تصنيف المواد الهندسية PDF

‫تصنيف المواد الهندسية‬ ‫المواد الهندسية‪:‬‬...

‫تصنيف المواد الهندسية‬ ‫المواد الهندسية‪:‬‬ ‫معدنية‪:‬‬ ‫‬ ‫حديديّة وغير حديديّة‬ ‫غير معدنية‪:‬‬ ‫‬ ‫عضوية وغير عضوية ومواد مركبة‬ ‫أوالً‪ :‬المواد المعدنية‬ ‫‪3‬‬ ‫أوالً‪ :‬المواد المعدنية‬ ‫‪.‬تتميز المواد المعدنية بالصالبة والمتانة ومقاومة الحرارة و قابليتها للتشغيل‬ ‫والمعالجة ‪ ،‬إال أن هذه الخصائص تختلف من معدن اآلخر فتزداد في بعضها ونقل أحيانا ً في البعض اآلخر‪.‬وقد تمكن العلماء من‬ ‫استخالص أنواع عديدة من المعادن تستخدم في كافة المجاالت الهندسية ‪ ،‬وتنقسم إلى‪:‬‬ ‫مواد أساسية‪ :‬مثل الحديد‪ ،‬االلومنيوم‪،‬النحاس الماغنيسيوم النيكل‪ ،‬الزنك‪،‬القصدير الرصاص‪ ،‬التنجستن‪ ،‬التيتانيوم‪ ،‬الفضة‪ ،‬الزئبق‬ ‫مواد الخالئطية(عناصر السبك)‪ :‬مثل الكروم المنجنيز‪ ،‬الكوبالت‪ ،‬الكادميوم‪ ،‬الفاناديوم‪ ،‬المولبيديوم‬ ‫‪.‬وبشكل عام يمكن تصنيف المواد المعدنية إلى حديدية وغير حديدية‪.‬‬ ‫‪.I‬المعادن الحديدية ‪Ferrous Metals‬‬ ‫يطلق اسم المعادن الحديدية على كافة المعادن التي يدخل الحديد في تكوينها ويمثل فيها نسبة عالية أكثر من غيره‪.‬‬ ‫‪Ferrous‬‬ ‫حديد الزهر ‪:cast irons‬‬ ‫‬ ‫الرمادي ‪Gray‬‬ ‫‪.1‬‬ ‫االبيض ‪white‬‬ ‫‪.2‬‬ ‫المطيلي ‪Ductile‬‬ ‫‪.3‬‬ ‫الطروق ‪mallcable‬‬ ‫‪.4‬‬ ‫الصلب ‪:steels‬‬ ‫‬ ‫‪low alloy:‬‬ ‫‪1. low carbon‬‬ ‫‪2. medium carbon‬‬ ‫‪3. high carbon‬‬ ‫‪high alloy:‬‬ ‫‪1. Tool‬‬ ‫‪2. Stainless‬‬ ‫‪ a‬الحديد الزهر ‪Cast Iron‬‬ ‫ه إن الحديد الزهر الرمادي يعتبر معدنا مفيدا جدا ويحتوي على نسبة عالية من الكربون على هيئة جرافيت حر ويلقى أهمية كبيرة‬ ‫في الصناعة بسبب المزايا التالية‪:‬‬ ‫معدن رخيص ألن إنتاجه قليل التكاليف‪.‬‬ ‫تشغيله سهل بالوسائل المناسبة‪.‬‬ ‫درجة انصهاره منخفضة نسبيا ً ‪CC 1200 -‬‬ ‫يتحمل الضغوط العالية إال أن تحمله للشد قليل نسبيا ً‬ ‫سيولته عالية عند انصهاره مما يجعله مفيدا في عمليات السباكة‬ ‫يمكن معالجته حراريا‪.‬‬ ‫ذاتي التزليق بسبب وجود الجرافيت الحر‪ ,‬لذا يستخدم في صنع المنزلقات‬ ‫(السكك الخاصة باآلالت مثل المخرطة‪.