مهندسی مواد

هدف و ماهیت

تصور كنید در حال رانندگی در یكی از بزرگراهها هستید كه ناگهان كامیونی با خوردروی مهندسی مواد برخورد می‌كند و خسارت سنگینی نیز بر آن وارد می‌سازد. چنین برخوردی در حال حاضر علاوه بر صرف هزینه‌ای قابل توجه و نیاز به زمانی نسبتا طولانی برای تعمیر، در نهایت از ارزش خودرو نیز خواهد كاست. اما اگر بدنه خودروی مهندسی مواد به طور كامل از جنس آلیاژ Tini ساخته شده باشد، حداقل برای صافكاری مشكلی نخواهید داشت چون كافی است بدنه خوردو را تا حد معینی حرارت بدهید تا بدنه تصادفی به سرعت تغییر شكل یافته و شكل اولیه خود را پیدا كند.
البته در حال حاضر این یك خیال‌پردازی علمی است. اما با پیشرفت روزافزون علم متالوژی بزودی موانع تكنولوژیكی، در راه تولید و كاربرد این آلیاژها برطرف شده و مقدار زیادی از این مواد در شكل‌های گوناگون تولید خواهد شد.
آری علم متالوژی به عنوان یك صنعت مادر نه تنها در حال حاضر نقش مهمی را در پیشبرد تكنولوژی بر دوش دارد، بلكه در آینده نیز یكی از عوامل مهم پیشرفت تمدن بشری است.
حدود 6000 سال پیش زمانی كه بشر فلز را شناخت، متالوژی به عنوان یك هنر، پا به عرصه وجود گذاشت. در آن زمان انسان با جداكردن ذرات طلا از شن و ماسه بستر رودخانه‌ها، ذوب فلزات مختلف و شكل دادن آنها، اولین گامها را به سوی عصر فلزات برداشت و سپس با تولید مفرغ (برنز) و ساختن ابزاری مثل خنجرها، سرنیزه‌ها و دهنه اسب از این ماده وارد عصر مفرغ شد و بالاخره با استخراج آهن و ورود به عصر آهن، تمدن بشری به پیشرفت قابل ملاحظه‌ای دست یافت. 
آنچه گفته شد تاریخچه متالوژی به عنوان یك هنر یا فن بود اما متالوژی به عنوان یك علم، دانش نسبتا جوانی است كه تنها صدسال از عمر آن می‌گذرد و با كشف روشهای جدید استخراج و تصفیه فلزات ، شناسایی مشخصات ساختاری و فیزیكی مواد، فنون جدید شكل دادن و تولید فلزات متولد شده است. علمی كه به دو بخش كلی متالوژی استخراجی و صنعتی تقسیم می‌شود كه البته هر دو بخش مذكور در دانشگاههای كشور ما نیز به عنوان دو گرایش از رشته مهندسی مواد تدریس می‌گردد.
توانایی‌های مورد نیاز و قابل توصیه
توانایی علمی : دانشجویان این رشته باید در فیزیك و شیمی و ریاضی قوی باشند. نیاز به آشنایی با زبان انگلیسی در این رشته بیش از دیگر رشته‌های مهندسی اهمیت دارد.
توانایی جسمی: قدرت بدنی و توان جسمانی بالا و آمادگی كار در شرایط سخت.
علاقمندیها : ذهنی خلاق و كنجكاو باید داشته باشد و همچنین باید به این رشته علاقمند باشد.
توانایی مالی: ارزان بودن و فراوانی مواد سرامیكی از ویژگی‌های این رشته است.
