دانلود تحقیق علم تکنولوژی مواد

علم تکنولوژی مواد
فصل اول
طبقه بندی مواد کار

1- طبقه بندی مواد کار
1-1- تعریف تکنولوژی مواد:
علمی که درباره استخراج، تصفیه، آلیاژ کردن، شکل دادن، خصوصیات فیزیکی، مکانیکی، تکنولوژیکی، شیمیایی و عملیات حرارتی بحث می‌کند، تکنولوژی مواد گفته می‌شود.

این علم ساختمان داخلی مواد از نظر شبکه‌بندی، ترکیب و سایر خصوصیات آنها را بررسی می کند.

2-1- طبقه‌بندی عناصر
تعریف عنصر:
موادی که در اثر تجزیه قابل تبدیل به مواد ساده‌تر نباشند، عنصر نامیده می‌شود.

بیشترین عنصر در طبیعت، اکسیژن میباشد.

حجم هوا را اکسیژن خالص اشتغال نموده و نصف جرم پوسته ‌ زمین از ترکیبات اکسیژن دار تشکیل شده است.

(بیشترین فلز آلومینیم می‌باشد 1/8% بعد از آن آهن 5%)

3-1- عناصر مهم و ترکیبات آنها
1-3-1- خواص اکسیژن (o) :
گازی است بی بو، بی رنگ و بی مزه، ترکیب آن با عناصر دیگر را اکسیداسیون گویند.

برای ایجاد حرارت زیاد، اکسیژن را با گازهایی مانند گاز طبیعی، هیدروژن، استیلن محترق می‌کنند تا درجه حرارتی معادل 2000 تا 3200 درجه سانتی گراد بدست آید.

مراحل تولید اکسیژن:
1- تراکم هوا تا فشار 200 بار 2- سرد کردن هوای متراکم تا دمای c ْ175- 3- کاهش فشار به 3 /4 بار و مایع شدن هوا 4- کاهش دما تا cْ200-5- حرارت دادن و تبخیر هوای مایع در Cْ183- و تولید اکسیژن خالص 6- پر کردن کپسول با فشار 150 بار
اکسیداسیون

ترکیب اکسیژن با عناصر دیگر سرعت زیاد و شعله = احتراق (سوختن تند)‌مانند جوشکاری با گاز اکسی استیلن
بدون شعله و حرارت= سوختن کند (زنگ زدن فلزات)
احیاء:
جدا کردن تمام یا قسمتی از اکسیژن در یک ترکیب اکسیژن دار- با بکار بردن حرارت
2-3-1- هیدروژن (H) :
سبکترین عنصر- بدون رنگ، بو و مزه.

قابل انتقال برای جوشکاری به همراه اکسیژن کاربرد : تولید مواد مصنوعی ، پلاستیک، جامد کردن روغن نباتی.

تولید: با الکترولیز آب، اکسیژن و هیدروژن را تولید می‌کنند و به صورت مایع به بازار می‌ دهند.

3-3-1- کربن (C)
عنصر اصلی مواد سوختنی مانند چوب، زغال و نفت می‌باشد.

کربن خالص: کریستال خالص کربن- الماس- سخت‌ترین عنصر- ساخت ابزار و گرد آن برای ساختن سنگ سنباده
مطبق: فلس ماهی – گرافیت- نرم و سیاه رنگ و مقاوم در مقابل حرارت و هادی برق و حرارت
کاربرد: تولید بوته ذوب فلزات، الکترود کوره‌ها، کم کننده اصطکاک
بی شکل (آمرف): دوده کاربرد: لاستیک‌سازی، مرکب و چاپ

وجود کربن در فولاد باعث افزایش استحکام و سختی می‌شود و قابلیت زنگ زدن کم می‌شود و احیای اکسیدهای فلزی
ترکیب کربن و اکسیژن دی اکسید کربن ( )ک از سوختن کامل کربن و ترکیبات کربن‌دار و همچنین از تجزیه سنگهای آهکی و تخمیر مواد سلولزی حاصل از بقایای گیاهان بدست می‌آید.

از هوا سنگین‌تر است و سمی نیست ولی تنفس را غیر ممکن می‌کند و در آتش نشانی و نوشابه‌های گازدار استفاده می‌شود.

منوکسید کربن (co): از سوختن ناقص کربن و ترکیبات آن به وجود می‌آید.

بی رنگ ، بی بو و بسیار سمی است احیاء کننده ،قابل انتقال به رنگ آبی و به دی اکسید کربن تبدیل می‌شود.

