برای یک دانشجوی مهندسی، ممکن است کاملاً مشخص نباشد که منظور از “ویژگی های مواد” چیست. آنچه ما خواص مواد را در مهندسی در نظر می گیریم آن دسته از ویژگی های توصیفی است که می توان از آنها برای توصیف یک ماده استفاده کرد.

به عنوان مثال، هنگامی که به یک میله فولادی نگاه می کنیم، چندین ویژگی مواد وجود دارد که می توان آن را توصیف کرد، که به ما کمک می کند دقیقاً نوع فولاد را تعیین کنیم و چگونه می توان از آن استفاده کرد.

یکی از اموال ممکن است سختی از فولاد اگر خیلی سخت باشد، ماشینکاری آن دشوار است و ممکن است نیاز به بازپخت داشته باشد. اگر خیلی نرم است، ممکن است قبل از استفاده به عنوان محصول نهایی نیاز به حالت سخت تری داشته باشد. به این ترتیب، سختی به ما اجازه می دهد تا به برخی از سوالات مکانیکی مهم در مورد میله فولادی پاسخ دهیم.

همچنین ممکن است دانستن آن مفید باشد سفتی، سختی از میله که یکی دیگر از خواص مکانیکی است. در واقع، بسته به نحوه استفاده از میله فولادی، خواص مواد زیادی وجود دارد که ممکن است به آنها علاقه مند باشیم.

در زیر لیستی از 10 ویژگی مهم مواد برای یک مهندس طراحی مکانیک آمده است. اگر با این ویژگی‌ها، معنای آنها و نحوه یافتن آنها آشنا شوید، هنگام تعیین اینکه از کدام ماده برای طراحی خود استفاده کنید، شروع خوبی خواهید داشت.

علاوه بر توضیح مختصری از هر ویژگی، مثالی از نحوه استفاده از آن برای انتخاب بین دو ماده برای یک برنامه خاص ارائه خواهیم داد.

1) سختی

سختی به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر خراش یا فرورفتگی روی سطح آن اشاره دارد. این یکی از متداول ترین خواص مواد است و می تواند برای هر ماده جامد اعمال شود. بدیهی است که خراشیدن یا فرورفتگی مواد سخت تر دشوارتر است.

چندین مقیاس سختی استاندارد و روش های تست وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد. رایج ترین مقیاس ها عبارتند از راکول، ویکرز و ترازو سختی برینل.

ممکن است یک قطعه از مواد را 45 Rc (مقیاس راکول C) نامید. سختی با استفاده از دستگاه کالیبره شده اندازه گیری می شود که نیروی مورد نیاز برای قرار دادن یک فرورفتگی کوچک در نمونه ماده را اندازه گیری می کند.

در حالی که برخی از مواد به طور طبیعی سخت‌تر از سایرین خواهند بود (مثلاً فولاد همیشه سخت‌تر از آلومینیوم است)، سختی بسیاری از مواد را می‌توان با عملیات حرارتی یا سخت‌کاری کار افزایش یا کاهش داد.

سختی برای یک مهندس طراح بسیار مفید است. به عنوان مثال، یک مهندس به طور کلی حداقل سختی را برای چیزی مانند چکش مشخص می کند تا اطمینان حاصل شود که در شرایط عادی به راحتی خراش یا فرورفتگی ندارد. با این حال، ممکن است ایده خوبی باشد که یک قطعه فولادی ضد زنگ را که در مراحل بعدی ماشینکاری می شود، بازپخت کنید تا مطمئن شوید که برای ابزارهای برشی که استفاده می شود خیلی سخت نیست.

2) سفتی

سفتی، سختی یکی دیگر از ویژگی های رایج است و به تمایل یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل اشاره دارد. یک قسمت بسیار سفت، شکل خود را تحت بار نگه می دارد، در حالی که قسمتی که سفت تر است، احتمال خم شدن بیشتری دارد.

یکی از معیارهای رایج، مدول الاستیسیته یک ماده معین است. هر چه مدول الاستیسیته بیشتر باشد، سفتی بیشتر است.

تیر پل را در نظر بگیرید که باید شکل خود را تحت بارهای بزرگ حفظ کند. یک مهندس طراح می خواهد ماده ای را برای تیر مشخص کند که مدول الاستیسیته بالایی داشته باشد تا مطمئن شود تحت بار مورد انتظار منحرف نمی شود.