‬‬ ‫ه تستعمل مسبوكات حديد الزهر الرمادي على نحو كبير وهذا يعزى إلى قدرة إنسيابه بسهولة في الممرات الضيقة في القوالب ذات‬ ‫األشكال المعقدة‪.‬‬ ‫‪.‬يعتبر الحديد الزهر الرمادي معدن صلد وهش (قصيف) وله مقاومة عالية للبلي وخاصة عندما تتوفر ظروف تزليق جيدة‪.‬يحوي‬ ‫الحديد الزهر على نسبة (‪ )4-2‬كربون‪.‬يصب حديد الزهر‬ ‫المصهور في قوالب إلنتاج مصبوبات تصنع منها أجزاء اآلالت‪.‬‬ ‫‪.‬من أهم عناصر السبك في حديد الزهر‪ :‬الكربون إما على شكل جرافيت شرائح) أو (كرات أو يتفاعل مع الحديد مكونا السيمنتايت‬ ‫كربيد الحديد)‪.‬‬ ‫السيليكون بنسبة (‪. %3 : )1‬يعمل كملين ويساعد على القابلية للتشغيل‬ ‫المنجنيز بنسبة ‪ )1(: 0.5‬يساعد على تصليد الحديد الزهر‬ ‫الكبريت بنسبة أقل من (‪ ،)1‬حيث إن وجوده له آثار ضارة جدا في سبائك الحديد والكربون النه يعطل تكون الجرافيت ويساعد على‬ ‫جعل المسبوك أبيض ضعيف الخواص الميكانيكية لذا يوصى بإضافة المنجنيز للزهر ليتحد مع الكبريت ويزيل آثاره‬ ‫الفوسفور بنسبة أقل من (‪ )%1‬يساعد على زيادة السيولة‪.‬‬  ‫للتغلب على بعض العيوب المكتسبة في الحديد الزهر العادي والكسابه بعض الخصائص المرغوب فيها مع االبقاء على مميزاته تم‬ ‫تطوير مجموعة من‬ ‫انواع الحديد الزهر السبائكي منها ‪:‬‬ ‫‪ -1‬الحديد الزهر الشوكي ‪ :‬يحتوي في تركيبه على النيكل والموليدنيوم‬ ‫ويستعمل في صناعة اعمدة مرافق محركات‬ ‫‪ Crank Shafts).‬السيارات‬ ‫‪ -2‬الحديد الزهر الكرواني ‪ :‬بإضافة عنصر سبك مثل الماغنيسيوم او‬ ‫السيريوم يتحول المحتوى الجرافيتي من الشكل القشري الى شكل كروي فترتفع مقاومة الشد الحديد الزهر وتحصل على معدن متين‬ ‫يمكن‬ ‫ثنيه وليه‪(.‬انظر شكل (‪))4.3‬‬ ‫‪White Cast Iron:‬‬ ‫هش جدا و مند خواصه الميكانيكية ردينة‬ ‫‬ ‫ال يوجد به كربون حر ورافيت) و إنما يكون الكربون متحد تماما مع الحديد‬ ‫‬ ‫تسخين حديد الزهر األبيض(‪ )White Cast Iron‬إلى حوالي ‪ 900‬درجة مئوية لمدة ‪ 24‬ساعة يحوله إلى‪:‬‬ ‫‪Malleable Cast Iron:‬‬ ‫تعتبر هذه العملية عملية نظرية للحديد الزهر األبيض يتحلل كربيد الحديد ويصبح العديد طريا و تزيد مطولته‬ ‫‬ ‫‪Grey Cast Iron:‬‬ ‫يوجد الكربون منفصال جزئيا على شكل قشور رقيقة موزعة داخل بنية المعدن‬ ‫‬ ‫تكسب هذه القشور الجرافيتية الحرة مقطع الحديد اللون الرمادي