ترکیب کربن با فلز: کاربید کاربید آهن
کاربید ولفرام
کاربید کلسیم
کاربید سیلیسم (sic سختی آن نزدیک به سختی الماس است و برای سنگ سنباده استفاده می‌شود.

ترکیب کربن با هیدروژن= هیدروکربن: کلیه مواد سوختنی جامد، مایع یا گاز، روغن‌ها، گریس‌ها، استیلن، نفت خام- متان، بوتان پروپان، بنزین و بنزن
4-3-1- سیلیسم (Si) :
غیر فلز و به صورت خالص در طبیعت یافت نمی شود.

در آلیاژ فولاد و چدن کاربرد دارد.

ممهترین ترکیب= دی اکسید سیلیسم= سیلیس، که اگر به صورت کریستال متبلور شده باشد= کوارتز در ریخته گری از ماسه‌های سیلیس دار استفاده می‌شود.

5-3-4- گوگرد (S):
زرد، جامد، شکننده، خالص، در کنار آتش نشانها یا چشمه‌های آب معدنی
گوگرد+ اکسیژن  شعله‌ای به رنگ آبی= دی ا کسید گوگرد بوی زننده دارد برای ضد عفونی و تهیه ‌اسید سولفوریک ترکیب گوگرد با فلزات (بدون اکسیژن) سولفید نامیده می‌شود، سولفید آهن یا سولفید سرب (pbs)
از پودر گوگرد برای ولکانیزه کردن لاستیکها استفاده می‌شود، باعث افزایش مقاومت در مقابل حرارت، عوامل جوی و مواد شیمیایی می‌شود.

4-1- خواص فیزیکی مواد: خواص فیزیکی باعث تغییر در ساختمان شیمیایی اجسام نمی‌شود قابلیت هدایت حرارت، الکتریسیته، جرم مخصوص و نقطه ذوب 1-4-1- قابلیت هدایت حرارت: قدرت هدایت حرارت واحد طول جسم بر واحد سطح مقطع آن گفته می‌شود.

فلزات هادی هستند، به ترتیب نقره، مس، آلومینیم.

2-4-1- قابلیت هدایت الکتریسیته: قدرت هدایت الکتریسیته واحد طول جسم بر واحد سطح مقطع آن گفته می‌شود.

نقره، مس ، آلومینیم 3-4-1- جرم مخصوص: جرم واحد حجم از هر جسم را جرم مخصوص آن جسم گویند.

به نوع ماده و اندازه تراکم ذرات ماده بستگی دارد.

4-4-1- نقطه ذوب: درجه حرارتی که یک ماده در شرایط متعارفی از جامد به مایع تبدیل می‌شود، نقطه ذوب گفته می‌شود، نقطه ذوب مواد خالص مشخص است.

5-1 خواص مکانیکی مواد: مقاومت فلزات در مقابل تأثیرات عوامل مکانیکی استحکام، سختی، الاستیسیته.

1-5-1- استحکام: مقاومت در مقابل نیروی خارجی.

به مقدار، نحوه تأثیر نیرو و نیروی جاذبه بین مولکولی بستگی دارد.

2-5-1- سختی: مقاومت در مقابل نفوذ جسم خارجی 3-5-1- الاستیسته: برگشت پذیری مواد پس از تغییر شکل ناشی از اعمال نیروی خارجی گفته می‌شود.

6-1- خواص تکنولوژی مواد : 1-6-1- چکش خواری: قابلیت تغییر شکل مواد در اثر نیروی فشاری و ضربه.

چدن قابلیت چکش خواری ندارد.

2-6-1- ریخته‌گیری: شکل پذیری اجسام در حالت مذاب برای اجسام جدار نازک ، باید ماده دارای قابلیت ریخته‌گری خوبی باشد.

چدن، آلیاژ آلومینیم، آلیاژ مس، مواد مصنوعی به راحتی ریخته‌گری می‌شود.

3-6-1- جوشکاری: موادی که بوسیله حرارت یا حرارت توأم با فشار بتوان آنها را به صورت مذاب به یکدیگر وصل نموده فولادها، مواد مصنوعی و فلزات غیر آهنی.

4-6-1- قابلیت براده‌برداری: اگر با سرعت زیاد و نیروی کم براده برداری شود و سطح آن پس از براده‌برداری صاف باشد قابلیت براده برداری خوبی دارد.

7-1- خواص شیمیایی مواد: مقاومت در مقابل خوردگی- قابلیت احتراق – مقاومت در مقابل اکسید شدن، سمی بودن مقاومت یک فلز در مقابل عوامل خارجی مانند زنگ زدن و خوردگی بوسیله اسیدها را می‌توان بوسیله آلیاژ کردن افزایش داد.

