشه های سلول واحد‪ 8 :‬عدد‬ ‫تعداد اتم در یک سلول واحد ‪8×1/8 =1 :‬‬ ‫عدد همسایگی یا کئوردینانس‬ ‫عدد همسایگی به تعداد نزدیکترین اتمهای همسایه یک اتم مشخص گفته می شود‪.‬‬ ‫عدد همسایگی شبکه مکعبی ساده‪6 :‬‬  ‫فاکتور فشردگی اتمی (‪)ATOMIC PACKING FACTOR‬‬ ‫به نسبت حجم اتمهای یک سلول واحد بر حجم کل سلول واحد فاکتور فشردگی اتمی گفته می شود‪.‬‬ ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار مکعبی ساده ‪:‬‬ ‫‪APF = (1×4/3 𝜋 × 𝑟 3 )/(𝑎 = 2𝑟)3‬‬ ‫‪APF = 0.52‬‬ ‫یعنی ‪ 0.52‬از کل یک سلول واحد در ساختار مکعبی ساده را اتمها تشکیل داده اند و الباقی سلول فضای خالی است‪.‬‬  ‫ساختار کریستالی مکعبی مرکز پر (‪)BODY CENTERED CUBIC‬‬ ‫ساختار مکعبی مرکز پر در فلزات دارای سلول واحد مکعبی شکل است بدین ترتیب که هشت اتم در هریک از‬ ‫گوشه های مکعب بوده و یک اتم دقیقا در مرکز مکعب قرار می گیرد به طوری که اتم وسط به اتمهای قرار گرفته‬ ‫در گوشه ها مماس است‪.‬فلزاتی نظیر آهن در دمای اتاق‪ ،‬کروم‪ ،‬مولیبدن و تنگستن دارای ساختار کریستالی‬ ‫مکعبی مرکز پر هستند‪.‬‬ ‫عدد همسایگی در ساختار مکعبی مرکز پر برابر ‪ 8‬است‪.‬یعنی هر اتم به ‪ 8‬اتم نزدیک به خود مماس است‪.‬‬ ‫تعداد اتمها در سلول واحد مکعبی مرکز پر‬ ‫تعداد اتم در یک سلول واحد‪8×1/8 + 1 = 2 :‬‬ ‫سهم اتمهای گوشه‪1/8 :‬‬ ‫سهم اتم مرکزی ‪1 :‬‬  ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار مکعبی مرکز پر‬ ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار مکعبی مرکز پر ‪:‬‬ ‫‪APF = (2×4/3 𝜋 × 𝑟 3 )/(𝑎 = 4𝑟ൗ 3)3‬‬ ‫‪APF = 0.68‬‬ ‫یعنی ‪ 0.68‬از کل یک سلول واحد در ساختار مکعبی مرکز پر را اتمها تشکیل داده اند و الباقی سلول فضای خالی است‪.‬‬  ‫ساختار کریستالی مکعبی با وجوه مرکز پر (‪)FACE CENTERED CUBIC‬‬ ‫ساختار کریستالی فلزاتی نظیر آلومینیوم‪ ،‬مس‪ ،‬طال و نقره ازین نوع است‪.‬شبکه کریستالی همچنان به صورت مکعبی‬ ‫است با این تفاوت که عالوه بر هشت گوشه مکعب در هر وجه مکعب نیز اتم وجود دارد و تمامی اتمها به هم مماس‬ ‫هستند‪.‬‬ ‫عدد همسایگی در این ساختار برابر ‪ 12‬است‪.‬‬ ‫تعداد اتمها در سلول واحد مکعبی با وجوه مرکز پر‬ ‫تعداد اتم در یک سلول واحد‪8×1/8 + 6×1/2 = 4 :‬‬ ‫سهم اتمهای گوشه‪1/8 :‬‬ ‫سهم اتم وجه ‪1/2:‬‬  ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار مکعبی با وجوه مرکز پر‬ ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار مکعبی با وجوه مرکز پر ‪:‬‬ ‫‪APF = (4×4/3 𝜋 × 𝑟 3 )/(𝑎 = 4𝑟ൗ 2)3‬‬ ‫‪APF = 0.74‬‬ ‫یعنی ‪ 0.74‬از کل یک سلول واحد در ساختار مکعبی وجوه مرکز پر را اتمها تشکیل داده اند و الباقی سلول فضای خالی است‪.‬‬ ‫ساختار کریستالی هگزاگونال یا شش گوشی با قاعده پر (‪HEXAGONAL CLOSE-‬‬ ‫‪)PACKED‬‬ ‫تا کنون سیستم های مکعبی مورد بررسی قرار گرفتند‪.‬اکنون به شبکه کریستالی غیرمکعبی‬ ‫هگزاگونال یا شبکه منشوری با قاعده فشرده می پردازیم‪.‬در این سیستم ‪ 12‬اتم در گوشه ها سه‬ ‫اتم در میانه سلول و دو اتم در وجوه قاعده قرار دارند‪.‬سهم هر گوشه در این سیستم ‪ 1/6‬سهم‬ ‫وجوه ‪ 1/2‬و سهم اتم های میانه ‪ 1‬است‪.‬با این حساب در این سلول جمعا ‪ 6‬اتم بوده و باقی فضای‬ ‫سلول خالی است‪.‬‬ ‫𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟔 = × 𝟐 ‪12× + 𝟑 +‬‬ ‫𝟔‬ ‫𝟐‬ ‫این نوع فلزات می توان به منیزیم و تیتانیوم اشاره کرد‪.‬‬ ‫عدد همسایگی در این ساختار برابر ‪ 12‬است‪.‬‬  ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار هگزاگونال‬ ‫فاکتور فشردگی اتمی برای ساختار هگزاگونال‪:‬‬ ‫)‪APF = (6×4/3 𝜋 × 𝑟 3 )/(3√3.𝑎2 /2 × c = 4 2/3.r‬‬ ‫‪24 √2.𝑟 3‬‬ ‫‪APF = 0.74‬‬ ‫یعنی ‪ 0.74‬از کل یک سلول واحد در ساختار هگزاگونال را اتمها تشکیل داده اند و الباقی سلول فضای خالی است‪.‬‬ ‫ساختار کریستالی فلزات مختلف‬  ‫پلی مورفیسم (چند شکلی بودن) و آلوتروپی‬ ‫✓ برخی از فلزات می توانند بسته به شرایط دما و فشار بیش از یک ساختار کریستالی داشته باشند همانند آهن که در‬ ‫دمای اتاق ساختار آن ‪ BCC‬است و با افزایش دما به بیش از ‪ 912‬درجه سانتی گراد به ساختار ‪ FCC‬تبدیل می شود‪.‬به‬ ‫این خاصیت پلی مورفیسم یا چند شکلی بودن گفته می شود‪.‬‬ ‫✓ برای غیرفلزاتی همانند کربن اصطالح آلوتروپی استفاده می شود که اتم کربن دارای آلوتروپی های گرافیت و الماس‬ ‫است که گرافیت در فشار اتمسفر و الماس تحت فشار خیلی باال پایدار است‪.