كما أنها تضعف من بنية المعدن‬ ‫‬ ‫إضافة عنصر الماغنسيوم أثناء سباكة حديد الزهر الرمادي(‪:)Grey Cast Iron‬‬ ‫‪Ductile Cast Iron:‬‬ ‫يوجد الجرافيت (الكربون الحر) على شكل تجمعات مذكورة أو شبه متكورة‬ ‫‬ ‫يمتاز بجودة خواصه الميكانيكية حيث تزيد مقاومة الشد والمتانة و المطولية‬ ‫‬ ‫‪ )b‬الحديد المطاوع ‪Wrought Iron‬‬  ‫الحديد المطاوع هو الحديد الذي نزع منه معظم ما يحويه من الكربون‪.‬‬ ‫متين ويمكن ثنيه بسهولة فيما لو كان بارداً أو ساخناً‪.‬‬ ‫يصدأ الحديد المطاوع ببطء شديد ويمكن لحامه بسهولة‪.‬‬ ‫غير مناسب للسباكة لعدم وجود عنصر الكربون فيه الذي يساعد على السيولة‪.‬حيث أن الحديد المطاوع ال يسيل بل يتشكل كالعجينة‬ ‫وهذا ال يساعد في عمليات السباكة‪.‬‬ ‫تصنع أعمال الحديد الزخرفية‪ ،‬ومواسير المداخن‪ ،‬وخطوط أنابيب النفط وغيرها من الحديد المطاوع‪.‬‬ ‫‪ )c‬الصلب الكربونی ‪Carbon Steel‬‬ ‫‪.‬إذا كانت نسبة الكربون في سبيكة الصلب تصل إلى ‪ % 1.5‬وال تحتوى على غيره من عناصر السبك فهو صلب كربوني ‪.‬يتم‬ ‫تصنيف الصلب الكربوني حسب النسبة المئوية للكربون الذي يحتويه‪.‬‬ ‫الصلب الكربوني(‪:)Carbon Steel‬‬ ‫الصلب عالي الكربون(‪)High Carbon Steel‬‬ ‫‬ ‫الصلب متوسط الكربون(‪)Medium Carbon Steel‬‬ ‫‬ ‫الصلب منخفض الكربون(‪)Low Carbon Steel‬‬ ‫‬ ‫‪ )e‬صلب العدة ‪Tool Steel‬‬ ‫ه يحتوي صلب العدة بطبيعته إما على نسبة عالية من الكربون أو على محتوى سبانكي عالي‪ ،‬أو على كليهما‪.‬‬ ‫ه هذا النوع من الصلب متين وتصنع منه أدوات القطع والتشكيل وأدوات المخارط والثقب‪.‬‬ ‫‪ )f‬صلب السرعات العالية ‪High Speed Steel‬‬ ‫ه هو عبارة عن سبيكة صلب ذاتية التصليد يمكنها مقاومة الحرارة دون أن تلين‪.‬ه هذه الخصائص تجعل السبيكة مثالية في صنع‬ ‫أدوات القطع التي يمكنها التغلغل في المادة في سرعات أعلى من تلك التي تعمل بها األدوات المصنوعة من الصلب الكربوني‪.‬‬ ‫‪ II‬مواد معدنية غير حديدية‬ ‫‪Non-Ferrous Metallic Materials‬‬ ‫المعادن الالحديدية هي المعادن التي ال تحتوي على الحديد في تركيبها األساسي‪.‬‬ ‫‪.‬تستخدم المعادن غير الحديدية وسبائكها في كثير من األغراض الصناعية وفي صنع المنتجات الهندسية المختلفة حيث يتم تصنيعها‬ ‫بالتشغيل أو التشكيل باألساليب التكنولوجية‪.