3) ضریب انبساط حرارتی

هنگامی که انبساط حرارتی یک موضوع است، مهم است که ضریب انبساط حرارتی (CTE) مواد درگیر را در نظر بگیریم. این ویژگی نشان می دهد که اندازه یک قطعه با تغییر دما چقدر تغییر می کند. هر چه CTE بالاتر باشد، با هر درجه افزایش دما، ماده بیشتر رشد می کند.

این امر به ویژه در کاربردهای با دمای بالا مانند موتورها، که در آن اجزا باید طوری طراحی شوند که در دمای کامل کارکرد موتور و نه در شرایط سرد، کار کنند و در کنار هم قرار گیرند، مهم است.

CTE مواد غیرمشابه و افزایش تنش ناشی از آن بر هر جزء نیز باید در نظر گرفته شود که مجموعه‌های فرعی با اجزای متعدد با هم گرم شوند، برای مثال در یک کوره بریز.

4) رسانایی حرارتی

یکی دیگر از ویژگی های مهم حرارتی رسانایی حرارتی است که مشخص می کند یک ماده چقدر راحت گرما را هدایت می کند. رسانایی حرارتی معمولاً بر حسب واحدهای W/mK (وات بر متر-کلوین) در واحدهای SI یا BTU/hr-ft-degF (BTU در هر ساعت فوت- درجه فارنهایت) اندازه‌گیری می‌شود.

این یک ویژگی مفید هنگام طراحی سینک های حرارتی و اجزای عایق است. مواد با رسانایی حرارتی بالاتر برای سینک های حرارتی بهتر هستند زیرا گرما را به راحتی جذب می کنند، در حالی که مواد با رسانایی کمتر عایق های حرارتی بهتری می سازند.

5) استحکام برشی

مقاومت برشی مقاومت یک ماده در برابر شکست تحت بارهای برشی است. بارهای برشی بارهای لغزشی در دو جهت متضاد هستند، دقیقاً شبیه نحوه برش کاغذ با قیچی یا نحوه برش فلز با برش.

این امر هنگام طراحی اجزایی که تحت بارهای برشی قرار می گیرند یا معمولاً برای انتخاب موادی که در فرآیندهای تولید خاصی زنده می مانند، مهم است.

به عنوان مثال، اگر یک قطعه ورق فلزی به صورت هیدروفرم شود، مهم است که ماده ای را انتخاب کنید که در طول فرآیند پاره نشود، زیرا بارهای برشی سنگین اعمال می شود. برای این کار، یک مهندس طراح ماده ای با مقاومت برشی بالا (معمولاً ماده ای کمتر انعطاف پذیر) انتخاب می کند.

6) استحکام کششی

قطعه ای که تحت بارهای کششی قرار می گیرد (یکی که از دو سر کشیده می شود) باید دارای یک استحکام کششی (معمولاً به عنوان مقاومت کششی نهایی یا UTS). این یک ویژگی بسیار رایج است که در یک آزمایش کششی استاندارد تعیین می شود که در آن نمونه کشیده می شود تا شکسته شود و بار اندازه گیری می شود.

برخی از قطعات به طور ناگهانی تحت بار بدون تغییر شکل شکسته می شوند، در حالی که برخی دیگر قبل از شکستن نهایی، تغییر شکل پلاستیک سنگین را نشان می دهند. نوع شکست تا حد زیادی به شکل پذیری مواد بستگی دارد.

استحکام کششی عاملی در انواع کاربردها از جمله اجزای توربین دوار است که به دلیل سرعت چرخش و وزن قطعات سنگین به سرعت می چرخند و تحت بارهای کششی سنگین قرار می گیرند.

7) مقاومت فشاری

مقاومت فشاری ظرفیت یک قطعه برای مقاومت در برابر نیروی فشاری است. قطعه ای با مقاومت فشاری کم در اثر فشار کمانش و شکسته می شود. به طور کلی، یک منحنی تنش-کرنش برای یک ماده معین ایجاد می شود تا نشان دهد چه مقدار کرنش از مقدار معین تنش فشاری حاصل می شود.