‬‬ ‫تحول آلوتروپی در فلز قلع‬  ‫شناسایی نقطه در سلول واحد‬ ‫✓ در مواد بلوری از جمله فلزات نیاز است که مشخصاتی نظیر نقطه‪ ،‬صفحه و جهت بلوری شناسایی شود‪.‬‬ ‫✓ شناسایی نقطه‪ :‬ابتدا مبدا مختصات مشخص می شود‪ ،‬سپس سه مختصات ‪ x,y,z‬با توجه به مبدا تعیین می شود‪.‬‬  ‫جهت بلوری در سیستم مکعبی‬ ‫یک جهت کریستالی در حالت کلی شامل دو نقطه ابتدایی و انتهایی است یا می توان گفت جهت کریستالی همان‬ ‫بردار است‪.‬‬ ‫شناسایی جهت کریستالی‪:‬‬ ‫‪ -1‬مشخص کردن مبدا مختصات‬ ‫‪ -2‬نوشتن مختصات ابتدایی و انتهایی در جهت مد نظر‬ ‫‪( -3‬مختصات انتهایی از مختصات ابتدایی تفریق می شود)‬ ‫‪ -4‬اگر اعداد حاصل به صورت کسری باشد‪ ،‬با ضرب به مخرج به صورت صحیح تبدیل می شود‬ ‫‪ -5‬قرار دادن جهت کریستالی داخل نماد کروشه ][‬ ‫‪ -6‬بین اعداد ویرگول نداریم‪.‬‬ ‫مثال‪ :‬‬ ‫مثالی از چند جهت کریستالی در سیستم مکعبی‬ ‫مثال از جهت کریستالی در سیستم مکعبی‬ ‫]‪[𝟐21‬‬ ‫مثال از جهت کریستالی در سیستم مکعبی‬ ‫جهت کریستالی ]‪ [1𝟏0‬را در سیستم مکعبی نشان دهید‪.‬‬ ‫جهات بلوری در سیستم هگزاگونال‬ ‫✓ در این سیستم همانند سیستم مکعبی‬ ‫عمل میکنیم با این تفاوت که از ‪4‬‬ ‫اندیس استفاده می کنیم یعنی سیستم‬ ‫‪ 4‬محوره داریم‪.‬‬ ‫✓ جهت کریستالی در سیستم هگزاگونال با‬ ‫سه یا چهار اندیس تعیین می شود‪.‬یعنی‬ ‫قابل تبدیل به سیستم مکعبی است‪.‬‬  ‫مثال از جهات بلوری در سیستم هگزاگونال‬ ‫✓ جهت ]‪ [111‬را به جهت در سیستم هگزاگونال تبدیل کنید و آن را در سیستم نشان دهید‪.‬‬ ‫مثال از جهات بلوری در سیستم هگزاگونال‬ ‫✓ جهت نشان داده شده در شکل را اندیس گذاری کنید‪.‬‬ ‫صفحات بلوری در سیستم مکعبی‬ ‫برای اندیس گذاری صفحه به ترتیب زیر عمل می کنیم‪.‬‬ ‫‪ -1‬مبدا مختصات را مشخص می کنیم‬ ‫‪ -2‬صفحه مورد نظر نباید از مبدا مختصات عبور کند‬ ‫‪ -3‬مشخص کردن اینکه صفحه مد نظر کدام یک از مختصات را قطع می کند‬ ‫‪ -4‬وارونه سازی اندیس ها‬ ‫‪ -5‬ساده سازی اندیسها‬ ‫‪ -6‬اندیسها را داخل نماد پرانتز قرار میدهیم ()‬ ‫مثال از صفحات بلوری در سیستم مکعبی‬ ‫اندیس میلر صفحه زیر را تعیین کنید‪.‬‬ ‫مثال از صفحات بلوری در سیستم مکعبی‬ ‫صفحه )‪ (101‬را در سیستم مکعبی تعیین کنید‪.‬‬ ‫مثال از صفحات بلوری در سیستم مکعبی‬  ‫اندیس گذاری صفحات در سیستم هگزاگونال‬ ‫در اندیس گذاری سیستم هگزاگونال ‪ 4‬اندیس داریم‪.‬در اینجا همانند سیستم مکعبی عمل می کنیم و فقط یک‬ ‫اندیس اضافی را به شرح ذیل به سیستم چهار اندیسی تبدیل می کنیم‬ ‫مثال از اندیس گذاری صفحات در سیستم هگزاگونال‬ ‫اندیس صفحه زیر را مشخص کنید‪.‬‬  ‫ساختمان مواد غیربلوری‬ ‫ماده ای غیربلوری است که اتمهای آن نظم بلند برد نداشته باشد که به اصطالح مواد آمورف یا بی شکل هم گفته می شود‪.‬‬ ‫واضحترین مثال از ماده آمورف سیلیس (‪ )SiO2‬است که به دو شکل آمورف و کریستالی می تواند باشد‪.‬در هردو ساختار‬ ‫یک اتم سیلسیوم به دو اکسیژن متصل است که در ساختار آمورف بی نظمی و غیر متعارف بودن مشخص است‪.‬‬  ‫تک کریستال و چند کریستالی بودن‬ ‫برای یک جامد بلورین زمانی که قرارگیری اتمها در تمام قطعه مدنظر منظم باشد بدون انقطاع و بدون وجود مرز اصطالحا‬ ‫گفته می شود تک کریستال داریم‪.‬یعنی تمامی سلولهای واحد در یک جهت به صورت منظم در تمام قطعه ادامه پیدا می‬ ‫کند‪.‬تک کریستالها در طبیعت پیدا می شوند اما می توان همچنین آنها را ساخت‪.‬تک کریستالها در صنعت پیشرفته نیمه‬ ‫هادی همانند تک کریستال سیلیوکونی نقش ایفا می کنند‪.‬‬ ‫در مقابل یک ماده چند بلوری در حقیقت متشکل از تعداد زیادی تک بلور است که با مرزها به هم متصل شده ان‪.‬مرز بین‬ ‫کریستالها مناطق بی نظمی است که اتمها در قید و بند هم نیستند‪.‬هریک از تک کریستالها دانه و به مرز بین آنها مرزدانه‬ ‫گفته می شود‪.‬پس هریک از دانه ها در جهت گیری رشد باهم تفاوت دارند‪.‬چنین ماده ای پلی کریستال است‬  ‫بی نظمی در جامدات‬ ‫حضور برخی نواقص (‪ )imperfections‬در مواد خصوصیات آنها را تحت تاثیر قرار می دهد‪.‬بنابراین شناخت انواع نواقص‬ ‫در ساختار مواد و اثرات آنها بر خواص مواد مفید است‪.‬به عنوان مثال می توان آلیاژ برنج را مثال زد آلیاژ برنج که متشکل‬ ‫از مس و نیکل است استحکام بیشتری نسبت به مس خالص دارد‪(.‬مثال ‪ 30‬درصد زینک‪ 70 ،‬درصد روی)‬ ‫در حالت کلی می توان اشاره کرد بلور بی عیب و نقص وجود ندارد و عیوب یا نواقصی در جامدات بلورین وجود دارد‪.‬‬ ‫(‪.)defects or imperfections‬‬ ‫طبقه بندی عیوب در جامدات بر حسب اندازه و بعدهای عیب است و به اقسام ذیل تقسیم می شود‪.