توانمندی‌های لازم برای موفقیت
متالوژی استخراجی و متالوژی صنعتی
بسیاری از مردم تصور می‌كنند كه یك مهندس متالوژی فقط در كنار كوره‌كار می‌كند و به همین دلیل برای موفقیت در این رشته، اصل را بر قدرت?بدنی و توان جسمانی بالا می‌گذارند اما این یك تصور اشتباه است چون با وجود آن كه یك مهندس متالوژی نباید به فكر پشت‌میزنشینی بوده و باید آمادگی كار در شرایط سخت را داشته باشد، اما بدون شك مهندس این رشته بیش از توان جسمانی خوب نیاز به ذهنی خلاق و كنجكاو دارد و همچنین باید به این رشته علاقه‌مند باشد تا بتواند به پیشبرد علم متالوژی كمك كرده و یا حداقل در بازار كار، مهندسی موفق گردد.
همچنین دانشجویان این رشته باید در فیزیك ، شیمی و ریاضی قوی باشند. چون برای مثال فولاد خود به تنهایی بیش از 2000 نوع مختلف دارد و انتخاب نوع فولاد نیز برای ساخت یك قطعه بسیار مهم است. یعنی مهندس متالوژی باید با خواص فیزیكی و شیمیایی هر یك از انواع فولاد آشنایی داشته باشد تا بتواند فولاد مناسب را برای ساخت قطعه مورد نظر خویش انتخاب كند.
 مهندسی سرامیك
وقتی صحبت از مهندسی مواد می‌شود، دو علم شیمی و فیزیك اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌كند. چرا كه بررسی خواص مواد بدون آشنایی با این دو علم امكان‌پذیر نمی‌باشد.
همچنین دانشجوی این رشته علاوه بر فیزیك و شیمی باید از دانش ریاضی اطلاعات كافی داشته و قدرت تجزیه و تحلیل خوبی داشته باشد.
آشنایی با زبان انگلیسی در تمام رشته‌های مهندسی ضروری است. اما در مهندسی سرامیك این ضرورت بیشتر احساس می‌شود چرا كه این رشته نسبتا جدید می‌باشد و در نتیجه كتابهای علمی آن كمتر به زبان فارسی ترجمه شده است.
معرفی گرایش‌های مقطع کارشناسی
در مجموع مهندسی مواد دارای سه گرایش: متالوژی استخراجی ، متالوژی صنعتی و سرامیك می باشد.
متالوژی استخراجی و متالوژی صنعتی
دانشمندان ، مواد صنعتی را به سه گروه عمده فلزات، پلاستیك‌ها و سرامیك‌ها تقسیم‌بندی كرده و فلزات را به عنوان بزرگترین گروه مواد صنعتی معرفی می‌كنند.
در این میان علم متالوژی در برگیرنده هر كاری است كه روی فلزات و سنگ معدن‌های آنها انجام می‌شود یعنی متالوژی استخراجی با تهیه فلزات از سنگ معدن اولین قدمها را برمی‌دارد و سپس متالوژی صنعتی محصول فلزی قابل مصرف را تولید می‌كند.
متالوژی استخراجی حدفاصل بین مهندسی معدن و شاخه صنعتی متالوژی است. چرا كه تمامی موادی كه ما از آنها استفاده می‌كنیم به صورت توده‌های سنگی كه دارای ناخالصی‌های زیادی هستند (عیارشان پایین است) در معادن قرار دارند و باید بعد از كشف و استخراج به یاری تكنولوژی متالوژی استخراجی، مراحلی را طی كنند تا قابل مصرف گردند. یعنی لازم است كه یك مهندس متالوژی با انجام یكسری فرآیندها مانند خردكردن سنگ معدن با دستگاههای موسوم به سنگ‌شكن، تغلیظ سنگ معدن با استفاده از روشهای مغناطیسی و شناور سازی و عملیات ذوب و پالایش، عیار سنگ را بالا برده و سنگ را به صورت شمش كه تقریبا خالص است تحویل صنعت بدهد و سپس به یاری دانش‌ نظری و علمی متالوژی صنعتی، محصول فلزی قابل مصرف به طور مستقیم یا غیرمستقیم تولید گردد.
