علم المواد الهندسية PDF

‫علم المواد الهندسية‬ ‫تعتبر المواد الهندسية المستخدمة في الصناعة أساس الصناعة‪.‬تطور علم المواد‬ ‫وخواص المواد يم ّكن من تحقيق كثير من النظريات واألفكار الجديدة في مجال‬ ‫الصناعة وكذلك في المجاالت الهندسية المختلفة‪.‬دراسة علم المواد يعتبر من العلوم‬ ‫المهمة التى علي الم...

‫علم المواد الهندسية‬ ‫تعتبر المواد الهندسية المستخدمة في الصناعة أساس الصناعة‪.‬تطور علم المواد‬ ‫وخواص المواد يم ّكن من تحقيق كثير من النظريات واألفكار الجديدة في مجال‬ ‫الصناعة وكذلك في المجاالت الهندسية المختلفة‪.‬دراسة علم المواد يعتبر من العلوم‬ ‫المهمة التى علي المهندس اإللمام بها ومعرفتها حتى يتمكن من تشكيل هذه المواد‬ ‫واستخدامها االستخدام األمثل في الصناعات المختلفة‪ ،‬علي سبيل المثال فإن خاصية‬ ‫التوصيل الحراري أو الكهربائي قد تتوفر في مادة دون أخري بينما تتوفر في هذه‬ ‫خاصية متانة أو صالدة ال تتوفر في تلك‪.‬خواص المواد تختلف وتتباين وال يمكن أن‬ ‫يمتلك مادة ما خاصية ولو واحدة بدرجة الكمال‪.‬‬ ‫إلي وقت قريب كانت هندسة المواد تقتصر علي استخالص الفلزات (‪ )Metals‬من‬ ‫خاماتها األساسية ثم تجهيزها لالستخدام في الصناعة ولم تتجاوز هذه الحدود إال في‬ ‫مجال ضيق مثل تشكيل هذه المواد بالطرق الميكانيكة أو الحرارية‪.‬مع تطور العلو‬ ‫تطور علم المواد ليشمل العديد من الفروع‪.‬‬ ‫تصنيف المواد الهندسية‪:‬‬ ‫‪ -I‬تصنيف نوعي‪:‬‬ ‫‪ /1‬مواد معدنية (فلزية) (‪ )Metallic‬وتنقسم إلي نوعين ‪:‬‬ ‫أ‪.‬معادن حديدية (‪ )Ferrous‬مثل الحديد وسبائك الحديد مع المعادن األخري‪.‬تتكون المواد‬ ‫المعدنية أساسا من عناصر المعادن والتي تتجاوز ‪ 82‬عنصرا في حين أن المستعمل منها في‬ ‫النواحي الهندسية ال يتجاوز ‪ 22‬عنصر‪ ،‬ومن أهم هذه العناصر الحديد والنحاس وااللومنيوم‬ ‫والكروم والنيكل وغيرها‪.‬وهذه المعادن قد تستخدم نقية‪ ،‬وفي معظم األحيان تضاف إلى‬ ‫بعضها البعض بنسب معينة لتكوين السبائك‪ ،‬وذلك أن الخواص الميكانيكية للسبائك أفضل من‬ ‫خواص المعادن النقية‪ ،‬كما أن العناصر غير المعدنية مثل الكربون والنيتروجين واالوكسجين‬ ‫تضاف كذلك لتحسين خواص الكثير من السبائك وخاصة الحديدية منها ‪.‬وتعتبر المواد‬ ‫المعدنية مواد موصلة للحرارة والكهرباء بدرجات متفاوتة وذات بنية بلورية ولها خواص‬ ‫ميكانيكية جيدة مثل قوة الشد العالية والمطيلية المناسبة للتشكيل على البارد والساخن‪ ،‬بل أن‬ ‫البعض منها له خواص جيدة عند درجات الحرارة العالية‬ ‫ب‪.‬معادن غير حديدية (‪ )Non- ferrous‬مثل النحاس والزنك واأللومنيوم والقصدير‬ ‫وغيرها باإلافة إلي سبائك هذه العناصر‪.‬‬ ‫‪ -2‬مواد غير معدنية (ال فلزية) وهذه أيضا تنقسم إلي نوعين‪:‬‬ ‫أ‪.‬مواد عضوية (‪ )Organic‬مثل المواد التى تحتوي في تركيبها علي خاليا حيوانية‬ ‫أو نباتية مثل الجلود والخشب والورق والمطاط والبوليميرات (لدائن وبالستيك) ‪.‬‬ ‫ب‪.‬مواد غير عضوية (‪ )Inorganic‬مثل األسمنت والزجاج والخزف والجرافيت‬ ‫ومنتجات التعدين‬ ‫‪ -‬المواد البالستيكية‪ :‬تتكون المواد البالستيكية من سالسل هيدروكربونية مرتبطة مع‬ ‫بعضها البعض بروابط تساهمية‪ ،‬وهي في معظمها مواد غير متبلرة ولها خواص‬ ‫ميكانيكية اقل جودة من المواد المعدنية خاصة عند إرتفاع درجات الحرارة عن‬ ‫‪ ،452⁰C‬إال أنها تمتلك خواص أخرى على درجة كبيرة من األهمية مثل العزل‬ ‫الحراري والكهربي وخفة الوزن ومقاومة التآكل وسهولة التصنيع باإلضافة إلى إنتاج‬ ‫أحجام مختلفة وأشكال معقدة ذات تشطيب نهائي في خطوة واحدة‪..