‬‬ ‫‪ -1‬عیوب نقطه ای یا صفربعدی‬ ‫‪ -2‬عیوب خطی یا یک بعدی‬ ‫‪ -3‬عیوب سطحی یا دو بعدی‬ ‫‪ -4‬عیوب حجمی یا سه بعدی‬  ‫عیوب نقطه ای‬ ‫این نوع از عیوب به اندازه یک اتم هستند‪.‬مشهورترین نوع عیب نقطه ای جای خالی‬ ‫(‪ )vacancy‬است که نشان دهنده عدم حضور اتم در مکان کریستالی خود است‪.‬تمامی‬ ‫بلورها این عیب را دارند‪.‬تعداد جاهای خالی در یک جامد به دما وابستگی شدیدی دارد‬ ‫و از فرمول زیر محاسبه می شود که ‪ T, K, N‬به ترتیب دما برحسب کلوین‪ ،‬ثابت‬ ‫بولتزمن و تعداد کل مکانهای اتمی در ساختار مد نظر است‪.‬عبارت ‪ Q‬انرژی الزم برای‬ ‫ایجاد ویکنسی است‪.‬‬ ‫ثابت بولتزمن‬ ‫تعداد جای خالی‬ ‫یکی دیگر از عیوب نقطه ای که در ساختار جامدات بلورین وجود دارد عیب بین نشینی‬ ‫است‪.‬‬ ‫به این معنی که یک اتم مشخص از جایگاه اتمی اصلی خود خارج شده و در یک فضای‬ ‫بین اتمی قرار گیرد‪.‬‬ ‫در فلزات عموما این عیب بسیار کمتر اتفاق می افتد زیرا فضای بین اتمی برای قرارگیری‬ ‫اتمهای فلزی بسیار کوچک است و اعوجاج زیادی در اطراف خود ایجاد می کند‪.‬‬  ‫عیوب نقطه ای‬ ‫حل مسئله‪:‬‬ ‫تعداد جاهای خالی تعادلی در هر مترمکعب فلز مس را در دمای هزار درجه سانتی گراد محاسبه کنید‪.‬اطالعات زیر‬ ‫موجود است‪.‬‬ ‫جرم اتمی و چگالی مس در هزار درجه سانتی گراد به ترتیب برابر ‪ 63.5 g/mol‬و ‪ 8.4 g/cm3‬است‪.‬‬  ‫عیوب نقطه ای‬ ‫‪1‬‬ ‫محلول جامد‬ ‫اضافه کردن اتمهای ثانویه به فلز منجر به ساخت محلول جامد می‬ ‫شود که آلیاژی از حداقل دو اتم مختلف است‪.‬در محلول جامد‬ ‫اتمهای حل شونده (جز دوم یا ناخالصی) به حالل که اتمهای اولیه‬ ‫است اضافه می شود اما فاز اضافی تشکیل نمی شود و ساختار اولیه‬ ‫حفظ می شود‪.‬‬ ‫اگر اتمهای حل شونده در یک مکان اتم حالل قرار گیرند محلول‬ ‫جامد جانشینی و اگر اتمهای حل شونده به اندازه ای کوچک باشند‬ ‫(کربن و نیتروژن) که در فضای بین اتمی قرار گیرند محلول جامد‬ ‫بین نشین تشکیل می شود‪.‬‬ ‫به عنوان مثال برنج (آلیاژ مس و روی) محلول جامد جانشین است‬ ‫که در درصدهای مختلف می تواند تشکیل شود‪.‬‬ ‫برای محلول جامد بین نشین می توان فوالدها (تا ‪ )%2‬را مثال زد که‬ ‫اتمهای کربن در مکانهای بین نشینی ساختار آهن قرار گرفته اند‪.‬‬  ‫عیوب خطی‬ ‫این نوع از عیوب به صورت نقطه نبوده و به شکل یک خط در نظر گرفته می شود‪.‬مشهورترین مثال از‬ ‫عیوب خطی نابجایی ها (‪ )dislocation‬هستند که شامل دو نوع نابجایی لبه ای و پیچشی اند‪.‬‬ ‫نابجایی یک عیب در ساختار بلور است که منجر به انحراف یک سری اتمها از راستای اصلی خود می‬ ‫شود‪.‬‬ ‫نابجایی لبه ای (‪ )edge dislocation‬در حقیقت یک نیم صفحه اضافی در ساختار بلور است که‬ ‫باعث می شود یک پله اضافی از لبه بلور بیرون بزند‪.‬در قسمتی که نیم صفحه اضافی وجود دارد اتمها‬ ‫تحت تنش فشاری و در قسمت دیگر تحت تنش کششی هستند‪.‬‬ ‫نابجایی پیچشی (‪ )screw dislocation‬منجر به پیچ خوردن یک قسمت از بلور می شود‪.‬یعنی‬ ‫قسمت باالیی بلور نسبت به قسمت پایینی به سمت راست شیفت پیدا می کند و قسمت پایینی نیز به‬ ‫همین ترتیب به سمت چپ شیفت می کند‪.‬‬ ‫بسیاری از نابجایی ها در بلور ترکیبی از نابجایی لبه ای و پیچی هستند به این حالت نابجایی مختلط یا‬ ‫حلقه گفته می شود‪.‬‬ ‫نابجایی لبه ای‬ ‫نابجایی پیچی‬ ‫نابجایی مختلط‬ ‫نابجایی ها زیر میکروسکوپ الکترونی عبوری‬  ‫عیوب صفحه ای‬ ‫عیوب صفحه ای دو بعدی اند و شامل مرزدانه ها ‪ ،‬مرز بین فازها‪ ،‬صفحات خارجی بلور است‪.‬‬ ‫صفحات خارجی بلور به دلیل اینکه اتمهایی که روی این صفحات وجود دارد نتوانسته اند عدد‬ ‫همسایگی خود را تکمیل کنند و باندهای کاملی ندارند جزو عیوب سطحی طبقه بندی می‬ ‫شوند‪.‬‬ ‫مرزدانه ها جزو عیوب سطحی اند و دانه هایی که در جهتهای مشخصی رشد کرده اند ازهم جدا‬ ‫می کنند و در مرزها یک سری عدم تطابق اتمی وجود دارد‪.‬‬ ‫مرز بین فازی شامل مرزی است که دو فاز مجزا که خواص فیزیکی مختلفی دارند را از هم جدا‬ ‫می کند‪.‬‬ ‫مرزدانه ها‬  ‫عیوب حجمی‬ ‫ابعاد این نوع عیوب در مقایسه با سایر عیوب بزرگتر است و اصطالحا عیوب سه بعدی گفته می شوند‪.‬همانند ترکها‪،‬‬ ‫سوراخها و حفرات گازی‪.‬این نوع عیب در ساخت فلزات پدید می آید‪.‬‬ ‫تمرینات کریستالوگرافی‬ ‫اندیس صفحات و جهات را تعیین کنید‪.‬‬ ‫تمرینات کریستالوگرافی‬ ‫اندیس صفحات و جهات را تعیین کنید‪.‬‬ ‫تمرینات کریستالوگرافی‬ ‫تمرینات کریستالوگرافی‬  ‫انتقال الکتریکی در جامدات‬ ‫مفهوم مقاومت و رسانندگی الکتریکی‪ :‬مقاومت الکتریکی در حالت کلی مفهومی است که برای مقاومت یک‬ ‫ماده در برابر حرکت الکترونها مطرح می شود و رسانندگی عکس مفهوم مقاومت است‪.