مهندسی متالورژی (علم مواد)

[toc]

علم و مهندسی مواد به بررسی انواع ماده‌ها، ساختار آنها، خواص و کاربردشان می‌پردازد. در علم مواد، ماده‌ها به طور جامع به سه بخش اصلی فلزات، سرامیک‌ها و پلیمرها تقسیم‌بندی می‌شوند.

گرایش‌های اصلی

• سرامیک

• شکل‌دهی فلزات

• ریخته‌گری

• جوشکاری

• استخراج فلزات

• نانو مواد

• بیو متریال

• حفاظت و خوردگی

• مهندسی سطح

• شناسایی و انتخاب مواد

• خوردگی فلزات زیر آبی

جستارهای وابسته

• متالورژی

• نانوتکنولوژی

• خواص مواد

• ساختار مواد

• عملیات حرارتی

• متالورژی پودر

برگرفته از بخشی از صحبت‌های جناب آقای مهندس حسین قنواتیان در تاریخ 21/9/96

وقتی از رشته‌ای به نام متالورژی سخن به میان می‌آید، دیگر فکر کردن به اینکه اگر بدنه خودروها به‌طور کامل از جنس Tini باشد، پس از تصادف خودرو با یک کامیون، نگرانی برای صافکاری و هزینه آن وجود ندارد چراکه فقط کافی است بدنه خودرو را تا حد معینی حرارت داد تا بدنه به‌سرعت تغییر شکل بدهد و شکل اولیه خود را پیدا کند یک خیال‌پردازی علمی نیست زیرا پیشرفت علم متالورژی قادر به رفع موانع تکنولوژیکی تولید و کاربرد این آلیاژهاست. همچنین صحبت کردن از یافتن جایگزینی برای پلاتین با قیمت ارزان‌تر در کاربردهای پزشکی نیز یک رؤیا نیست و یا زنجیر طلایی که به‌راحتی پاره نمی‌شود، سرویس‌های طلایی که پس از مدتی، کدر و یا دارای خش‌های فراوان نمی‌شود و بسیاری از مثال‌های دیگری که نام بردن آن شاید از مرز 100 شماره نیز عبور کند.

علم متالورژی از گرایش‌های مهندسی مواد است و این علم و صحبت‌های جناب آقای مهندس قنواتیان در مورد کاربردها و اهمیت آن به حدی جذاب و وسیع است که هرکسی را مجذوب تحصیل در این رشته می‌کند چراکه تنها رشته مهندسی است که به‌عنوان علم شناخته می‌شود. علم و دانش نسبتاً جوانی که تنها 100 سال از عمر آن می‌گذرد و با کشف روش‌های استخراج و تصفیه فلزات، شناسایی مشخصات ساختاری و فیزیکی مواد، فنون جدید شکل دادن و تولید فلزات، متولدشده است علمی که به بخش‌های متالورژی استخراجی، صنعتی و گرایش جدید سرامیک تقسیم می‌شود.

گرایش متالورژی صنعتی شامل روش‌های مختلف تولید مصنوعات فلزی است که از مهم‌ترین روش‌های آن، متالورژی پودر، شکل‌دهی، جوشکاری و ماشین‌کاری و… است و به‌طور بسیار خلاصه گرایشی است که خواص و مشخصات فیزیکی و ساختاری و مکانیکی مواد را بررسی می‌کند اما حقیقت آن است که این تعریف کلی نیز کم‌لطفی به این گرایش مهم بوده و حق مطلب را ادا نمی‌کند، تمامی مقدمات شرح داده‌شده، ایده‌ها و اختراعات و … اکثراً مربوط به این گرایش است.

دلیل شکست کشتی تایتانیک چه بوده است؟! یکی از تخصص‌های مهندس متالورژ در این گرایش، شکست نگاری است (بررسی دلایل شکست). طبق تحقیقات صورت گرفته یکی از دلایل شکست تایتانیک، عدم توجه به انرژی ضربه بود.