‬‬ ‫المواد الخزفية‪ :‬تتكون المواد الخزفية من عناصر معدنية وعناصر غير معدنية‬ ‫مترابطة مع بعضها البعض بروابط أيونية وتساهمية‪ ،‬وقد تكون مواد متبلرة أو غير‬ ‫متبلرة أو مزيج منهما‪.‬وتمتاز المواد الخزفية بصالدتها الكبيرة ومقاومتها العالية‬ ‫للحرارة‪ ،‬وال يحد من إستخدامها سوى قابليتها للكسر‪ ،‬فمعظم المواد الخزفية مواد هشة‬ ‫ال تتحمل الصدمات الفجائية‪.‬ولقد تم أخيرا تطوير بعض األنواع من الخزفيات التي‬ ‫تتصف بصالبة أفضل من الخزفيات التقليدية‪ ،‬ومن الصفات األساسية المميزة‬ ‫للخزفيات عزلها الحراري والكهربي مما جعلها مناسبة للعديد من التطبيقات الهندسية‬ ‫المتطورة مثل سفن الفضاء وصناعة األفران والعوازل الكهربية والمكتفات والمجسات‬ ‫وغيرها‪.‬‬ ‫المواد المركبة‪ :‬يتلخص مفهوم المواد المركبة في وجود أكثر من مادة في وسط واحد ويكون‬ ‫الترابط بينها فيزيائيا‪.‬وتحتوي المواد المركبة على مادة تكون مالئة أو مانحة للقوة مثل‬ ‫األلياف الزجاجية واأللياف الكربونية وكذلك مساحيق العديد من العناصر والمركبات‪ ،‬ومادة‬ ‫أخرى رابطة مثل بوليميرات األيبوكسي‪ ،‬ويمكن تصنيع نوعيات مختلفة من هذه المواد‬ ‫بإستخدام تراتيب مختلفة لطبقات األلياف‪.‬والجدير بالذكر أن المواد المركبة لها قوة شد‬ ‫تتجاوز قوة معظم المعادن أو السبائك المستخدمة حاليا‪ ،‬هذا باالضافة إلى خفة الوزن التي‬ ‫تضاهي سبائك االلومنيوم‪ ،‬مع مقاومة جيدة للظروف الجوية‪ ،‬األمر الذي يجعل المواد‬ ‫المركبة مناسبة لصناعة الهياكل المعدنية المستخدمة في السيارات والعربات والقوارب‬ ‫والسفن والطائرات وكذلك األنابيب الناقلة للمياه والمقاومة للظروف الجوية في مجال النفط‬ ‫وغيرها من التطبيقات الهندسية المختلفة‪.‬‬  ‫‪ – II‬التصنيف التكنولوجي للمواد الهندسية‪:‬‬ ‫يعتمد هذا التصنيف علي أهم الخواص التكنولوجية للمواد‪ ،‬يتم االختيار األمثل للمواد‬ ‫انطالقا ً من هذه الخواص‪.‬نذكر من الخواص‪:‬‬ ‫‪ -‬الكثافة‪ :‬من حيث الكثافة يممكن تصنيفها إلي مواد خفيفة ومواد ثقيلة‬ ‫‪ -‬درجة حرارة االنصهار‪:‬‬ ‫مواد ذات درجة حرارة انصهار منخفضة (أقل من ‪ ،) 1000⁰ C‬ومواد ذات درجة حرارة‬ ‫انصهار متوسطة ( ‪ ،)1000- 2000⁰ C‬مواد ذات درجة حرارة انصهار عالية (أعلي من‬ ‫‪)2000⁰ C‬‬ ‫مقاومة التآكل الكيميائي‪:‬‬ ‫مواد مقاومة للتآكل الكيميائي ومواد غير مقاومة للتآكل الكيميائي‬ ‫قابلية التشكيل‪:‬‬ ‫قابلة للتشكيل علي البارد والتشكيل علي الساخن ومواد أخري قابلة للسباكة‬ ‫مواد لدنة‬ ‫(الصب)‪.‬‬ ‫من الخواص الميكانيكية نذكر علي سبيل المثال اللدونة والمرونة والمتانة والصالدة ومقاومة الشد‬ ‫ومقاومة الصدم وغيرها من الخواص الميكانيكية األخري والتى سنتطرق لها بالتفصيل في محاضرات‬ ‫الحقة باذن هللا‪.‬‬ ‫قبل الخوض في التركيب والبنية الداخلية للمواد يجب التذكير ببعض المصطلحات الكيمائية ‪.‬‬ ‫الذرة‪ :‬أصغر جزء من العنصر الكيميائي ويحتفظ بالخواص الكيميائية للعنصر‪.‬تتكون الذرة من‬ ‫االلكترونات ذات الشحنة الكهربية السالبة والتى تدور حول النواة‪.‬تتكون النواة من البروتونات‬ ‫(موجبة الشحنة) والنيوترونات (متعادلة)‪.