‬‬ ‫رسانندگی الکتریکی و رسانندگی یونی‪ :‬در حالت کلی می توان گفت جریان ناشی از شارش ذرات باردار‬ ‫(یونها یا الکترونها) است و زمانی که تحت میدان الکتریکی خارجی قرار می گیرند این ذرات باردار شروع به‬ ‫حرکت می کنند‪.‬بدین ترتیب ذرات مثبت در جهت میدان و ذرات منفی در خالف جهت میدان خارجی به‬ ‫حرکت در می آیند‪.‬‬ ‫در بیشتر مواد جریان از حرکت الکترونها حاصل می شود که جریان الکتریکی و در مواد یونی جریان ناشی‬ ‫از حرکت یونها است بنابراین هدایت یا الکتریکی است یا یونی‪.‬‬  ‫انتقال الکتریکی در جامدات‬ ‫طیف وسیعی از مواد جامد بر اساس هدایت الکتریکی طبقه بندی شده اند و خواص مختلفی از خود نشان‬ ‫می دهند‪.‬‬ ‫مواد در حالت کلی به سه دسته رسانا (فلزات)‪ ،‬نیمه هادی ها و مواد عایق الکتریکی طبقه بندی می شوند‪.‬‬ ‫رسانندگی الکتریکی فلزات ‪ 107 (Ω.m)-1‬است که مقدار زیادی بوده‪ ،‬رسانندگی مواد عایق ‪10-10‬الی ‪10-‬‬ ‫‪ 20‬و رسانندگی نیمه هادی ها در بازه ‪ 10-6‬الی ‪ 104‬است‪.‬بنابراین فلزات با اختالف بسیار زیادی در دسته‬ ‫مواد هادی الکتریسیته قرار گرفته اند‪.‬‬  ‫نظریه نوار در جامدات‬ ‫در تمامی مواد رسانا‪ ،‬نیمه رسانا و بسیاری از مواد عایق فقط رسانندگی الکتریکی وجود دارد و بزرگی‬ ‫رسانندگی الکتریکی به تعداد الکترونهایی که در رسانش شرکت می کنند بستگی دارد‪.‬‬ ‫اما باید این نکته را اضافه کرد که تمامی الکترونهایی که در ماده وجود دارند در رسانش و در حضور میدان‬ ‫الکتریکی شرکتی ندارند‪.‬برای روشن کردن این مفهوم نیاز است سطوح انرژی را مرور کنیم‪.‬‬ ‫یک اتم منفرد دارای سطوح انرژی مشخص است که الکترونها این سطوح را اشغال کرده اند‪.‬سطوح انرژی‬ ‫شامل الیه و زیرالیه ها هستند‪.‬الکترونها از سطوح پایین انرژی به سطوح باالتر شروع به اشغال کردن می‬ ‫کنند‪.‬به شکل توجه کنید‪.‬‬ ‫نظریه نوار در جامدات‬  ‫نظریه نوار در جامدات‬ ‫یک ماده جامد از تعداد بسیار زیادی اتم تشکیل شده است که باهم پیوند برقرار کرده اند بنابراین وقتی اتمها به همدیگر‬ ‫نزدیک می شوند هر سطح انرژی به بی نهایت سطح انرژی تفکیک می شود که بسیار به هم نزدیک هستند که اصطالحا به‬ ‫این حالت نوارهای انرژی گفته می شود‪.‬پس در جامدات نوار انرژی داریم نه سطوح مجزا‪.‬‬ ‫نظریه نوار در جامدات‬  ‫خواص الکتریکی جامدات بر اساس نظریه نوار‬ ‫خواص الکتریکی مواد جامد بر اساس نوارهای بیرونی الکترونی و نحوه پر شدن آنها با الکترون بستگی دارد‪.‬بر این اساس‬ ‫مواد به چند دسته تقسیم بندی می شوند به شکل زیر توجه کنید‪.‬‬ ‫تعریف نوار ظرفیت‪ :‬آخرین نوار پر از الکترون نوار ظرفیت گفته می شود (صفر کلوین)‪.‬‬ ‫تعریف نوار رسانش‪ :‬نواری است که خالی از الکترون است (صفر کلوین)‪.‬‬ ‫تعریف سطح فرمی‪ :‬به باالترین سطح انرژی (صفر کلوین) که پر از اتم باشد سطح فرمی گفته می شود یعنی باالی سطح‬ ‫فرمی دیگه الکترونی وجود ندارد‪.‬‬ ‫گاف نواری یا بندگپ‪ :‬به اختالف انرژی مابین نوار ظرفیت و رسانش گاف نواری گفته می شود‪.‬‬ ‫خواص الکتریکی جامدات بر اساس نظریه نوار‬  ‫رسانش مواد با توجه به نظریه نوار‬ ‫نکته‪ :‬فقط الکترونهای نوار رسانش در رسانندگی یک ماده تاثیر دارند یعنی الکترونهایی که باالی سطح فرمی هستند‬ ‫زیرا فقط الکترونهای نوار رسانش قابلیت تحرک دارند و الکترونها در نوار ظرفیت قفل هستند و نمی توانند حرکت‬ ‫کنند‪.‬‬ ‫نکته‪ :‬یک الکترون در مواد نیمه هادی و عایق می تواند نوار ظرفیت را به مقصد نوار رسانش ترک کند‪.‬جای خالی‬ ‫الکترون در نوار ظرفیت حفره (‪ )hole‬نامیده می شود و دارای بار مخالف الکترون (مثبت) است‪.‬‬  ‫رسانندگی در فلزات‬ ‫به علت نزدیک بودن انرژی نوار ظرفیت و رسانش الکترونهای نوار ظرفیت در فلزات تنها با دریافت بخش کوچکی از‬ ‫انرژی به نوار رسانش منتقل می شود و می توانند در رسانندگی نقش ایفا کنند‪.‬چون تعداد الکترونها در نوار رسانش زیاد‬ ‫است فلزات رسانندگی باالیی دارند‪.‬‬ ‫در فلزات نوار رسانش در دمای اتاق پر از الکترون است و وقتی تحت میدان الکتریکی قرار بگیرد الکترونهای رسانش‬ ‫شروع به حرکت می کنند‪.‬‬  ‫رسانندگی در نیمه هادی ها و مواد عایق‬ ‫در نیمه هادی ها به دلیل وجود گاف انرژی بین نوار ظرفیت و رسانش الکترونهای نوار ظرفیت به انرژی حداقل برابر گاف (تامین‬ ‫انرژی از طریق دما) نیاز دارند تا بتوانند به نوار رسانش حرکت کنند بنابراین تعداد الکترونهایی که در نوار رسانش قرار می‬ ‫گیرد نسبت به فلزات کمتر است و طبیعتا رسانندگی کمتری نیز دارند‪.