اما گرایش متالورژی استخراجی، شامل جدا کردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آن‌ها و تولید فلزات، شناخت کوره‌ها و سوخت‌ها و فعل انفعالات شیمیایی است به‌عنوان‌مثال آنچه که در کارخانه ذوب‌آهن اصفهان تا مرحله تهیه شمش آهن خام (چدن) انجام می‌شود، همان متالورژی استخراجی است.

و در آخر گرایش جدید سرامیک (شاخه سرامیک). این ذهنیت در مورد این گرایش که سرامیک هنر ساخت ظروف سرامیکی و سفالینه‌هاست اشتباه است بلکه سرامیک به‌صورت علمی، بسیار وسیع‌تر از ساخت چنین وسایلی است و بر این اساس می‌توان گفت که سرامیک به‌طورکلی هنر و علم ساختن و بکار بردن اشیاء جامدی است که اجزای تشکیل‌دهنده اصلی و عمده آن‌ها مواد غیر آلی و غیرفلزی است یعنی علم نسبتاً جدید سرامیک (در ایران)، علاوه بر سفالینه‌ها شامل انواع چینی‌ها، مواد دیرگداز، فرآورده‌های ساختمانی، مواد ساینده، لعاب‌های چینی، سیمان، شیشه، مواد مغناطیسی غیرفلزی، فرو الکتریک‌ها، تک‌بلورهای مصنوعی و محصولات پیچیده‌تر دیگر نیز می‌شود و دانشجویان آن در طول دوره تحصیل خود، پس از کسب پایه‌های علمی و مهندسی، با کلیه فرآیندهای ساخت سرامیک‌ها از مواد اولیه و آماده‌سازی تا کنترل کیفیت محصولات ساخته‌شده و ارتباط بین ساختمان و خواص این مواد آشنا می‌شوند.

 معرفی واژه متالورژی (تاریخچه)

Metallurgy یا فلزشناسی ترکیب دو کلمه یونانی metall به معنی فلز و ergon به معنی کار ساخته‌شده است، شاخه‌ای از علم مواد که به شناخت و استخراج فلزات و فناوری‌های کار با فلزات می‌پردازد و از زمانی که انسان فلزات را شناخت، متالورژی را به‌عنوان یک هنر فراگرفت.

این علم، جداسازی مواد معدنی از سنگ معدن آن‌ها، ذوب، تصفیه و تولید شمش، بهبود خواص و تهیه آلیاژها و فن کار بر روی فلزات و شکل‌دهی و حتی بهبود خواص فلزات و… را در برمی‌گیرد و از منفکات رشته مکانیک جامدات است که از سال 1375 در دانشگاه‌های ایران تدریس می‌گردد و شاید به همین دلیل است که طبق گفته جناب آقای مهندس قنواتیان: حضور مهندس متالورژ در کنار مهندس مکانیک، ضروری و الزامی است.

 تفاوت رشته علم مواد و متالورژی

به‌طورکلی علم مواد شامل بررسی خواص جامدات می‌شود و دربرگیرنده فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها و شناخت مواد و ساختار و خواص آن و ارتباط بین این دو ساختار و خواص در جهت افزایش زمینه‌های کاربردی و طراحی مواد نو و ترکیبات جدید و عمل‌آوری و امتحان آن برای تولید فرآورده‌های گوناگون از چیپ های کامپیوتری و صفحات تلویزیون و لاستیک‌های نسل جدید اسفنج مانند میشلن ویژن تا فلز بکار رفته در قطعات خودروها و … است و در چند کلمه بطور بسیار خلاصه علم مواد، انتخاب مواد برای کاربردهای جدید است اما علم متالورژی به‌طور عمده به فلزات و ساختار آن‌ها می‌پردازد و در تحصیلات تکمیلی، خواص و کاربردهای دیگر جامدات نیز بررسی می‌شود.