‬‬ ‫الجزيئ‪ :‬أصغر جزء من المادة (عنصر أو مركب) يمكن أن يوجد علي حالة انفراد ويحتفظ بخواص‬ ‫المادة‪.‬‬  ‫جزيئات أحادية الذرة‪:‬‬ ‫هي جزيئات تحتوي علي ذرة واحدة‪ ،‬مثل جزيئات الغازات الخاملة (الهيليوم والنيون‬ ‫‪)He , Ne‬‬ ‫جزيئات متعددة الذرات‪:‬‬ ‫هي جزيئات تحتوي علي أكثر من ذرتين مثل جزيئ األوزون ‪ O3‬وجزيئ الكبريت‬ ‫‪ S8‬والفوسفور‪. P4‬‬ ‫جزيئات المركبات‪:‬‬ ‫هي التى تحتوي علي ذرات من أنواع مختلفة مثل جزيئ الماء ‪ H2O‬وجزيئ السكر‬ ‫األحادي ‪. C6H12O6‬‬ ‫العنصر‪:‬‬ ‫هو وحدة البناء للمادة ويعرف بأنه مادة اليمكن أن تتفكك كيميائيا ً إلي مواد أخري‬ ‫المركب‪:‬‬ ‫يتكون المركب من عنصرين أو أكثر متحدة إتحادا ً كيميائيا ً بطريقة محددة وبنسب‬ ‫ثابتة‪.‬‬  ‫المزيج (الخليط أو المخلوط)‪:‬‬ ‫عبارة عن عنصرين أو أكثر في حالة اتحاد غير كيميائي‬ ‫المحلول ‪:‬‬ ‫مزيج متجانس من مادتين أو أكثر بنسب محددة واليمكن عزلها عن بعضها البعض‪.‬يتكون‬ ‫المحلول من ذائب ومذيب‪.‬تسود في المحلول الخواص الفيزيائية للمادة المذيبة ويعتبر المحلول‬ ‫الكيميائي خليط متجانس وحجم حبيباته صغير جدا ً‪.‬‬ ‫الذائبية (‪ :) Solubility‬هي أقصي مقدار من المادة الصلبة التى يمكن أن تذوب في ‪ 100‬جرام من‬ ‫المادة المذيبة عند درجة حرارة محددة‪.‬وتُعرف أحيانا ً بتركيز المحلول‪.‬‬ ‫يمكن تصنيف المحاليل علي النحو التالي‪:‬‬ ‫‪ -‬محلول مشبع‪ :‬يحتوي علي أكبر قدر ممكن من المذاب عند درجة حرارة محددة‪.‬‬ ‫‪ -‬محلول غير مشبع‪ :‬يحتوي علي كمية مذاب أقل من أقصي كمية يمكن إذابتها‬ ‫‪ -‬محلول فوق المشبع‪ :‬يحتوي علي كمية مذاب أكبر من الكمية الموجودة في المحلول المشبع‬  ‫الروابط الكيميائية‪:‬‬ ‫‪ /1‬الرابطة األيونية‪:‬‬ ‫هي الرابطة التى تحدث بين ذرات الفلزات وذرات الالفلزات نتيجة للتجاذب بين‬ ‫األيونات السلبة واأليونات الموجبة‪.‬‬ ‫عنما تفقد الذرة الكترون أو أكثر لتصل للتركيب االلكتروني للغاز الخامل السابق لها‬ ‫في الجدول الدوري تُعرف باأليون الموجب(الكاتيون)(‪.)Cation‬أما عند اكتساب الذرة‬ ‫الالفزية الكترون أو أكثر لتصل للتركيب االلكترونى للغاز الخامل الذي يليها في الجدول‬ ‫الدوري تُرف حينها بأليون السالب(أنيون)(‪.)Anion‬‬ ‫‪ /2‬الرابطة االسهامية (التساهمية)‪:‬‬ ‫هي رابطة بين ذرات ()وذلك بمشاركتهم بعضهم البعض أزواج من االلكترونات‬ ‫حيث تشارك كل ذرة بالكترون أو اكثر للوصول للتركيب الكيميائي ألقرب غاز خامل‪.‬‬  ‫تتكون الرابطة االسهامية بين ذرتين أو أكثر مختلفتين لعنصرين الفلزيين (‪)H2O, HCl‬‬ ‫‪ /3‬الرابطة المعدنية (الفلزية)‪:‬‬ ‫هي رابطة خاصة بالمعادن وتعتمد علي إطالق ذرة الفلز اللكترونات التكافؤ (ال‬ ‫تزيد عن ثالثة الكترونات) لتصبح حرة الحركة بين الذرات وتصبح بقية الذرات أيونات‬ ‫موجبة‪.‬سبب اكتساب المعادن للخواص المذكورة سابقا من توصيل للحرارة والكهرباء هو‬ ‫بسبب ارتباط ذراتها بهذا النوع من الروابط الكيميائية‪.‬‬ Dr. Yasin M. Hamdan Dr. Yasin M. Hamdan Dr. Yasin M. Hamdan Dr. Yasin M. Hamdan Al, Cu, Ag, Au, Pt, Pb, Ni Dr. Yasin M. Hamdan  ‫ ذرة‬17 = 3 + 2 + 12 6 = 2+ 1 + 3 6×4Τ3 𝜋𝑅 3 4.24× 2𝑅 3 Dr. Yasin M. Hamdan Dr. Yasin M. Hamdan  ‫العيوب النقطية تشمل ‪:‬‬ ‫‪ -A‬الفراغات (‪ )Vacancies‬وهي عبارة عن أماكن ال يوجد فيها ذرات‬  ‫‪ – B‬ذرات مقتحمة ذاتية (‪:)self interstitial‬‬ ‫عبارة عن ذرات من نفس العنصر التوجد في أماكنها الصحيحة وإنما توجد في‬ ‫أماكن بينية‪.