‬‬ ‫در مواد عایق به علت اینکه گاف انرژی یک مقدار بسیار بزرگی است تامین انرژی برای ترک الکترون نوار ظرفیت به رسانش‬ ‫زیاد است و عمال الکترونهای بسیار کمی در نوار رسانش وجود دارند‪.‬‬  ‫خواص مکانیکی فلزات‬ ‫اهمیت خواص مکانیکی‪ :‬بسیاری از مواد از جمله فلزات در مواقع انجام وظیفه تحت تنش یا بارهای‬ ‫مختلفی قرار می گیرند‪.‬به عنوان مثال محور فوالدی اتومبیل‪ ،‬یا بال هواپیما که یک آلیاژ آلومینیومی‬ ‫است تحت بارهای مختلفی قرار می گیرند‪.‬در چنین شرایطی نیاز است که خواص مکانیکی مواد بررسی‬ ‫شوند تا طراحی ها به گونه ای باشند که منجر به شکست نشوند‪.‬تنش اعمال شده به مواد می تواند‬ ‫کششی‪ ،‬فشاری یا خمشی باشد که با زمان ممکن است ثابت باشد یا با گذشت زمان این تنشها کم و‬ ‫زیاد شوند (نوسانی باشند)‪.‬‬ ‫خواص مکانیکی مواد‪ :‬به ویژگی هایی از ماده گفته می شود که نشان دهنده رفتار مواد حین اعمال نیرو‬ ‫می باشد‪.‬‬ ‫استحکام‪ ،‬سختی‪ ،‬سفتی‪ ،‬تافنس (چقرمگی) و داکتیلیته (انعطاف پذیری) از خواص مکانیکی مواد‬ ‫هستند‪.‬‬  ‫مفاهیم تنش و کرنش‬ ‫در حالت کلی تنش می تواند فشاری (‪ ،)compressive‬کششی (‪ ،)tensile‬برشی (‪ )shear‬و یا‬ ‫پیچشی (‪ )torsion‬باشد‪.‬‬  ‫اهمیت تست کشش‬ ‫بسیاری از مفاهیم مکانیکی با تست کشش بیان می شود‪.‬‬ ‫آزمون یا تست کشش‪ :‬یک نمونه یا سمپل در دستگاه کشش قرار می گیرد که فک باالیی دستگاه ثابت است و فک پایینی با حرکت‬ ‫به سمت پایین نیروی کششی در راستای طول نمونه وارد می شود تا نمونه دچار کشیدگی‪ ،‬افزایش طول و نهایتا دچار شکست شود‪.‬‬ ‫طی این تست نیروی وارده و تغییر طول در کامپیوتر ضبط می شود‪.‬‬  ‫تنش و کرنش مهندسی‬ ‫تنش مهندسی از تقسیم نیروی لحظه ای وارده بر سطح مقطع اولیه نمونه حاصل می شود‪.‬‬ ‫واحد تنش مهندسی مگا پاسکال است که معادل ‪ 106‬نیوتن بر مترمربع است‪.‬‬ ‫کرنش مهندسی از تقسیم تغییرات طول بر طول اولیه نمونه حاصل می شود‪.‬‬ ‫کرنش یک مفهوم بدون واحد است و معموال بصورت درصد بیان می شود‪.‬‬  ‫تغییر شکل االستیک‬ ‫بسته به مقدار تنش اعمالی بر نمونه تغییر شکل ایجاد شده می تواند در درجات و مقادیر مختلفی ایجاد شود‪.‬برای‬ ‫فلزات زمانی که تنش در مقادیر کمی اعمال می شود تنش و کرنش رابطه خطی دارند که این به قانون هوک معروف‬ ‫است‪.‬در این رابطه ‪ E‬مدول االستیک یا مدول یانگ است که واحد ‪ GPa‬یا ‪ psi‬دارد‪.‬‬  ‫تغییر شکل االستیک‬ ‫تا زمانی که قانون هوک بین تنش و کرنش برقرار باشد تغییر شکل نمونه به صورت االستیک است و دائمی نیست‬ ‫یعنی با آزادسازی نمونه از تنش تغییر شکل نمونه به حالت اولیه خود باز می گردد‪.‬‬ ‫اگر منحنی تنش‪ -‬کرنش را در منطقه االستیک ترسیم کنیم‪ ،‬شیب نشان دهنده مدول االستیک است‪.‬‬ ‫تغییر شکلی که در منطقه االستیک صورت می گیرد تغییر شکل دائمی نیست‪.‬‬ ‫کمیت سفتی‪ :‬مدول االستیک یک ماده نمایانگر کمیت‬ ‫سفتی است‪.‬هرچه ماده ای سفت تر باشد مدول االستیک‬ ‫باالتری دارد بنابراین در یک تنش اعمالی مشخص ماده ای‬ ‫که سفتی باالتری دارد کرنش االستیک کمتری از خود نشان‬ ‫می دهد‪.‬‬  ‫تغییر شکل پالستیک‬ ‫برای بسیاری از فلزات تغییر شکل االستیک تا کرنشهای حدودی ‪0.005‬‬ ‫اتفاق می افتد و با عبور ازین مرحله دیگر قانون هوک بین تنش و کرنش‬ ‫برقرار نخواهد بود بنابراین منطقه االستیک به پایان می رسد و فلز وارد‬ ‫منطقه پالستیک می شود که تغییر شکل به صورت دائمی است و با حذف‬ ‫تنش به حالت اولیه باز نمی گردد‪.‬‬ ‫شکل روبرو منحنی کشش بر اساس کرنش را نشان می دهد‪.‬‬  ‫مشخصات در منحنی کشش‬ ‫تسلیم شدن‪ :)Yielding( :‬مفهومی است که در فلزات زمانی که‬ ‫منحنی وارد منطقه پالستیک شده است و طبق قرار داد از‪0.002‬‬ ‫کرنش موازی منطقه االستیک ترسیم می شود تا تنشی حاصل شود‬ ‫که به آن تنش تسلیم می گویند‪.‬پس وقتی فلز تنش تسلیم خود را‬ ‫رد کند عمال کارایی خود را از دست داده است‪.‬زنگ خطر کاربرد یک‬ ‫فلز در شرایط تحت تنش‪ ،‬تنش تسلیم است‪.‬در حالت کلی تنش‬ ‫تسلیم تنشی است که ماده از تغییر شکل االستیک به پالستیک عبور‬ ‫می کند اما چون تعیین نقطه ‪ P‬در عمل دشوار است قرارداد باال برای‬ ‫تعیین تنش تسلیم استفاده می شود‪.‬‬  ‫مشخصات در منحنی کشش‬ ‫تسلیم شدن‪ :)Yielding( :‬برای برخی مواد فلزی مثل فوالدهای کم‬ ‫کربن منحنی کشش دارای دو نقطه تسلیم باالیی و پایینی است یعنی‬ ‫شروع منطقه پالستیک به صورت نوسانی از کم و زیاد شدن تنش با‬ ‫افزایش کرنش است‪.