به عنوان مثال آنچه در كارخانه ذوب آهن اصفهان تا مرحله تهیه شمش آهن خام (چدن) انجام می‌شود، عمدتا مربوط به متالوژی استخراجی است و آنچه پس از این انجام می‌دهند و محصول فلزی قابل مصرف مستقیم یا غیرمستقیم تولید می‌كنند، در حیطه دانش نظری و علمی متالوژی صنعتی قرار دارد مانند تهیه نورد كه برای ساخت میله، ورق، تیرآهن و پروفیل‌های مختلف آهنی و غیرآهنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
متالوژی استخراجی شامل جدا كردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آنها (تولید فلزات) ، شناخت انواع كوره‌ها، سوخت‌ها و فعل و انفعالات شیمیایی می‌شود. این گرایش انواع متعددی از روشها را در بر می‌گیرد كه از جمله می‌توان به كانه‌آرایی، پرعیار كردن مواد معدنی، ذوب كردن، تصفیه فلز مذاب و تولید شمش فلز اشاره كرد. همچنین متالوژی صنعتی عبارت است از روشهای مختلف تولید مصنوعات فلزی كه مهمترین این روشها: متالوژی پودری (تهیه قطعات فلزی با استفاده از پودر آنها)، شكل دادن (نورد ، آهنگری، پرس‌كاری و كشیدن) ، جوشكاری و ماشین‌كاری (شكل دادن مواد توسط تراش و برش) است. همچنین در متالوژی صنعتی خواص و مشخصات فیزیكی ، ساختاری و مكانیكی مواد بررسی می‌شود.

مهندسی سرامیك
واژه سرامیك كه از كلمه یونانی كراموس گرفته شده است به معنای  سفالینه  یا شی  پخته شده  است. چرا كه منشا پیدایش این علم، سفالینه‌ها هستند كه بشر اولیه آنها را از گل رس می‌ساخت و قدمت آنها به بیش از 6000 سال قبل، یعنی پیش از كشف و استفاده از فلزات می‌رسد و هنوز نیز استفاده از ساخته‌های سفالی در جوامع مختلف رونق دارد. و شاید به همین دلیل هرگاه نام سرامیك برده می‌شود، بسیاری از مردم تنها به یاد ظروف سفالی و دیگر سفالینه‌ها می‌افتند. در حالی كه علم سرامیك نوین محدود به ساخت ظروف گلی و سفالینه‌های سنتی دیگر نمی‌شود، بلكه این علم اكنون به عنوان شاخه بسیار مهمی در علوم مختلف بویژه علوم فنی و مهندسی مطرح است و در تمامی علوم و صنایع از جمله در كامپیوترها، راكتورهای اتمی، صنایع پیچیده الكترونیكی، صنایع ذوب فلزات و ... كاربرد پیدا كرده است.
امروزه سرامیك را هنر ساخت ظروف سرامیكی و سفالینه‌ها نمی‌دانیم؛ بلكه آن را به صورت علمی وسیعتر از ساخت این‌گونه وسایل تعریف می‌كنیم. بر این اساس می‌توان گفت كه سرامیك به طور كلی هنر و علم ساختن و به كاربردن اشیاء جامدی است كه اجزاء تشكیل‌دهنده اصلی و عمده آنها مواد غیرآلی و غیرفلزی است یعنی علم سرامیك علاوه بر سفالینه‌ها شامل انواع چینی‌ها، دیرگدازها، فرآورده‌های رسی ساختمانی ، مواد ساینده، لعاب‌های چینی، سیمان، شیشه، مواد مغناطیس غیرفلزی، فروالكتریك‌ها، تك بلورهای مصنوعی و محصولات پیچیده‌تر دیگر می‌شود.
به عبارت دیگر فرآورده‌های سرامیكی به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند كه عبارتند از :
الف ) سرامیك‌های سنتی كه اساسا مواد اولیه آنها را سیلیكاتها تشكیل می‌دهند و شامل انواع محصولات رسی، سیمان، شیشه‌های سیلیكاتی و چینی‌ها می‌شود.