‬‬ ‫‪ – C‬ذرات مقتحمة غريبة (الشوائب)‪:‬‬ ‫عبارة عن ذرات من عنصر آخر اتخذت أماكن بينية في البنية البلورية لهذا العنصر‬  ‫ذرات غريبة‬ ‫(شوائب)‬ ‫‪ – D‬اإلبدال (‪: )Substitution‬‬ ‫يحدث اإلبدال عندما تتخذ ذرات من عناصر أخري مكان ذرات العنصر األساسي‪.‬‬ ‫حتى تحدث عملية اإلبدال يجب أن تتوفر شروط محددة وهي‪:‬‬ ‫‪ -1‬أن يكون للذرات نفس عدد إلكترونات التكافؤ‬  ‫‪ -2‬أال يتعدي الفرق بين أقطار الذرات اإلبدالية وذرات العنصر األساسي نسبة ‪%15‬‬ ‫‪ -3‬أن يكون التركيب البلوري للعنصرين من نفس النوع (‪ BCC‬أو ‪ FCC‬أو‪)HCP‬‬ ‫ذرات إبدالية‬  ‫العيوب السطحية (‪:)Surface Defects‬‬ ‫أثناء عملية تبريد المعدن المنصهر تتكون في المعدن النويات والتى تتحول إلي‬ ‫حبيبات (‪ )Grains‬حسب التركيب البلوري للمادة‪.‬كلما زادت سرعة التبريد يزداد عدد‬ ‫النويات المتكونة‪.‬أثناء تكوين الحبيبات يحدث بينها تصادم‪ ،‬مما يسبب تشوه في التنظيم‬ ‫البلوري ( حدود الحبيبات) ‪ ،‬وبما أن حدود الحبيبات ضعيفة فإنها تتآكل بفعل األحماض‪ ،‬تآكل‬ ‫حدود الحبيبات هذا يُعرف بالعيوب السطحية‪.‬العيوب السطحية عيوب ثنائية األبعاد‪.‬‬  ‫ظاهرة اإلنتشار (‪:)Diffusion‬‬ ‫هي عملية انتقال المواد خالل مواد أخري في الحالة الغازية‪ ،‬السائلة والصلبة حتى‬ ‫تصل المادة إلي حالة تجانس وانتظام في التركيز‪.‬تكون ظاهرة االنتشار أسرع في المواد‬ ‫الغازية‪.‬كذلك يُعرف االنتشار بأنه حركة الجزيئات والذرات الدائمة والمتزامنة إلي مواقع‬ ‫بعضها البعض داخل المادة نفسها‪.‬‬ ‫كلما زادت درجة الحرارةزاد معدل االنتشار وكلما كان االختالف في التركيز كبير زاد‬ ‫معدل االنتشار‪.‬ولالنتشار في المواد البلورية آليتان‪:‬‬ ‫‪ -1‬آلية الفراغات والذرات اإلبدالية‬ ‫‪ -2‬آلية اإلنتشار االقتحامى (إنتقال الذرة من مكان بينى إلي مكان بينى آخر)‬  ‫العيوب الخطية (‪:)Line Defects‬‬ ‫عيوب أحادية االتجاه وتُعرف باالنخالعات أو اإلنزالقات البلورية‪.‬يكون تأثير العيوب‬ ‫الخطية في صف كامل من صفوف الشبكة البلورية‪.‬عند التأثير علي البلورة بقوة خارجية‬ ‫فإنها تتعرض إلجهاد يُحدِث فيها تشوها مرنا (تعود البلورة إلي شكلها األصلي بعد إزالة القوة‬ ‫المؤثرة) ولكن عند التأثر علي البلورة بقوة أكبر فإنه يحدث فيها تشوه لدن (دائم) يُعرف‬ ‫باالنخالع أو اإلنزالق‪.‬يوجد ارتباط كبير بين حركة االنخالعات وعملية تشكيل المعادن‪.‬كلما‬ ‫زادت حركة االنخالعات ‪ ،‬زادت قابلية المادة للتشكيل‪ ،‬وقابلية التشكيل كما هو معلوم تتوقف‬ ‫علي خاصية اللدونة للمواد‪.‬‬ ‫هناك نوعان من االنخالعات‪:‬‬ ‫‪ -1‬إنخالع حافة (‪)Edge Dislocation‬‬ ‫‪ -2‬إنخالع لولبي (‪)Screw Dislocation‬‬  ‫إنخالع الحافة (‪)Edge Dislocation‬‬ ‫هونقص جزء من احدى الطبقات الذرية ثم انزياح المستويات القريبة لملء الفراغ ويتم بتسليط‬ ‫جهد القص على النصف األعلى من البلورة ومن احدى الجهات مع الحفاظ على الجانب االخر‬ ‫متماسك وينشأ نتيجة لذلك خط إضافي من الذرات في أحد أجزاء الشبكة البلورية يقابله عدم‬ ‫وجود الخط في النصف اآلخر‪.