‬معموال نقطه تسلیم پایینی به علت سهولت‬ ‫اندازه گیری به عنوان نقطه تسلیم ماده گزارش می شود‪.‬‬ ‫استحکام کششی (‪)UTS‬‬ ‫پس از تسلیم فلز تغییر شکل پالستیک آغاز می شود و‬ ‫میزان تنش تا حد ماکزیمم خود افزایش می یابد (نقطه‬ ‫‪.)M‬پس از این نقطه تنش کششی کاهش می یابد و‬ ‫نهایتا فلز در نقطه ‪ F‬قطعه دچار شکست می شود‪.‬‬ ‫استحکام کششی حداکثری (‪ )UTS‬ماکزیمم مقدار تنش‬ ‫در منحنی تست کششی است به این معنی که اگر این‬ ‫تنش به فلز مورد نظر اعمال شود و ادامه دار باشد‬ ‫شکست به صورت قطعی اتفاق می افتد‪.‬‬ ‫پس از نقطه ‪ UTS‬نمونه شروع به گلویی شدن می کند‬ ‫یعنی از قسمتی در اواسط نمونه شروع به نازک شدن‬ ‫می کند و نهایتا شکست از نقطه گلویی اتفاق می افتد‪.‬‬ ‫داکتیلیته (‪)DUCTILITY‬‬ ‫داکتیلیته یکی از کمیتهای مکانیکی است که نشان دهنده مقدار‬ ‫تغییر شکل پالستیک قبل از شکست است‪.‬فلزی که تغییر شکل‬ ‫پالستیک کمی از خود نشان دهد و شکست زود هنگامی داشته‬ ‫باشد اصطالحا ترد (‪ )brittle‬گفته می شود‪.‬داکتیلیته برحسب‬ ‫طول و یا مساحت به صورت درصدی بیان می شود‪.‬بسیاری از‬ ‫فلزات در دمای اتاق داکتیلیته متوسطی دارند و برخی از آنها در‬ ‫دماهای پایین ترد می شوند‪.‬‬ ‫مقایسه چند خاصیت مکانیکی برای فلزات مختلف در دمای اتاق‬  ‫رزیلنسی یا برجهندگی (‪)RESILIENCE‬‬ ‫قابلیت یک فلز برای جذب انرژی در منطقه االستیک را برجهندگی می گویند‪.‬در‬ ‫حالت کلی می توان گفت برجهندگی سطح زیر نمودار تنش‪ -‬کرنش در تست کشش‬ ‫است‪.‬واحد ‪ J/m3,‬یا ‪Pa‬‬ ‫اگر منطقه االستیک به صورت خطی باشد‬  ‫چقرمگی یا تافنس‬ ‫تافنس یا تافنس شکست پارامتری است که مقاومت یک فلز در برابر شکست پس از ایجاد ترک یا‬ ‫عیوب را نشان می دهد‪.‬اما باید اشاره کرد تولید فلز بدون عیب غیر ممکن است ‪.‬در حالت کلی پارامتر‬ ‫تافنس به صورت قابلیت جذب انرژی برای یک فلز در منطقه پالستیک و قبل از شکست را نشان می‬ ‫دهد‪.‬‬ ‫تافنس شکست برای کرنشهای با مقدار باال توسط آزمون ضربه اندازه گیری می شود (‪)Impact test‬‬ ‫اما اگر مقدار کرنش کم باشد (تنش استاتیکی) از سطح زیر نمودار تنش‪ -‬کرنش در منطقه پالستیک در‬ ‫تست کشش می توان بهره برد‪.‬‬ ‫واحد تافنس همان واحد برجهندگی است‪.‬‬ ‫در حالت کلی ماده ای استقامت کافی دارد که ترکیبی از استحکام تسلیم‪ ،‬کششی‪ ،‬تافنس و داکتیلیته‬ ‫خوبی داشته باشد‪.‬‬  ‫سختی (‪)HARDNESS‬‬ ‫سختی یکی دیگر از خواص مکانیکی مهم است که به صورت مقاومت در برابر فرورفتگی (تغییر شکل‬ ‫پالستیک) تعریف می شود‪.‬سختی مواد با آزمون سختی سنجی انجام می شود‪.‬در این آزمون یک فرو‬ ‫رونده توسط نیرویی به سطح فلز مد نظر وارد می شود و مقدار عمق و بزرگی فرو رفتگی روی فلز مورد‬ ‫ارزیابی قرار می گیرد‪.‬مواد نرم عمق فرو رفتگی بیشتری و مواد سخت عمق فرو رفتگی کوچکتری دارند‪.‬‬ ‫انواع روشهای سختی سنجی ‪:‬‬ ‫‪ -1‬سختی سنجی راکول (‪:)Rockwell Hardness test‬‬ ‫فرو رونده در سختی سنجی به روش راکول به شکل کره ای است که جنس کره ها بسیار سخت هستند‬ ‫(فوالدی) و یک فرورونده مخروطی (الماسی) برای مواد بسیار سخت استفاده می شود که اصطالحا سختی‬ ‫سنجی سوپرفیشیال نامیده می شود‪.‬تفاوت در این سختی ها به مقدار نیروی اعمال شونده بستگی دارد‬ ‫و در سختی سوپرفیشیال مقدار نیروی اعمالی کمتر است‪.‬نحوه گزارش سختی با واحد راکول به صورت‬ ‫‪ HR‬بیان می شود مثال ‪ 80‬راکول‪.‬در روش سختی سنجی به روش راکول نیروی اولیه با مقدار ‪ 10‬کیلوگرم‬ ‫به سطح اعمال می شود که کمک کننده برای دقت بیشتر است و سپس نیروی ثانویه با مقدار ‪ 100 ،60‬و یا‬ ‫‪ 150‬کیلوگرمی اعمال می شود و عمق فرو رفتگی روی فلز توسط دستگاه اندازه گیری می شود و به‬ ‫صورت نسبی عدد سختی بر حسب راکول گزارش می شود‪.‬‬  ‫سختی (‪)HARDNESS‬‬ ‫‪ -2‬سختی سنجی برینل (‪:)Brinell Hardness test‬‬ ‫مشابه روش راکول فرو رونده به شکل کره است که از جنس کاربید تنگستن و فوالد سخت شده است‪.‬‬ ‫نیروی اعمالی مابین ‪ 500‬الی ‪( 3000‬برای مواد سخت تر نیروی بیشتر) کیلوگرم به سطح وارد می شود و به‬ ‫مدت زمان ‪ 10‬الی ‪ 30‬ثانیه نگه داشته می شود تا اثری روی سطح ایجاد شود‪.‬سپس قطر اثر اندازه گیری‬ ‫شده به سختی برینل (‪ )HB‬گزارش می شود‪.‬‬ ‫‪ -3‬سختی سنجی به روش ویکرز (‪)Vickers Hardness test‬‬ ‫فرو رونده به شکل منشور (از جنس الماس) وارد سطح می شود و نیروی اعمالی کمتر از دو روش قبلی‬ ‫است ‪ 1‬الی ‪ 1000‬گرم‪.