انواع المواد الهندسية
1-1-أهمية دراسة المواد الهندسية من المعروف أن المواد هي التي تكون الكيان الرئيسي للأعمال الهندسية المختلفة من مبان ومكنات..الخ
فالمهندس مع اختلاف تخصصه واختلاف العمل الذي يقوم به لا بد من تعامله مع المواد في جميع خطوات عمله لإنشاء العمل الهندسي والمحافظة عليه لكي يؤدي دوره كمهندس بالقدرة المرجوة منه .
مهندس التعدين يقوم باستخلاص خامات المواد من مصادرها الأولية وتركيزها لتستخدم على نطاق صناعي اقتصادي.
مهندس التصميم المدني أو المعماري أو الميكانيكي أو الكهربائي أو الكيميائي – يقوم بتصميم المنشأة من مادة أو مواد معينة لتتحمل الأحمال والظروف التي يتطلبها العمل الجاري القيام به,مراعياً في ذلك الكفاءة بأقل تكاليف ممكنة.
مهندس التصنيع أو المهندس القائم بالتنفيذ , فيقوم بعمل المنشأة او الالات من المواد المختلفة ويلاحظ أن يجري هذا العمل تحت ظروف وبطرق ملائمة ليتسنى لهذا العمل الخواص والمقاومة العالية .
مهندس التشغيل يقوم بتشغيل الأجهزة والمكنات او الالات المصنعة من معادن مختلفة وذلك بطريقة يراعى فيها قيام هذه المواد بعملها دون إجهاد شديد أو تعريضها أثناء التشغيل لعوامل تقلل من كفاءتها أو تؤثر على مدة حياة الأجهزة والمكنات.
مهندس الصيانة سواء للمنشآت أو المكنات فيقوم باستخدام مواد لصيانة المواد الأخرى التي صنعت منها هذه المنشآت والمكنات، وكذلك إصلاح الشروخ أو الانحناءات أو الكسور التي تحدث في الأعمال الهندسية باستخدام مواد متنوعة .
مهندس التفتيش والاختبارات يقوم باختبار المواد لبيان خواصها ومدى صلاحيتها قبل استعمالها للأعمال الهندسية وأثناء التنفيذ، كذلك بيان مدى كفاءة العمل الهندسي بعد إتمامه, ومدى مطابقة مواده للشروط المطلوبة.
مهندس المبيعات يقوم بتسويق منتجات المصانع من المواد المختلفة والمكنات وكذلك المنشآت بطريقه صحيحة وعلى أساس علمي يبين للمشتري مدى كفاءتها وفائدتها ورخص مادتها عن مثيلاتها من عمل آخر.
مما تقدم نرى أن عمل المهندس له صلة رئيسة مباشرة مع المواد
حيث يقوم المهندس بمسؤولية تحويل المواد الخام إلى خزانات وسدود ومبان قد ترتفع لتكون ناطحات سحاب كذلك مصانع السيارات والطائرات النفاثة والصواريخ الخ.
لذلك فإن قيام المهندس بأداء عمله بنجاح وكفاية, يتطلب منه معرفة تامة ودراية صحيحةبما يلي : -
• خواص المواد المختلفة
* مدى مقاومة المواد لأنواع التحميل التي ستتعرض لها في المنشأة الهندسية،
*مدى مقاومة المواد للعوامل المعرضة لها مع الزمن، والتي تتسبب في تلفها أو نقص مقدرتها بسبب الحرارة أو عوامل جوية أو ظروف تشغيل مختلفة.
وهذه المعرفة وتلك الدراية تتطلب
• دراسة القوانين والنظريات التي تتحكم في اختلا ف خواص وعمل المواد تحت تأثير العوامل المتنوعة
• دراسة المواد نظرياً وعملياً بالاستعانة بالبيانات والمعلومات الكثيرة التي تجمعت عن ماهية المواد نتيجة للخبرة العملية خلال السنوات الطوال ,منذ أن استعملت المواد لسد الاحتياجات في مختلف الأعمال الهندسية ومنشآتها من بداية التاريخ حتى الآن.
• متابعة النشاط العلمي والبحوث التي تجري على المواد
• إجراء البحوث للتواصل إلى حلول للمسائل أو المشاكل التي تقابل المهندس أثناء استخدامه للمواد للأغراض التي يتطلبها التقدم السريع في الحضارة والعمران.
1.2 المواد الهندسية.
يقصد بالمواد الهندسية المواد التي يستخدمها المهندس في أعماله: -
• المواد التي تستخدم لتوليد الطاقة: - مثل الماء والفحم والمواد البترولية ومواد الطاقة الذرية.
• المواد التي تستخدم للمنشآت : -مثل الحجارة والطوب والمواد الإسمنتية والخرسانية والأخشاب والبلاط والقرميد والبلاستيك والمطاط والمعادن والزجاج ومواد تغطية الأرضيات والأسقف ومواد التثبيت واللحام والمواد العازلة.. وغيرها .