‬‬ ‫عندما يبدأ المستوي غير‬ ‫المكتمل من أعلي الشبكة‬ ‫البلورية‪ ،‬يُسمى االنزالق‬ ‫إنزالقا موجبا ويُرمز له‬ ‫بالرمز ( )‬  ‫عندما يبدأ المستوي غير المكتمل من أسفل الشبكة البلورية يُعرف عندها اإلنزالق باإلنزالق‬ ‫السالب ويُرمز له بالرمز (‪)T‬‬ ‫اإلنخالع اللولبي (‪:)Screw Dislocation‬‬ ‫ابسط تعريف لالنخالع اللولبي هو ازاحة جزء من الشبيكة بالنسبة الى جزئها االخر يوصف‬ ‫االنخالع اللولبي على انه صف من ذرات المستوي البلوري حوله مسارا لولبيا‪.‬يمتد االنفصال‬ ‫اللولبي لمسافات طويلة داخل المعدن وذلك بسبب إعادة ترتيب البلوارت بداخل المعدن على‬ ‫شكل لولبي‪.‬‬.  ‫‪ -1‬حجم الحبيبات(‪ :)Grain Size‬كلما قل حجم الحبيبات تزداد حدودها مما يقلل من حدوث‬ ‫االنخالعات‬ ‫‪ -2‬درجة الحرارة (‪ :)Temperature‬كلما زادت درجة الحرارة زادت حركة االنخالعات‬ ‫‪ -3‬التشكيل علي البارد (‪ :)Cold Forming‬التشكيل علي البارد يزيد من كثافة االنخالعات‪.‬‬ ‫‪ -4‬وجود الشوائب‪ :‬إضافة ذرات غريبة يعمل علي إعاقة التشكيل وبالتالي تقل االنخالعات‬ ‫‪ -5‬عملية التلدين (‪ :)Annealing‬هي عملية تسخين المعدن إلي درجة حرارة محددة ثم تبريده‬ ‫تبريدا ً بطيئا ً‪.‬ف عملية التلدين وعند درجة حرارة محددة (تختلف باختالف المادة) تقل كثافة‬ ‫االنخالعات‪.‬عند زيادة درجة حرارة التلدين تكبرالحبيبات فتقل حدودها مما يعمل عل زيادة‬ ‫كثافة االنخالعات‪.‬‬ ‫السبيكة عبارة عن خليط أو مركب من معدنين أو أكثر تم صهرها وتجميدها بنسب معينة‬ ‫لك ٍل منهما بغرض الحصول علي مكون (سبيكة) بخواص جديدة‪.‬‬ ‫من أنواع السبائك السبيكة الثنائية والثالثية والرباعية (حسب عدد العناصر الداخلة في تركيبها)‪.‬‬ ‫خواص السبيكة تختلف عن خواص العناصر الداخلة في تركيبها ك ٍل علي حده‪.‬ويُطلق اسم الفلز‬ ‫األعلي نسبة في تركيب السبيكة إسم أساس السبيكة (‪ )Base Metal‬وتُعرف السبيكة بإسمه‪ ،‬بينما‬ ‫تُعرف العناصر األخري بالعناصر السبيكية (‪.)Alloying Elements‬‬ ‫معظم السبائك تتكون بين الفلزات‪ ،‬عدا سبائك الفوالذ التى تتكون بين الحديد (فلز) والكربون (ال‬ ‫فلز) وعندها يُسمى بالفوالذ الكربونى وعندما تضاف عناصر أخري إضافة للكربون يُعرف حينها‬ ‫بالفوالذ السبيكى‪.‬‬ ‫عبارة عن جزء من المادة متجانس‪ ،‬له خواصه الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية المميزة‬ ‫له ‪.‬مثال لذلك الثلج في الماء عبارة عن طوران (سائل وجامد) ألنه يمكننا التمييز بينهما علي من‬ ‫أنهما يمتلكان نفس التركيب الكيميائي‪.‬‬ ‫الفلزات في حالتها الجامدة لها عدد من األطوار المختلفة هي‪:‬‬ ‫‪ -‬فلز نقي‬ ‫‪ -‬فلز سبيكى‬ ‫‪ -‬مركب‬ ‫‪ -‬محلول جامد‬ ‫هي مقدرة المادة الصلبة علي التواجد في أكثر من شكل بلوري‪ ،‬مثال لذلك الماس‬ ‫والجرافيت اللذان يمتلكان نظام بلوري مختلف علي الرغم من أن التركيب الكيميائي لهما واحد‬ ‫وهو الكربون‪.‬‬ ‫ظاهرة تعدد الشكل البلوري في الحديد تُعرف بظاهرة التآصل (‪.)Allotropy‬حيث يبدأ‬ ‫ليكون بلورات الحديد (طور‪ ) δ- Fe‬ولها نظام‬ ‫ِّ‬ ‫الحديد في التجمد عند درجة حرارة ‪1593⁰C‬‬ ‫المكعب متمركز الجسم وعند درجة حرارة ‪ 1392⁰C‬يتحول إلي طور (‪ )Ɣ- Fe‬ويُسمي‬ ‫األوستنيت (‪ )Austenite‬ذو المكعب المتمركز الوجه ليعود مرة أخري عند درجة حرارة‬ ‫‪ 912⁰C‬إلي المكعب المتمركز الجسم ويُعرف عندها الحديد بالفيريت (‪ ()Ferrite‬طور ‪)α- Fe‬‬ ‫وعند درجة حرارة ‪ 770‬يصبح الحديد مغناطيسيا‪.