‬بر اساس قطر اثر چهار گوشی ایجاد شده روی سطح سختی با مقدار ویکرز گزارش‬ ‫می شود (‪)HV‬‬ ‫خالصه ای از خواص مکانیکی مطالعه شده‬ ‫بازیابی و تبلور مجدد و رشد دانه ( ‪RECOVERY, RECRYSTALLIZATION, GRAIN‬‬ ‫‪)GROWTH‬‬ ‫در اثر اعمال تغییر شکل پالستیک در دمای پایین و تحرک نابجایی ها‬ ‫مقداری انرژی کرنشی در فلزات ذخیره می شود به این عملیات کار‬ ‫سرد (مثل نورد) گفته می شود‪.‬هدف از کار سرد افزایش سختی و‬ ‫استحکام فلزات است اما این عملیات قابل بازگشت به حالت اولیه‬ ‫هستند‪.‬این عملیات بازگردانی فلز به حالت اولیه یک عملیات حرارتی‬ ‫یا آنیلینگ گفته می شود که با افزایش دمای فلز انجام می شود و در‬ ‫سه مرحله به ترتیب بازیابی‪ ،‬تبلور مجدد و رشد دانه انجام می پذیرد‬ ‫که در ادامه به ترتیب این مراحل را بررسی می کنیم‪.‬‬ ‫‪ -1‬بازیابی‪ :‬در این مرحله مقداری از انرژی کرنشی ایجاد شده توسط‬ ‫ترکیب نابجایی ها ازبین می رود یعنی نابجایی های مثبت و منفی‬ ‫همدگیر را حذف می کنند و نابجایی پیچی چپ گرد و راست گرد نیز‬ ‫باهم ترکیب شده و ازبین می روند‪.‬خواص حرارتی و الکتریکی فلزات‬ ‫در این مرحله به حالت اولیه یعنی قبل از کار سرد باز می گردد‪.‬‬ ‫‪ -2‬تبلور مجدد‪ :‬بعد از بازیابی حتی دانه های فلز‬ ‫در حالت پرانرژی خود قرار دارند‪.‬در تبلور مجدد‬ ‫یک سری دانه های جدید هم محور در سراسر‬ ‫فلز شروع به تشکیل می کند که عاری از کرنش‬ ‫هستند‪.‬بدین ترتیب یک سری دانه جدید عاری‬ ‫از کرنش با تعداد بسیار کمتر نابجایی از مرحله‬ ‫داشت‪.‬‬ ‫خواهیم‬ ‫دوم‬ ‫و‬ ‫اول‬ ‫در این مرحله خواص مکانیکی فلز به حالت قبل‬ ‫از کار سرد باز می گردد بنابراین فلز ضعیفتر و‬ ‫نرم تر می شود‪.‬شکل مراحل تبلور مجدد و‬ ‫ایجاد دانه های جدید و ازبین رفتن مرحله ای‬ ‫دانه های اولیه را نشان می دهد‪.‬‬ ‫دمای تبلور مجدد کمتر از نصف دمای ذوب و‬ ‫بیشتر از یک سوم دمای ذوب است اما مهمترین‬ ‫نکته در دمای تبلور مجدد درصد کار سرد اولیه‬ ‫است به طوری که هرچه درصد کارسرد بیشتر‬ ‫باشد دمای تبلور مجدد کمتر می شود‪.‬‬ ‫‪ -3‬رشد دانه‪ :‬پس از مرحله تبلور مجدد اگر فلز مورد نظر در دمای مورد نظر رها شود دانه های ایجاد‬ ‫شده شروع به رشد می کنند یعنی مرزها شروع به حرکت می کنند دانه های بزرگ با دانه های‬ ‫کوچک ادغام می شوند بدین ترتیب چگالی مرزدانه ها کاهش می یابد و تعداد دانه ها نیز کمتر می‬ ‫شود اما ابعاد دانه ها بزرگتر خواهند بود‪.‬‬  ‫در مرحله رشد دانه رابطه زیر برقرار است‪.‬‬ ‫‪D,d0,n,k,t‬به ترتیب برابر با اندازه دانه در زمان ‪ ،t‬اندازه دانه اولیه در زمان صفر‪،‬‬ ‫‪ n‬و ‪ k‬ثوابت غیر وابسته به زمان هستند‪.‬‬  ‫شکست (‪)FAILURE‬‬ ‫پدیده شکست در مهندسی یک پدیده مضر و ناخواسته است که منجر به خساراتی نظیر از بین‬ ‫رفتن زمان‪ ،‬اتالف هزینه و سرمایه‪ ،‬کاهش تولید و بهره وری می شود‪.‬بنابراین نیاز است دالیل و‬ ‫عوامل مختلف که منجر به شکست می شوند مورد بررسی قرار گیرند و شناخته شوند تا از بروز این‬ ‫پدیده جلوگیری شود‪.‬‬ ‫شکست منجر به تکه شدن قطعات به دو یا چند بخش می شود که کاراریی قطعات را از بین می برد‪.‬‬ ‫شکست می تواند در اثر پدیده های خستگی‪ ،‬خزش و یا خوردگی اتفاق بیفتد‪.‬در حالت کلی‬ ‫شکست به دو صورت ترد و نرم اتفاق می افتد (‪.)brittle or ductile‬فلزاتی که شکست نرم را‬ ‫تجربه می کنند در حقیقت قبل از نقطه شکست تغییر شکل پالستیک زیادی تجربه می کنند و‬ ‫انرژی جذب شده زیادی دارند‪.‬در مقابل در شکست ترد تغییر شکل پالستیک قبل از شکست‬ ‫بسیار اندک و ناچیز است‪.‬‬ ‫شکست شامل دو مرحله است ‪ -1 :‬ایجاد ترک ‪ -2‬رشد ترک در شکست نرم مرحله رشد ترک‬ ‫طوالنی مدت بوده و زمان زیادی نیاز دارد اما در شکست ترد مرحله رشد به علت تغییر شکل‬ ‫پالستیک اندک به سرعت سپری می شود‪.‬در حالت کلی تالشها بر این است که در طراحی ها از‬ ‫وقوع شکست ترد جلوگیری شود زیرا شکست ترد ناگهانی و مخرب است‬ ‫شکست نرم‬ ‫شکست نرم در مقیاس ماکروسکوپیک به دو صورت دیده می‬ ‫شود‪ -1.‬شکست مخروط فنجان (‪ -2 )cup and cone‬شکست‬ ‫بسیار نرم‪.‬تفاوت این دو در سطح مقطع شکست و درجه تغییر‬ ‫شکل پالستیکی است که رخ می دهد در شکست بسیار نرم‬ ‫تغییر شکل پالستیک فلز در حداکثر مقدار خود است اما این‬ ‫مورد برای فلزات بسیار خالص تولید شده مثل سرب بسیار‬ ‫خالص می تواند رخ دهد و در عمل شکست مخروط فنجان رایج‬ ‫تر است‪.‬‬ ‫در شکست بسیار نرم‪ ،‬کاهش سطح مقطع ‪ %100‬بوده و شکست‬ ‫دقیقا از یک نقطه صورت می گیرد‪.‬‬ ‫شکست مخروط فنجان گلویی شدن به طور متوسط صورت می‬ ‫گیرد و کاهش سطح مقطع کمتر است‪.