 توانایی‌های لازم برای یک مهندس متالورژ

مهندس قنواتیان دراین‌باره می‌گویند:

متالورژی علم بسیار پیش‌رونده‌ای است که مدام دستخوش تغییرات و تحولات و دستاوردهای علمی فعالان این حوزه در عرصه بین‌المللی قرار می‌گیرد به همین دلیل نیازمند ذهنی خلاق و کنجکاو و قدرت تجزیه تحلیل قوی برای ارائه اختراعات و دستاوردهای جدید است به همین دلیل مهندسان متالورژ آخرین خلاقیت‌های خود را در قالب مقالات در اختیار جامعه مهندسان مواد قرار می‌دهند و این مستلزم تسلط کامل مهندس متالورژ به زبان انگلیسی است. همچنین در مهندسی مواد دو علم شیمی و فیزیک اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند چرا که بررسی خواص مواد، بدون آشنایی با این دو علم کمکان پذیر نیست. علاوه بر این تسلط به ریاضی برای یافت قدرت تجزیه و تحلیل بسیار اهمیت دارد.

موقعیت‌های شغلی یک مهندس متالورژ در ایران

مهندس قنواتیان دراین‌باره می‌گویند:

مهندسان متالورژ در ایران دو دسته‌اند، مهندسانی که متوجه ارزش و تفاوت رشته خود و تعامل آن با سایر رشته‌های مهندسی شده و با تسلط به زبان انگلیسی و مقالات فراوان به چنان درک و دید قوی از رشته خود می‌رسند که قادر به تشکیل تیم ورک و تعامل با دیگر مهندسان از سایر رشته‌ها شده و اختراعات و ایده‌های جدید و متفاوتی را در صنایع گوناگون اعم از صنایع دفاعی ارائه می‌کنند چراکه صنایع دفاعی یک کشور، جز صنایع پیشرفته هر کشوری است و باوجود ناشناخته بودن و عدم معرفی اهمیت رشته متالورژی و کارایی آن در ایران، این مهندسان در قسمت صنایع دفاعی ارزش و اهمیت بسیار زیادی دارند و معمولاً چنین مهندسانی با این وسعت دید و علم، پس از تحصیل ایران را ترک می‌کنند.

اما دسته دوم مهندسان متالورژی که متأسفانه سواد کافی ندارند و در طول دوره تحصیل خود به دلیل عدم تسلط به زبان انگلیسی و مطالعه مقالات و عدم مطالعه کافی، قدرت خلاقیت و تجزیه تحلیل ندارند و مجبور می‌شوند که با مدرک دیپلم خود، مشغول به کار شده و یا تغییر رشته بدهند.

با این مقدمه از صحبت‌های جناب آقای مهندس قنواتیان به خوبی دریافت می‌شود که یک فارغ‌التحصیل متالورژی، نباید به فکر پشت‌میزنشینی بوده و باید آمادگی کار در شرایط سخت را داشته باشند.

مهندسان گرایش استخراجی می‌توانند جذب مراکزی بشوند که به فرآیند استخراج و تولید مواد اولیه فلزی (آهنی و غیر آهنی) از کانه‌های مربوط می‌پردازند. برای مثال می‌توانند در صنایع نفت و پالایش و همچنین صنایع آهنی و غیر آهنی مانند ذوب‌آهن اصفهان، مجتمع مس سرچشمه و آلومینیوم اراک، مشغول به کار شوند.

اما جریان کاری مهندسان متالورژی صنعتی، کمی متفاوت‌تر است و می‌توانند در مراکزی که با تولید قطعات فلزی سروکار دارند مانند صنایع ریخته‌گری، صنایع متالورژی پودر، صنایع فولادسازی، صنایع دفاعی، هواپیماسازی، صنایع نفت و گاز بخصوص در بخش حفاظت‌های آندی یا کاتدی و…، کشتی‌سازی، تراکتورسازی، خودروسازی و ساخت قطعات مختلف وسایل خانگی ازجمله یخچال، کولر، ماشین لباسشویی، تلویزیون و ضبط‌صوت و… فعالیت نمایند.

در مورد فرصت‌های شغلی مهندس سرامیک نیز باید گفت که امروزه صنایع سرامیک برای رشد اکثر صنایع، اهمیت بسیاری دارد برای مثال صنایع متالورژی و سایر صنایعی که با درجه حرارت بالا سروکار دارند، مصرف‌کننده مواد دیرگداز هستند و یا صنایع الکترونیک احتیاج به قطعات مختلف سرامیکی با خواص الکترونیکی و مغناطیسی مطلوب دارند. همچنین صنایع اتومبیل‌سازی، صنایع ساختمانی، صنایع تولید نیرو، مخابرات و بالاخره هر خانه و خط تولید هر کارخانه‌ای نیاز به فرآورده‌های سرامیکی دارد.