‬‬  ‫‪Solid Solution‬‬ ‫المحلول الجامد هو وجه وحيد من الم ادة الجامدة متجانس الخ واص يحتوي على اثنين‬ ‫أو أكثر من العناصر المختلفة‪ ،‬وخواص المحلول الجامد الناتج تختلف عن خواص كل عنصر‬ ‫على حدة‪.‬ويتركب المحلول الجامد من جزئين هما المذيب (‪ )Solvent‬والمذاب (‪.)Solute‬‬ ‫والمحلول الجامد هو ببساطة محلول في حالة تجمد به ذرات عنصر ذائب وعنصر آخر مذيب‪،‬‬ ‫وتمت إذابة العناصر معا عند درجات حرارة أعلي من درجات حرارة انصهار العنصرين‪ ،‬ثم تم‬ ‫التبريد لدرجة الحرارة العادية‪.‬حيث ظلت الذرات المذابة في بنية وشبكية ذرات المذيب‪.‬يتكون‬ ‫المحلول الجامد إما عن طريق اإلبدال (‪ )Substitutional‬أو االقتحام (‪.)Interstitial‬‬ ‫يحدث الذوبان في العناصر المكونة للسبيكة بمعنى تداخل ذراتها واختالطها ببعضها البعض‬ ‫بصورة متجانسة في حالة االنصهار وقد يحدث الذوبان بصورة تامة أوجزئية في الحالة الجامدة‪.‬‬  ‫‪ -1‬تقارب حجم ذرات العناصر (بزيادة االختالف في الحجم تقل الذائبية)‬ ‫‪ -2‬تشابه نوع الشبكة البلورية (تزداد الذائيبية عندما تكون شبكة العناصر من نوع واحد)‬ ‫‪ -3‬التكافؤ الكيميائي (تزداد الذائبية في حالة تشابه التكافؤ)‬ ‫ذوبان تام في الحالة السائلة وذوبان تام في الحالة الجامدة‬ ‫ذوبان تام في الحالة السائلة وانفصال في الحالة الجامدة‬ ‫ذوبان تام في الحالة السائلة وذوبان جزئي في الحالة الجامدة‬ ‫لدراسة السبائك دراسة علمية صحيحة البد من دراسة مخططات اإلتزان الحراري‬ ‫للسبائك‪.‬هذه المخططات عبارة عن مخططات توضح العالقة بين درجات الحرارة والتركيبات‬ ‫المختلفة للسبائك‪.‬من خالل مخططات اإلتزان الحراري يمكن الحصول علي المعلومات التالية‪:‬‬ ‫‪ -‬العالقة بين درجة الحرارة وتركيب السبيكة في أطوارها المختلفة‪.‬‬ ‫‪ -‬التعرف علي أطوار السبيكة وتركيبها الكيميائي عند درجات حرارة مختلفة‪.‬‬ ‫‪ -‬تحديد درجات حرارة التحول من حالة االنصهارإلي حالة التجمد وكذلك من حالة التجمد إلي‬ ‫حالة اإلنصهار‬ ‫‪ -‬تحديد توازن ذائبية المواد في بعضها البعض‬ ‫‪ -‬تحديد إمكانية إجراء المعامالت (المعالجات) الحرارية من عدمها‬ ‫لرسم مخططات االتزان البد من التعرف على طريقة رسم منحنيات التبريد والتي من خاللها يتم‬ ‫رسم مخطط االتزان الحراري ألي سبيكة‪ ،‬ومنحنى التبريد ببساطة يوضح العالقة بين درجة حرارة‬ ‫المادة والزمن‪ ،‬بحيث يتم صهر المعدن أو السبيكة ومن ثم التبريد ببطء‪ ،‬وعند تكرار هذه العملية‬ ‫لتركيبات مختلفة من السبيكة يالحظ في المنحنيات وجود تغير فجائي في معدل التبريد‪ ،‬ويتم تحديد‬ ‫هذه النقاط في رسم آخر يبين العالقة بين تركيب السبيكة ودرجة الحرارة‪.‬‬ ‫مخطط الطور للنحاس والنيكل‪:‬‬ ‫يمكن رسم مخطط اإلتزان لعنصرين في سبيكة عن طريق تحضير عدد من العينات (في هذه الحالة‬ ‫خمس عينات كما في الشكل أدناه) بنسب مكملة بعضها البعض‪ ،‬أي عندما يكون هناك ‪ % 20‬نيكل‬ ‫يكون النحاس بنسبة ‪ % 80‬وهكذا‪ ،‬ثم تسخن العينات إلى درجة حرارة االنصهار بالكامل ويلي‬ ‫ذلك تبريدها تدريجيا واحدة تلواألخرى‪.