‬‬ ‫‪.‬تشمل المعادن غير الحديدية مجموعة كبيرة منها على سبيل المثال ال الحصر النحاس وسبائكه ‪ -‬األلومنيوم وسبائكه ‪ -‬الماغنسيوم‬ ‫وسبائكه‪.‬‬  ‫‪ )Aluminum and its Alloys 2‬األلومنيوم و سبائكه(‬ ‫يتميز األلومنيوم و سبائكة بالخصائص التالية‪:‬‬ ‫(‪ )1‬خفة وزن األلومنيوم حيث تصل كثافته إلى ثلث كثافة سبائك الحديد‪.‬‬ ‫(‪ )2‬جيد التوصيل للحرارة والكهرباء‪.‬‬ ‫(‪ )3‬مقاومته للتأكل عالية وذلك لتولد طبقة رقيقة أكسيدية تحميه من المؤثرات‬ ‫الخارجية‪.‬‬ ‫(‪ )4‬درجة انصهاره منخفضة حيث تصل إلى حوالي ‪ 660‬درجة مئوية‬ ‫يجب الرجوع إلى الكتاب المنهجي لالطالع على تفاصيل أكثر الخصائص واستخدامات المعادن الحديدية والغير حديدية‬ ‫‪ Cooper & its alloys‬النحاس وسبائكه‬ ‫للنحاس أو النحاس األحمر) خواص فيزيائية وتشغيلية ممتازة تجعله في مقدمة المواد الهندسية المستخدمة في عمليات التصنيع و‬ ‫األغراض الصناعية و ذلك‬ ‫لألسباب التالية‪:‬‬ ‫(‪ )1‬ممتاز التوصيل للحرارة والكهرباء‪.‬‬ ‫(‪ )2‬لدين ومطيل جداً حيث يمكن درفلته إلى رقائق أو سحبه إلى أسالك رقيقة‪.‬‬ ‫(‪ )3‬مقاوم للتأكل والتأكسد‪.‬‬ ‫(‪ )4‬قابلية كبيرة للتالحم‪.‬‬ ‫عندما يتعرض النحاس إلى الهواء الجوي لفترات طويلة يظهر عليه لون أخضر يسمى الباقينا ‪ Patina‬وهو غشاء أكسيدي ملون‬ ‫يغطي سطح المعدن ويمكن إزالته بالصقل‪.‬‬ ‫‪ c‬الزنك ‪Zinc‬‬ ‫‪.‬الزنك معدن رخيص نسبيا ً ويتمتع بمقاومة ومتانة متوسطة‪.‬‬ ‫‪.‬درجة إنصهاه منخفضة (‪380‬م)‪ ،‬لذلك فهو قابل للسباكة بدرجة ممتازة‪.‬‬ ‫‪.‬الزنك معدن قابل للطرق وله خاصية المطيلية عند التسخين‪.‬‬ ‫‪.‬تتمتع سبائك الزنك بمقاومة أنواع عديدة من الصدأ‪.‬‬ ‫‪.‬يستخدم الزنك في تغليف الواح الصلب وإلنتاج الحديد المجلفن‪.‬‬ ‫‪ d‬القصدير ‪Tin‬‬  ‫‪.‬القصدير معدن طري ذو لون فضي لماع‬ ‫‪.‬يمكن درفلته لعمل رقائق من القصدير وله خاصية المطيلية وينصهر عند‬ ‫درجة حرارة ‪ 232‬م‪.‬‬ ‫‪.‬يستخدم في كساء ألواح الصلب الرقيقة وفي قصدرة أسالك النحاس‪.‬‬ ‫‪.‬يستعمل كذلك في طالء السطوح الداخلية للعلب الحافظة للمواد الغذائية‬ ‫وغيرها لمقاومته الشديدة للصدأ ولكونه غير سام ‪.‬‬ ‫‪ )e‬الرصاص ‪Lead‬‬ ‫‪.