فصل دوم فلزات آهنی 1-2- آهن، فولاد، چدن 1-1-2- آهن (Fe) حدود 5 درصد از قشر جامد زمین را تشکیل می دهد و بعد از آلومینیم می‌باشد.

آهن بیشتر به صورت اکسید در طبیعت می‌باشد ولی به صورت کربنات، سیلیکات و سولفید آهن نیز وجود دارد.

آهن خالص نرم است پس با غیرفلزات (کربن- گوگود- فسفر- سیلیسم) و با فلزات (کرم- نیکل- وانادیم و مولیبدن) به صورت آلیاژ استفاده می‌شود که فولاد و چدن نامیده می‌شود.

2-1-2- فولاد و چدن اگر مقدار کربن از 06/2 درصد کمتر باشد فولاد گفته می‌شود و فولاد آلیاژی تا 2/2 درصد کربن دارد.

اگر مقدار کربن در آهن بین 06/2 تا 67/6 درصد باشد چدن گفته شود.

اگر کربن زیاد شود نقطه ذوب کمتر و قابلیت ریخته گری کم و قابلیت آبکاری و چکش خواری بهتر می‌شود.

1- مهمترین سنگ های معدنی آهن: 1- سنگ آهنی مغناطیسی (ماگنتیت) که 60 تا 70 درصد آهن دارد.

2- سنگ آهن قرمز (هماتیت) که 40 تا 60 درصد آهن دارد.

3- سنگ آهن قهوه‌ای( لیمونیت) که 30 تا 50 درصد آهن دارد.

4- سنگ آهن کربنات آهن (سیدریت) که 30 تا 40 درصد آهن دارد.

2- آماده کردن سنگ آهن: 1- غربال کردن 2- خرد کردن 3- تغلیظ و پر عیار کردن 2-2-2- سوخت کوره بلند سوخت کوره بلند کک میباشد.

و دمای مورد نیاز جهت احتراق Cْ 1200-800 است.

برای کمک به جریان ذوب و جدا کردن ناخالص از آهک استفاده می‌شود.

گاز مصرفی جهت احتراق گاز کوره + هوا می‌باشد ولی برای ذوب و تصفیه از کک استفاده می‌شود.

کوره بلند 4 واحد گرمکن دارد: منطقه خشک: قسمت بالا- دمای cْ300 و رطوبت منطقه احیاء گاز منوکسید کربن منطقه کربنیزه شدن دما cْ1000 و مواد به سمت پائین حرکت می کند.

منطقه ذوب 1200-1400 3-2- محصولات کوره بلند: سنگ آهک آهن خام سنگ آهن سرباره کک و کلوخه کوره بلند هوای گرم گاز کوره بلند شش آهن خام خاکستری «ماسل» نام دارد.

3-3-2- سرباره: سه برابر حجم آهن تولیدی است، برای تهیه آجرنسوز، سیمان، عایق‌های حرارتی، کودشیمیایی و زیرسازی جاده.

4-3-2- گاز کوره بلند: مخلوطی از دی اکسید کربن، منوکسیدکربن، متان، هیدروژن و ازت می‌باشد، بعد از گرفتن غبار برای مصارف حرارتی گرم کن‌های کوره‌های بلند، کک سازی، توربین های گازی و دیگ بخار و منازل استفاده می‌ شود.

آهن خام سفید و خاکستری مصرف صنعتی ندارد و باید آن را با چدن یا فولاد تبدیل کرد.

4-2- تولید آهن خام با روش احیای مستقیم: در این روش از سوخت گازی یا کک استفاده می‌شود و آهن خام تولید دارای 92 تا 96 درصد آهن خالص می‌باشد و به آن آهن اسفنجی گونید و با استفاده از کوره الکتریکی آن را به فولاد تبدیل می‌کنند.

5-2- تولید چدن از آهن خام: بوسیله کوره‌ کوپل به دست می‌آید.

بار ورودی این کوره‌ها ماسل+ چدن قراضه + آهن قراضه می‌باشد و مقدار کربن چدن 2 تا 67/6 درصد می‌باشد.

1-5-2- چدن خاکستری با گرافیت مطبق: در این چدن کربن به صورت لایه‌ای یا طبقه‌ای می‌باشد و این چدنها دارای سیلیسیم و عناصر گرافیت زای بالاتری هستند و در عوض عناصر کاربیدزا ندارند یا کمتر دارند.