‬‬ ‫وتتم متابعة تغير درجات الحرارة مع الزمن‪ ،‬وذلك انه عند درجة حرارة معينة لكل عينة يحدث‬ ‫ثبات للحرارة مع الزمن وهذا يعطي نقطتين وهما نقطة بداية التحول من الحالة السائلة إلى مزيج من‬ ‫السائل والصلب واألخرى نقطة التصلب الكامل كما موضح بالشكل وهذا المنحنى يعرف بمنحنى‬ ‫التحول لدرجة الحرارة للمصهور مع الزمن (‪ ) Time Temperature Transformation‬أو‬ ‫(‪.)TTT‬‬ ‫في المعادن النقية عادة تكون درجة حرارة بداية التجمد هي نفسها درجة حرارة نهاية التجمد (يمكن‬ ‫مالحظة ذلك في منحنى تبريد سبيكة النيكل والنحاس في الشكل أدناه) وهذه إحدي خواص المعادن‬ ‫النقية التى التتوفر في السبائك‪.‬‬. ‫وعند توصيل نقاط التحول للمصهور(‪ )L‬وكذلك نقاط التصلب(‪ )S‬فإننا نحصل على مخطط‬ ‫الطور للنحاس والنيكل كما بالشكل وبذلك يمكن الحصول على عالقة بين درجة الحرارة‬ ‫لمصهور المعدنين ونسبة كل معدن في السبيكة في الطورين السائل والصلب‪ ،‬ومنها يمكن‬ ‫حساب أوزان كل عنصر في السبيكة بداللة درجة الحرارة‪.‬‬. ‫األطوار المحتوية علي خليط (‪ α‬و ‪ )β‬أو (سائل و ‪ )α‬أو (سائل و ‪ )β‬يتم فيها حساب النسب‬ ‫باستخدام قاعدة ليفر (‪ )Lever Rule‬وتسمي كذلك بقاعدة الخط األفقي‪.‬‬ ‫تُسمى أحياناً بقاعدة الخط األفقي أو قاعدة العتلة العكسية (‪)Inverse Lever Rule‬وتستخدم‬ ‫لحساب نسبة كل طور من أطوار السبيكة الثنائية‪.‬في مخطط االتزان الحراري للمعادن التى‬ ‫تُظهر ذوباناً تاماً في الحالة الصلبة توجد منطقة ذات طورين بين خط االنصهار وخط التجمد‬ ‫(النقطة ‪ O‬علي الرسم) والتي يكون فيها السائل والجامد في حالة توازن‪.‬‬  ‫‪/1‬ھذاًالمخططًيحتويًعلىًسبيكةًمكونةًمنًمادتينً‪ A‬و‪ً،B‬المحورًالسينيًيمثلًتركيبً‬ ‫السبيكةًأوًنسبًالخلطًوالمحورًالصاديًيمثلًدرجةًحرارةًالسبيكة‪.‬‬ ‫‪ /2‬نسبً‪ A‬علىًيسارًالرسمًھيً‪ % 100‬وتقلًكلماًاتجهناًيميناًحتىًتصلًإلىً‪%0‬‬ ‫‪ /3‬نسبةًً‪B‬علىًيمينًالرسمًھيً‪ % 100‬وتقلًكلماًاتجهناًيساراًحتىًتصلًإلىً‪%0‬‬ ‫‪ /4‬يوجدًداخلًالرسمًطورانًھماًالسائلًوالجامد‪.‬‬ ‫‪ /5‬يسمىًالخطًالعلويًبخطًاالنصهارًوبعدهًتتحولًالسبيكةًإلىًالحالةًالسائلة‪ً،‬والخطًالسفليً‬ ‫يسمىًخطًالتجمدًوتحتهًتكونًالسبيكةًفيًالحالةًالصلبةً(الجامدة)‪.‬‬  ‫‪.‬‬ ‫‪ /1‬نرسمًخطًمستقيمًيوازيًالمحور السينيًويمرًفيًالنقطةً‪O‬‬ ‫‪ /2‬تقاطعًالخطًمعًالمحورًالصاديًيمثلًدرجةًحرارةًالسبيكةً‬ ‫عندًھذهًالنقطة‪.‬‬ ‫‪ /3‬نحددًنقاطًتقاطعًالخطًالمستقيمًمعًخطًاالنصهار(النقطةً‬ ‫‪ )L‬وخطًالتجمدً(النقطةً‪)S‬‬ ‫‪ /1‬نرسمًخطوًطًإسقاطًمنًالنقاطًالثالث عموديةًعلىً‬ ‫المحورًالسيني‪.‬‬ ‫‪ /2‬نحددًنقاطًالتقاطعًمعًالمحورًالسيني لكلًمادةً‬ ‫‪ WL,WO,WS‬ونأخذًالنسب‬ ‫‪ /3‬يجبًعدمًالخلطًفيًأخذًالقراءاتًبينًنسب ‪ B‬وً‪A‬‬. ‫سبيكةًمنًالنحاسًوالنيكلًتحتويًعلىً‪ % 47‬كتلةًللنحاسًوً‪ % 53‬نيكلًعندًدرجةًحرارةً‬ ‫‪ً،1300⁰C‬باستخدامًمخططًاالتزانًالحراريًلهذهًالسبيكةًاحسب‪:‬‬ ‫‪ )1‬نسبةًكتلةًالنيكلًفيًالطورًالسائلًوالجامد؟‬ ‫‪ )2‬نسبةًكتلةًالنحاسًفيًالطورًالسائلًوالجامد؟‬ ‫‪ )3‬نسبةًكتلةًالسائلًونسبةًكتلةًالجامد؟‬..  ‫مخططات إتزان أطوار الحديد والكربون‬ ‫)‪(Iron-carbon equilibrium phase diagram‬‬ ‫يعتبر مخطط الحديد والكربون من أهم المخططات الثنائية من الناحية التقنية وأساسا ً‬ ‫لتصميم سبائك الصلب و يمثل العنصر األهم في تحديد مناطق المعالجة الحرارية‬ ‫المختلفة للصلب الكربوني‪.‬‬ ‫منحنى التبريد للحديد النقي‬ ‫تـتغير بـنية مـعدن الحـديـد حسـب درجـة الحـرارة‪ ،‬فـعند درجـة حـرارة أعـلى مـن ‪ 1534⁰C‬يـكون‬ ‫الــمعدن مــصهورا ً ســائ ـالً ‪.