هنگام طراحی اجزای کامپوزیت، مقاومت فشاری اغلب می تواند یک عامل بزرگ باشد. به عنوان مثال، فیبر کربن دارای استحکام کششی بسیار بالایی است، اما به راحتی تحت فشار کمانش می کند. به همین دلیل، مهم است که هنگام انتخاب قطعاتی که فشرده می‌شوند، مراقب باشید و مراقب تأثیرات جهت‌دار مواد خاص باشید.

8) قدرت تسلیم

هنگامی که تحت تنش قرار می گیرند، اکثر مواد با تغییر شکل الاستیک شروع می شوند، به این معنی که به محض حذف تنش به شکل اولیه خود باز می گردند. با این حال، در یک نقطه خاص، آنها شروع به تغییر شکل پلاستیکی می کنند، به این معنی که اگر تنش برداشته شود، به شکل اولیه خود باز نمی گردند. نقطه ای که یک ماده این تغییر شکل پلاستیکی را شروع می کند به عنوان مقاومت تسلیم شناخته می شود.

این نقطه بحرانی در طراحی است که تعیین می‌کند در چه نقطه‌ای طراحی شکست می‌خورد. اگر یک پلت فرم برای تحمل بار 500 پوندی طراحی شده باشد، اما 450 پوند تسلیم شود، طراحی ناقص است و پلت فرم به طور غیرمنتظره ای از کار می افتد.

استحکام تسلیم بسیاری از مواد (از جمله بیشتر فلزات) را می توان با سخت کاری، آلیاژسازی و عملیات حرارتی تغییر داد و الزامات نمونه برداری دقیق اغلب برای اجزای حیاتی در نظر گرفته می شود تا اطمینان حاصل شود که مواد به طور غیرمنتظره ای در خدمت کار نمی کنند.

9) زبری سطح

بسیاری از فرآیندهای ساخت اثرات منحصر به فردی بر روی سطح قطعه دارند. به عنوان مثال، فرآیند ریخته‌گری با ماسه ممکن است قسمتی را با روکش کاغذ ماسه‌ای خشن تا سخت باقی بگذارد، در حالی که عملیات سنگ‌زنی ممکن است سطحی به اندازه شیشه صاف کند. برای کنترل این امر، اغلب در نقشه‌های مهندسی، نیاز به زبری سطح نامیده می‌شود.

تعیین حد زبری سطح همچنین می تواند به کنترل سایش، اصطکاک، ترک های سطحی و توانایی یک قطعه برای پوشش دهی کمک کند. عموماً زبری را با پروفیلومتر اندازه گیری می کنند که ابزاری است که در امتداد سطح یک قطعه کشیده می شود.

در حالی که پارامترهای زبری سطح زیادی در حال استفاده است، با برخی استانداردهای خاص صنعت، رایج ترین آنها است Ra، که میانگین نمونه برداری از مقادیر در یک منطقه معین است.

بسته به نیازهای زبری طراحی خود، باید یک فرآیند تولید مربوطه را انتخاب کنید که بتواند نیازها را برآورده کند. کتابچه راهنمای ماشین‌آلات مکان خوبی برای یافتن راهنمایی برای پرداخت‌های معمول سطوح فرآیندهای تولید رایج است.

10) نقطه ذوب

در نهایت، هنگام طراحی برای کاربردهای با دمای بالا، ارزش آن را دارد که به نقطه ذوب فکر کنید. از مواد، که دمایی است که در آن یک ماده از جامد به مایع تبدیل می شود.

مهم است که مطمئن شوید که مواد شما در حین سرویس یا در حین ساخت (مثلاً در هنگام لحیم کاری کوره) به نقطه ذوب خود نزدیک نشوند.

همچنین خوب است بدانید که فشار بر نقطه ذوب ماده تأثیر می گذارد، با فشار بالاتر، نقطه ذوب را افزایش می دهد.

از کجا می توان اطلاعات مربوط به خواص مواد را پیدا کرد

اکثر تولید کنندگان مواد، داده هایی را در مورد محصولات خود منتشر می کنند که شامل تمام خواص مواد مربوطه است. می‌توانید این اطلاعات را در وب‌سایت‌های آنها بیابید یا از نماینده فروش خود درخواست کنید. مرجع خوب دیگر کتاب راهنمای ماشین‌آلات است که مملو از اطلاعات مفید در مورد مواد، خواص آنها و نحوه واکنش آنها به فرآیندهای مختلف تولید است. Matmatch همچنین یک منبع آنلاین عالی از اطلاعات رایگان برای ده ها هزار ماده است.