ب) سرامیك‌های نوین كه برای جوابگویی به نیازهای مخصوص مانند مقاومت حرارتی بیشتر، خواص مكانیكی بهتر، خواص الكتریكی ویژه و مقاومت شیمیایی افزونتر بوجود آمده‌اند.
دانشجویان مهندسی سرامیك كه یكی از گرایشهای مهندسی مواد است، در طول دوره تحصیلی خود پس از كسب پایه‌های علمی و مهندسی لازم، كلیه فرآیندهای ساخت سرامیك‌ها را از مواد اولیه و آماده‌سازی آن گرفته تا كنترل كیفی محصولات ساخته شده و ارتباط بین ساختمان و خواص این مواد فرا می‌گیرند.
به طور كلی مواد و مصالح صنعتی به سه گروه بزرگ فلزات، پلاستیك‌ها و سرامیك‌ها تقسیم می‌شوند. كه مشخصه اصلی سرامیك‌ها، مقاومت بسیار زیاد آنها در برابر تاثیر مواد شیمیایی و دماهای بالا است. یعنی بیشتر فرآورده‌های سرامیكی مانند اجزای متشكله خود، در برابر آب، اسیدها، گازها، نمك‌ها و دماهای بالا مقاومت خوبی دارند و به همین سبب در ساختن قطعات مقاوم نسبت به خوردگی و یا در روشهای حفاظت از خوردگی از سرامیك‌ها استفاده زیادی می‌شود.
یكی دیگر از ویژگی‌های مواد سرامیكی نیز ارزانی و فراوانی نسبی این مواد است. كه از جمله می‌توان به خاك رس، فلدسپات (به طور عمده شامل سیلیكات آلومینیوم)، ماسه كوارتزی (به طور عمده اكسید سیلیسیوم)، اكسیدهای مختلف آهن و آلومین (اكسید آلومینیوم) اشاره كرد. حال مهندسان سرامیك با كنترل نوع و نسبت تركیب مواد اولیه، فرآورده‌های گوناگونی مانند آجر و كاشی، آجر نسوز، ظروف چینی و سفالی‌، لعاب‌ها (به عنوان روكش فلزات و سرامیك‌های دیگر)، آلومین و تیتانات باریوم (در الكترونیك)، دی اكسید اورانیوم (به عنوان سوخت هسته‌ای) لعل یا نارسنگ (در لیزر)، شیشه و سیمان طراحی و تولید می‌كنند.

آینده شغلی و بازار كار
متالوژی صنعتی و متالوژی استخراجی
هر كالایی را كه در زندگی روزمره خود به كار می‌بریم یا حاوی فلز است و یا برای ساخت و تولید آن نیاز به فلز می‌باشد. برای مثال كلیه وسایل حمل و نقل از خودرو گرفته تا كشتی، هواپیما و قطار برای حركت به فلزات یا اجزای فلزی نیاز دارند. همچنین در تمامی ساختمان‌ها از خانه‌های كوچك گرفته تا آسمان‌خراشها فلز به كار رفته است. به عبارت دیگر امروزه متالوژی در كلیه صنایع نقش مهمی را ایفا می‌كند و در نتیجه موقعیت شغلی فارغ‌التحصیلان این رشته نیز بسیار گسترده است. 
چرا كه فارغ‌التحصیلان این رشته در گرایش‌ متالوژی استخراجی با شناخت روشهای استخراج فلزات و بهره‌برداری از واحدهای متالوژی استخراجی و بخشهای وابسته می‌توانند روشهای مقرون به صرفه استخراج فلزات و تصفیه و بازاریابی عناصر فلزی را ارائه دهند و همچنین فارغ‌التحصیلان گرایش متالوژی صنعتی به دلیل آشنایی با ساختمان، خواص فیزیكی و شیمیایی، فرآیند ساخت فلزات و درك ارتباط بین ساختار فلزات و آلیاژها با خواص آنها می‌توانند امور مربوط