‬ويــتحول بــعد ذلــك إلــي حــديــد مــتبلر لــيكون أحــيان ـا ً ذو بــنية بــلوريــة‬ ‫)‪ (BCC‬وأحيانا ً أخري )‪ (FCC‬وذلك وفقأ لدرجات الحرارة المختلفة‪.‬‬. (TTT) - Time-Temperature-Transformation ‫وعـ ــندمـ ــا يـ ــكون هـ ــناك عـ ــدد كـ ــبير مـ ــن عـ ــينات الحـ ــديـ ــد والـ ــكربـ ــون‪ ،‬بنسـ ــب مـ ــكملة كـ ــما فـ ــي‬ ‫المخـططات الـثنائـية الـسابـقة‪ ،‬ويـتم تـسخينها إلـى درجـة االنـصهار‪ ،‬وبـعد ذلـك تـبرد بـبطء مـع‬ ‫مــراقــبة نــقاط الــتحول مــن الــمصهور الــسائــل إلــى شــبه الــصلب ثــم الــصلب وكــذلــك الــتغير فــي‬ ‫ن ــوع ال ــبلورات واألط ــوار‪ ،‬ف ــإن ــنا ن ــتحصل ع ــلى مخ ــطط إت ــزان أط ــوار الح ــدي ــد وال ــكرب ــون ك ــما‬ ‫بالشكل التالي‪.‬‬.  ‫توجد ثالثة تفاعالت ثابتة رئيسية في مخطط إتزان الحديد والكربون وتحدث هذه التفاعالت‬ ‫عند درجات حرارة محددة وهي كما يأتي‪:‬‬ ‫‪ - 1‬تفاعل بريتكتيك )‪(Peritectic reaction‬‬ ‫يح ــدث ه ــذا ال ــتفاع ــل ع ــند درج ــة ح ــرارة ت ــبلغ ‪ 1493⁰С‬أي ع ــند وج ــود م ــصهور الح ــدي ــد ك ــسائ ــل‬ ‫يـحتوي عـلى ‪ % 0.53‬كـربـون‪ ،‬حـيث يـتفاعـل مـع الـفيريـت مـن نـوع دلـتا )‪ (δ‬الـمحتوي عـلى ‪0.09‬‬ ‫‪ %‬كـربـون لـتكويـن محـلول جـامـد يـعرف بـاألوسـتينيت )‪ (Austenite‬يـحتوي عـلى ‪ % 0.17‬كـربـون‬ ‫وهــذا الــتفاعــل لــيس لــه أهــمية تــكنولــوجــية بســبب أن هــذه األطــوار تــتحول إلــى أطــوار أخــرى عــند‬ ‫إنخفاض درجات الحرارة‪ ،‬و أن سبائك الحديد ال تستخدم عند هذه الحرارة العالية‪.‬‬  ‫‪ - 2‬تفاعل اليوتيكتيك )‪(Eutectic reaction‬‬ ‫ويح ــدث ذل ــك ع ــند درج ــة ح ــرارة ‪ C ⁰ 1148‬ح ــيث يتج ــمد م ــصهور الح ــدي ــد ال ــمحتوي ع ــلي‬ ‫‪ %4.3‬ك ــرب ــون ل ــيكون خ ــليط م ــن االوس ــتنيت وال ــسمنتيت )ك ــرب ــيد الح ــدي ــد( )‪(Cementite‬‬ ‫و ُيـسمي هـذا الخـليط أحـيانـا ً بـالـليديـبوريـت )‪.(Ledeburite‬وهـذا الـتفاعـل يحـدث فـي مـنطقة‬ ‫مشـبعة بـالـكربـون أي انـها ال تـدخـل فـي تـصنيع الحـديـد الـصلب وتـقتصر عـلي عـدد قـليل مـن‬ ‫الحديد الزهر‪.‬‬  ‫‪ -3‬التفاعل اليوتيكتويدي )‪(Eutectoid reaction‬‬ ‫يحدث هذا التفاعل عند درجة حرارة ‪ C723⁰‬حيث يتحلل االوستنيت المحتوي علي‬ ‫‪ %8‬كربون ليعطي طبقات متعاقبة من الفيريت والسمنتيت )تعرف هذه البنية بالبيرليت(‬ ‫)‪.(Perlite‬‬ ‫‪:(C‬‬ ‫)‪3‬‬ ‫كربيد الحديد )السمنتيت(‬ ‫يحتوي علي ‪ %6.67‬كربون والباقي حديد – يمتاز بالصالدة العالية – له قوة شد‬ ‫ضعيفة‬ ‫𝐹‬ ‫𝑒‬  ‫االوستنيت )‪Austenite):‬‬ ‫محلول جامد من الكربون في حديد ‪)Ɣ‬تركيز ‪(%2.14‬عند درجات حرارة أعلي‬ ‫من ‪C 723⁰‬‬ ‫البيرليت )‪:(Perlite‬‬ ‫يتكون من الفيريت وكربيد الحديد عند تركيز ‪ %8‬كربون ودرجة حرارة ‪C 723⁰‬‬ ‫الفيريت )‪:(Ferrite‬‬ ‫عبارة عن محلول جامد من الكربون )تركيز ‪(%0.02‬في حديد ‪ α‬له بنية بلورية‬ ‫)‪(BCC‬‬ ‫الليديبوريت )‪(Ledeburite‬‬ ‫يتكون من كربيد الحديد واالوستنيت بنسبة‪ %4.3‬كربون عند درجة حرارة ‪C 1148⁰‬‬. Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan. Dr.Yasin M.Hamdan. Dr.Yasin M.Hamdan. Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan Dr.Yasin M.Hamdan