در حال حاضر در کشور ما در کارخانه‌های عمده کاشی سازی، چینی‌سازی، تولیدکننده مواد نسوز، تولیدکننده‌های سرامیک‌های الکتریکی، شیشه‌سازی، آجر و سیمان، اپتیک، فیلترهای بسیار دقیق اپتیکی، کلاهک‌ها و پوشش‌های بیرونی موشک‌های فضاپیما، قطعاتی که جایگزین اعضای بدن می‌شوند و… نیازمندان رشته سرامیک‌اند.

 گرایش‌های کارشناسی ارشد مهندسی مواد-متالورژی

جوشکاری، ریخته‌گری، بیومواد، نانو مواد، سرامیک، خوردگی، شکل‌دهی فلزات، شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

بخشی از صحبت‌های جناب آقای مهندس قنواتیان در مورد نقش مهندسان متالورژ در جوشکاری و خوردگی در صنعت نفت و گاز:

حوزه جوشکاری:

وجه بسیار اشتراکی متالورژی با مکانیک، جوشکاری است بخصوص گرایش جامدات.

جوشکاری در مفهوم بسیار ساده و ابتدایی، یعنی فلزی به فلز دیگر متصل می‌شود و این شرط بسیار بدیهی وجود دارد که اتصال با افزایش دما رخ خواهد داد. اما مهندس متالورژ می‌گوید که فقط بالا بردن دما و اتصال دهی شرط نیست چراکه خروجی کار می‌تواند اتصالی باشد که استحکام آن از ورق اصلی، پیش از اتصال پایین‌تر باشد. در اینجا شاید ورق‌ها به یکدیگر متصل شده باشند و این اتصال و پر شدن بین دو ورق ناشی از بالا بردن دما و اتفاقاً با استفاده از فیلتر باشد اما در اثر همین افزایش و اختلاف دما، محدوده جوش داده‌شده ممکن است ترد تر از این‌طرف و آن‌طرف ورق باشد و همین جوشی که باعث اتصال شده است، دچار شکست بشود. قرار نیست هر چیزی که دو فلز را به یکدیگر اتصال می‌دهد در جوشکاری استفاده بشود. کیفیت جوش با تفاوتی می‌تواند باشد که با اطمینان کامل حتی در صورت بارگذاری چند برابر روی ورق‌ها، ورق ابداً از نقطه‌جوش نشکنند و این یعنی همان ضریب اطمینان (inpact factor)؛ اما چرا؟

چون در ایران نظام‌مهندسی برای مواد گرایش متالورژی وجود ندارد و متالورژی رشته‌ای ناشناخته است و الکترود در اختیار هر فرد غیرمتخصصی قرار داده می‌شود تا جوشکاری را انجام دهد و تنها دلیل آن این است که تأیید جوش، زیر نظر مهندسین مواد نیست.

حوزه نفت و گاز (خوردگی):

دلیل اصلی انفجارهای اخیر در پالایشگاه‌های پتروشیمی، خوردگی است و دلیل آن کم‌توجه بودن نسبت به مفهومی به نام خوردگی است چراکه متأسفانه در ایران به جایگاه و علم مهندسان متالورژ درزمینهٔ خوردگی، اهمیت داده نمی‌شود یا بهتر است این‌گونه گفته شود که کمتر اهمیت داده می‌شود.

اگر با به‌کارگیری مهندسان مجرب متالورژ، به ایستگاه‌های حفاظت کاتدی و آندی و قطعات فداشونده توجه شود و چکاپ هایی با دوره‌های زمانی معین اتفاق بیفتد، شاید اصلاً خبری از چنین انفجارهای ناگواری شنیده نشود.

 گرایش‌های دکتری علم مواد

بیومتریال، نانو مواد، مهندسی مواد