کاربرد: لوله، یاتاقان، پنجره کوره‌ها و رینگ پیستون 2-5-2- چدن خاکستری با گرافیت کروی چدن داکتیل (GGG) کربن در آن به صورت کروی می باشد و چدن نشکن نیز گفته می‌شود، در اثر اضافه کردن آلیاژ منیزیم یا آلیاژ سلیسیم، آهن، منیزیم به چدن مذاب بدست میاید، قابلیت خم کاری ، انبساط و استحکام آن 3 تا 5 برابر چدن خاکستری با گرافیت مطبق می‌باشد.

کاربرد: میل لنگ، محفظه جعبه دنده‌ها، چر‌خ‌ دنده‌ها، قرقره‌ها، ماشین‌آلات کشاورزی، پوسته پمپ‌ها و توربین‌ها، سیلندر 3-5-2- چدن سخت (GH): در این چدن ، کربن با آهن تشکیل کاربید آهن را می دهد و به چدن سفید نیز معروف است این چدن با سریع سرد کردن و کاهش سیلیسیم و افزایش منگنز بدست می‌آید.

25-GH یعنی این چدن تا عمق 25 میلیمتری سخت شده است.

به دلیل مقاومت در مقابل سایش برای چرخ واگنها، پیستونهای هیدرولیکی، نورد، نورد ماشین چاپ ، کاغذ سازی، لاستیک سازی و آسیابها 4-5-2- تمپرگوس (چدن مالیبل): در اثر انجام عملیات حرارتی روی چدن سخت یا چدن سفید بدست می‌آید و سخت و شکننده نمی باشد، به چدن چکش خوار نیز معرف است عمل حرارت دادن را تمپر گویند.

کاربرد: کلید، اهرم ، سه راهی 5-5-2- چدن مخصوص: با آلیاژ کردن چدن با فلزات نیکل، کرم ، مولیبدن و وانادیم بدست می‌آید و سخت و شکننده نمیباشد، به چدن چکش خوار نیز معروف است عمل حرارت دادن را تمپر گویند.

کاربرد: کلید، اهرم ، سه راهی 5-5-2- چدن مخصوص: با آلیاژ کردن چدن با فلزات نیکل، کرم ، مولیبدن و وانادیم بدست می‌آید.

استحکام زیاد دارد در مقابل عوامل شیمیایی و حرارت زیاد مداوم هستند.

6-2- تولید فولاد از آهن خام: برای تهیه‌ فولاد از آهن خام باید میزان کربن را کاهش داد و دیگر عناصر موجود در آهن خام (گوگرد، فسفر، سیلیسیم و منگنز) را در حد مطلوب قرار داد.

روشهای تولید فولاد از آهن خام عبارتند از: 1-6-2- روش توماس بسمر 2-6-2- روش L-D 3-6-2- روش زیمنس مارتین 4-6-2- روش کوره‌قوس الکتریکی 1-6-2- روش توماس بسمر: مبدل توماس بسمر به شکل گلابی می‌باشد و به آن کنورتر نیز گفته می‌شود.

مبدل توماس جداره خارجی از فولاد و جداره داخلی از «دلمیت» است.

(دلمیت- کربنات مضاعف کلسیم و منیزیم) و چون پوشش آن خاصیت قلیایی دارد برای اکسید یا تازه کردن آهن‌هایی استفاده می‌شود که خاصیت قلیایی (فسفر، گوگرد زیاد، سیلسیم کم ) دارند.

مبدل بسمر: جداره خارجی از فولاد و جداره داخلی آن از آجر نسوز سیلیکات می باشد و برای اکسید یا تازه کردن آهن های استفاده می شود که خاصیت اسیدی (فسفر، گوگرد کم، سیلسیم زیاد) دارند.

کنورتر به صورت عمودی بوده و هوا با فشار 2 بار از پائین به سمت بالا دمیده می شود.

برای جذب اکسیژن فسفر به آن آهک اضافه می کنند و به سرباره وارد می شود.

عبور هوا که حامل اکسیژن نیز می‌باشد باعث سوختن کربن، سیلسیم و منگنز شده و به سطح سرباره می‌آیند.

رسیدن هوا 15 تا 20 دقیقه ادامه دارد.

و در جه حرارت آهن مذاب از 1300 درجه به 1600 درجه سانتی گراد افزایش می‌یابد.

از سرباره کنورتر توماس به دلیل داشتن فسفر زیاد برای تهیه کودشیمیائی استفاده می‌شود.

فولاد تولیدی به فولاد توماس معروف است و 05/0 تا 5/0 درصد کربن دارد که قابلیت آهنگری و جوشکاری خوبی دارد و برای تهیه پروفیلها