‬يعتبر الرصاص من أثقل المعادن المتداولة‪ ،‬إذ تبلغ كثافته النسبية ‪ 11.3‬إذا ما قورنت مع كثافة الحديد ‪7.9‬‬ ‫‪.‬لونه رمادي مزرق وله بريق معدني داكن شديد الرخاوة لدرجة يمكن قطعه بالسكين‪.‬ويتصف باللدونة وقابليته للطرق والكبس‬ ‫والدرفلة‪.‬‬ ‫درجة إنصهاره ‪330‬م‬ ‫يستخدم في صناعة ألواح المراكم للبطاريات وفي تغليف الكوابل وكذلك في مخمدات الصوت‪.‬‬ ‫‪.‬وتدخل سبائك القصدير والرصاص في صناعة مواد كراسي التحميل وأسالك اللحام‪.‬‬ ‫‪ )f‬الماغنيسيوم ‪Magnesium‬‬ ‫‪.‬الماغنيسيوم هو أخف المعادن اإلنشائية الهندسية‪ ،‬ثقله النوعي‬ ‫‪ 1.74 7.9‬مقارنة باأللومنيوم ‪ 2.7‬والحديد‪MN/m³‬‬ ‫للماغنيسيوم معدل عالي للمقاومة مقارنة بوزنه ‪mm 380 3‬‬ ‫‪.‬له قابلية للتشكيل والتشغيل‪.‬‬ ‫‪.‬مقاومته نقل بارتفاع درجة الحرارة فوق ‪100‬م‪ ،‬لذلك ال يمكن إستعماله في ظروف حرارية عالية‪.‬‬ ‫‪.‬إلكسابه مقاومة عالية يسبك الماغنيسيوم مع األلومنيوم والزنك والمنجنيز والزركنيوم إما بشكل فردي مع إحدى هذه العناصر أو‬ ‫بتركيبات مختلفة‪.‬‬ ‫يستخدم الماغنيسيوم في صناعة بعض دواليب السيارات أو حيثما يتطلب خفة الوزن كدرجة أولى والمقاومة كدرجة ثانية‪.‬‬ ‫ثانياً‪ :‬المواد غير المعدنية‬ ‫المواد غير المعدنية‪:‬‬  ‫مواد غير عضوية‪:‬‬ ‫‬ ‫‪.1‬الخشب‬ ‫‪.2‬اللدائن‬ ‫‪.3‬الورق‬ ‫‪.4‬مواد عضوية‬ ‫‪.5‬المواد الطالبية‬ ‫‪.6‬الجلد‬ ‫مواد غير عضوية‪:‬‬ ‫‬ ‫المواد الخزفية‬ ‫‪.1‬‬ ‫‪.2‬الجرافيت‬ ‫‪.3‬الزجاج‬ ‫‪.4‬السيليكون‬ ‫‪.5‬األسبستوس‬ ‫اللدائن‬ ‫اللدائن مواد من أصل عضوي وتتحول هذه المواد عند تسخينها إلى الحالة اللدنة‬ ‫وتتخذ عند الضغط عليها األشكال المطلوبة‪.‬‬ ‫‪ Elastomers‬المطاطيات‬ ‫المطاطيات هي نوع خاص من أنواع البوليمرات التي تظهر قدر كبير من‬ ‫التشكل المرن عند تعرضها لقوة ما‪.‬‬ ‫يمكن للكثير منها أن تتمدد إلى أطوال تزيد عن طولها األصلي بمرات عديدة‬ ‫وعند إزالة القوة تعود المادة إلى شكلها األصلي‪.‬‬ ‫توجد أنواع عديدة من المطاطيات منها‪:‬‬ ‫المطاط الطبيعي ‪ Rubber‬من مميزاته المرونة‪ ،‬والعزل الجيد للكهرباء‪ ،‬وإنخفاض معامل اإلحتكاك الداخلي‪ ،‬ومقاومته لمعظم‬ ‫األحماض غير العضوية واألمالح والقلويات‪.