‬‬ ‫مراحل شکست مخروط فنجان‬ ‫شکل اول نشان دهنده آغاز گلویی شدن است در مرحله بعدی ریز‬ ‫حفره هایی از منطقه گلویی شده شروع به تشکیل می کند در شکل‬ ‫سوم با ادامه تغییر شکل پالستیک ریز حفرات شروع به رشد می‬ ‫کنند و به همدیگر می پیوندند تا یک ترک کامل به شکل بیضی ایجاد‬ ‫شود‪.‬طول ترک ایجاد شده عمود بر نیروی اعمالی است‪.‬در شکل ‪d‬‬ ‫ترک شروع به رشد می کند تا به انتهای منطقه گلویی از هر دو طرف‬ ‫برسد و نهایتا در شکل ‪ e‬کامال دو طرف از همدیگر جدا می شوند‪.‬‬ ‫مقایسه ماکروسکوپیک شکست ترد و شکست مخروط فنجان‬  ‫مقایسه مقطع شکست ترد و نرم‬ ‫شکست نگاری مطالعه سطح مقطع شکست به منظور تشخیص نوع شکست و جزئیاتی دیگر است‪.‬‬ ‫در شکست ترد ترک ایجاد شده عمود بر جهت نیروی وارده شروع به رشد می کند که تغییر شکل پالستیک کمتری نیز رخ می دهد‪.‬از‬ ‫لحاظ شکست نگاری در شکست ترد الگوهایی در مقطع شکست ایجاد می شود که به شکل ‪ V‬هستند و ‪ Chevron‬نامیده می شوند‪.‬این‬ ‫الگوها به شکل جهت هستند که نوک پیکانها نشان دهنده محل شروع ترک را نشان می دهد‪.‬این الگوها معموال به اندازه ای بزرگ‬ ‫هستند که با چشم غیر مسلح قابل دیدن هستند‪.‬‬  ‫مقایسه مقطع شکست ترد و نرم‬ ‫در مقیاس میکروسکوپیک در مقطع شکست نرم یک سری حفرات و چاله های کوچک با اصطالح ‪ dimple‬تشکیل می شوند که در‬ ‫مقیاس میکروسکوپیک شکست ترد این چاله ها وجود ندارند‪.‬‬  ‫خستگی (‪)FATIGUE‬‬ ‫خستگی پدیده ای است که نهایتا منجر به شکست می شود و‬ ‫در اثر بارهای دینامیکی در قطعات ایجاد می شود‪.‬تحت شرایط‬ ‫خستگی شکست در قطعات در تنشهای پایینتر از ‪ UTS‬و یا‬ ‫حتی تنش تسلیم می تواند رخ دهد بنابراین توجه به این‬ ‫تنش متوسط‬ ‫پدیده مکانیکی و جنبه های مختلف آن ضروری است‪.‬‬ ‫تنش سیکلی‪ :‬تنش سیکلی می تواند کششی‪ ،‬فشاری‪ ،‬خمشی‬ ‫یا برشی باشد‪.‬‬ ‫محدوده تنش‬ ‫انواع تنش سیکلی در شکل نشان داده شده است‪.‬نوع اول‬ ‫تنش سینوسی به شکلی که تنش کششی و فشاری به صورت‬ ‫دامنه تنش‬ ‫متقارن به قطعه وارد می شود‪.‬نوع وسط تنش سیکلی به‬ ‫طوریکه ماکزیمم تنش فشاری وارده کوچکتر از ماکزیمم تنش‬ ‫کششی است و حالت تقارن وجود ندارد‪.‬نوع سوم تنش‬ ‫نسبت تنش‬ ‫سیکلی رندوم است که تقارن چندانی وجود ندارد و معموال در‬ ‫شرایط واقعی این حالت اتفاق می افتد‪.‬‬  ‫شروع ترک خستگی و رشد آن‬ ‫در پروسه خستگی سه مرحله ‪ -1‬پدیداری ترک ‪ -2‬رشد ترک ‪ -3‬شکست نهایی به ترتیب اتفاق افتاده و‬ ‫منجر به از کار افتادگی قطعات می شود‪.‬معموال ترک خستگی از نواحی سطحی و جایی که تنش زیادی‬ ‫وجود داشته باشد (گوشه های تیز قطعات‪ ،‬رزوه ها‪ ،‬دندانه ها) آغاز می شود‪.‬‬ ‫سطح شکست در اثر خستگی دارای دو عالمت است‪ :‬خطوط ساحلی (‪ )bench marks‬و خطوط نازکتر با‬ ‫اصطالح ‪.striation‬خطوط ساحلی نیم دایره هایی هستند که محل شروع ترک را نشان می دهند و با‬ ‫چشم قابل مشاهده هستند و در مرحله رشد ترک و در دوره های زمانی پدیدار می شوند‪.‬اما خطوط‬ ‫‪ striation‬به کمک میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده اند و هرکدام از خطوط نشان دهنده رشد ترک‬ ‫در هر سیکل است‪.‬ممکن است هزاران ‪ striation‬در یک خط ساحلی وجود داشته باشد‪.‬‬ ‫نکته حائز اهمیت این است که سطح ترک خستگی دارای عالئم است و ممکن است رشد ترک به دالیلی‬ ‫غیر از خستگی صورت بگیرد که در این صورت خطوط ساحلی و خطوط نازک را نخواهیم داشت‪.‬به شکل‬ ‫صفحات بعد توجه کنید‪.‬‬ ‫خزش (‪)CREEP‬‬ ‫برخی از قطعات صنعتی در معرض دمای باال و تنش استاتیکی‬ ‫قرار می گیرند که در این شرایط پدیده خزش اتفاق می افتد‪.‬‬ ‫( روتور توربین در موتور جتها‪ ،‬ژنراتورهای بخار‪ ،‬خطوط‬ ‫انتقال بخار)‪.‬خزش به عنوان پدیده وابسته به زمان و دما‬ ‫تعریف می شود که در این شرایط تغییر شکل پالستیک‬ ‫ایجاد شده منجر به شکست و ازبین رفتن کارایی می شود‪.‬‬ ‫شرط اصلی خزش این است که دما بیشتر از نصف دمای ذوب‬ ‫باشد و تنش استاتیکی حضور داشته باشد‪.‬‬ ‫وابستگی سرعت خزش در منطقه خطی به تنش و دما‬ ‫‪ K‬و ‪ n‬و ‪ Q‬به ترتیب ثوابت و انرژی فعالسازی خزش هستند‪.‬‬  ‫دیاگرامهای فازی‬ ‫دیاگرامهای فازی اطالعات مفیدی درباره حالت فیزیکی مواد (نوع فازها) ودر دما و فشار مشخصی را در اختیارمان قرار می‬ ‫دهند‪.‬شکل زیر دیاگرام فازی تک جزئی آب را نشان می دهد که با تغییر فشار و دما می توان حاالت بخار‪ ،‬مایع و یخ را‬ ‫داشت‪.‬‬  ‫دیاگرامهای فازی‬ ‫دیاگرامهای فازی برای سیستمهای آلیاژی اطالعات مهمی را درباره ریزساختار آلیاژی و خواص مکانیکی مواد در اختیار می‬ ‫گذارد