‬ولكن مقاومته ضعيفة للمنتجات البترولية‪ ،‬ويفقد مقاومته عند ارتفاع درجات‬ ‫الحرارة‪ ،‬فال ينصح باستعماله عند درجات حرارة تزيد عن ‪ 80‬م‪.‬ويهلك بسرعة عند تعرضه ألشعة الشمس‪.‬‬ ‫المطاط الصناعي ‪ :Artificial Elastomers‬استحدث المطاط الصناعي للتغلب على بعض عيوب المطاط الطبيعي وكذلك‬ ‫لتوفيره عندما يتعذر وجوده‪ ،‬وللتعويض عن ارتفاع ثمن المطاط الطبيعي‪.‬فمثالً يمكن للمطاط السيلكوني أن يعمل في درجات‬ ‫حرارة تصل إلى ‪230‬م‪ ،‬وبعضها لها كذلك مقاومة عالية لألحماض والعوامل الطقس القاسية‪.‬‬ ‫المواد السيراميكية ‪Ceramics‬‬ ‫المواد السيراميكية عالية الصالدة وقصيفة‪ ،‬ولها درجات إنصهار عالية‬ ‫ردينة التوصيل للكهرباء والحرارة‪ ،‬ومعامل تمددها منخفض‪.‬‬ ‫تستعمل على نطاق واسع في الصناعات الكهربائية وذلك بسبب مقاومتها العالية للكهرباء‪.‬‬ ‫‪.‬بسبب مقاومتها لدرجات الحرارة العالية تستخدم كمواد مقاومة للصهر وفي تغليف األماكن الحرارية كاألفران‪.‬‬ ‫بسبب مقاومتها للبلي تستعمل في صنع أدوات القطع‪.‬‬ ‫الزجاج هو أيضا ً من ضمن الماد السيراميكية الذي يستعمل في النوافذ والمصابيح وشاشات التلفزيون وغيرها الكثير‬ ‫‪ Composite Materials‬المواد المركبة )‪(d‬‬ ‫المواد المركبة هي مواد صلبة متغايرة (غير متجانسة تحتوي في تركيبها على مادتين أو أكثر مرتبطة مع بعضها ميكانيكيا ً أو‬ ‫ميتالورجياً‪ ،‬وتحتفظ كل مادة من هذه المواد على ذاتها وخواصها في المادة المركبة‪.‬‬ ‫‪.‬يمكن أن تكون المواد المكونة للمادة المركبة مواد عضوية أو معادن أو مواد سيراميكية‪.‬‬ ‫تمتلك المواد المركبة خصائص مثل الحسانة ‪ Stiffness‬المقاومة‪ ،‬الوزن األداء الحركي العالي مقاومة الصدأ‪ ،‬الصالدة‪ ،‬أو‬ ‫الموصلية‪ ،‬التي ال يمكن الحصول عليها من العنصر الفردي المكون لهذه المادة‪.‬هذه الخواص تعتمد على‪:‬‬ ‫(‪ )1‬خواص العنصر الفردي المكون‪.‬‬ ‫(‪ )2‬نسبة العناصر في المادة المركبة‪.‬‬ ‫(‪ )3‬حجم وشكل وتوزيع المكونات‬ ‫(‪ )4‬درجة ومقدار الربط بين المكونات‪.‬‬ ‫‪.‬يمكن تصنيف أنواع المواد المركبة بعدة طرق‪ ،‬أحد هذه الطرق ترتكز على الشكل الهندسي وتتكون من ثالث مجموعات مميزة‬ ‫(‪ )1‬المواد المركبة الرقائقية أو الطبقية‪.‬‬ ‫(‪ )2‬المواد المركبة الدقائقية (المكونة من دقائق أو جسيمات)‪.‬‬ ‫(‪ )3‬المواد المركبة المقواة باأللياف‪.‬‬