* المواد التي يستخدمها في صناعة أجهزة ومكناته مثل الحديد والألمنيوم والنحاس...الخ
* المواد التي تستخدم في صيانة المنشآت ومكناته مثل الطلاء والبويات والزيوت ...
* المواد التي تلزم لاستخلاص وصناعة مواد المنشآت ومكناته مثل الحجر الجيري لاستخلاص الحديد الخام أو الرمل والزلط في صناعة الخرسانة .
1.3 - مصادر المواد الهندسية
* مصادر معدنية : - مثل خام الحديد (الهيماتيت) والحجر الجيري ...الخ،
* مصادر نباتية :- مثل الأشجار
* مصادر حيوانية :-مثل البترول الخام... وتعتبر المصادر المعدنية هي المعين الرئيسي للمواد الهندسية..
مصادر خامات المواد الهندسية هي الأرض والماء والهواء ،
جدول رقم (1.1) عناصر تكوين ماء المحيطات
العنصر الأكسجين الهيدروجين الكلور الصوديوم المغنيسيوم البروميد
% 85.79 10.67 2.07 1.14 0.14 0.008
جدول رقم (1.2) عناصر تكوين الهواء
العنصر النيتروجين الأكسجين الآرجون النيون
% 73.03 20.99 0.94 0.0012
جدول ( 1.3) عناصر تكوين الأرض
العنصر الأكسجين السليكون الألمنيوم الحديد الكالسيوم الصوديوم
% 46.4 27.7 8.1 5.00 3.6 2.8
العنصر البوتاسيوم المغنيسيوم التيتانيوم الإيدروجين الفسفور الكربون
% 2.6 2.1 0.63 0.14 0.13 0.094
العنصر المنجنيز الكبريت الكروم النيكل النحاس اليورانيوم
% 0.090 0.052 0.032 0.0019 0.010 0.008
العنصر التنجستن الزنك الرصاص الصفيح (القصدير) الفضة الزئبق
% 0.005 0.004 0.002 0.0005 0.00004 0.000025
خامات المواد موزعة توزيعا غيرً متساوياً كما هو مبين بالجداول السابقة,
• تتركز المواد في مناطق معينة من الأرض بنسب عالية. وتعتبر هذه المناطق من الأماكن الاقتصادية مثل المناجم لاستخراج هذه الخامات .
• فمثلاً متوسط نسبة معدن الحديد بالأرض حوالي 5 % بينما لا يعتبر المكان الذي يستخرج منه خام الحديد صالحاً للاستعمال اقتصادياً إلا إذا كانت نسبة الحديد فيه حوالي 50%.
الشكل ( 1-1)النسبة المؤيه للمعادن على الارض
محاضره2\2 تاريخ 1\3
1.4- اختيار المواد الهندسية
* اختيار المواد معناه قياس مدى صلاحية المادة للاستعمال في الأغراض المعينة.
* التأكيد مدى احتمال هذه المواد ظروف العمل.
* المادة التي لا تتأثر عند إساءة استعمالها تتمتع بميزات تضارب بها المواد الأخرى.
كما أن المادة الثابتة والتصميم الصحيح يؤكدان معاً سلامة المنشأ في حدود الاستعمال المقصود.
وهناك مصدران يحصل منهما المصمم على البيانات اللازمة في اختيار المواد وهما:
1- التقارير التي تبين مدى كفاءة المواد عند الاستعمال الواقعي ( العملي ).
2- نتائج الاختبارات التي أجريت على المواد لبيان خواصها حتى يمكن إعداد مواصفاتها.
ولتحويل التصميم إلى بناء قائم فعلاً يجب على الصانع أو المنشئ أن يختار مجموعة مواد بدرجات يسهل الحصول عليها ,على أن يستعمل نوع المواد التي كان يقصدها المصمم عند وضع التصميم، وبعد ذلك تجري الاختبارات المطلوبة لتحديد نوع المواد اللازمة.
عند اختيار المواد من حيث مشاكل التصميم والتصنيع يؤخذ في الاعتبار ما يلي :
1- انواع المواد التي يمكن الحصول عليها.
2- خواص المواد المختلفة.
3- الاستعمالات المطلوبة من المواد.
4- التوفير النسبي في المواد والأشكال المختلفة لتلك المواد المعينة.
5- طرق تحضير أو صناعة المواد المختلفة أو المنتجات وتأثير هذه العملية على خواصها.
6- طرق تحضير المواصفات ومدى ضمانها لتماثيل الإنتاج.
يبين الشكل (1.2) المتطلبات المختلفة التي تتحكم في اختيار المواد.
محاضره 3\3 تاريخ 26\2
أمثلة عن العمل الهندسي والخاصية المطلوبة في المادة اللازمة حتى يمكن اختيار المادة المناسبة على هذا الأساس.
جدول (4. 1) العمل الهندسي المناسب لكل خاصية هندسية
الرقم الخاصية
مثال للعمل الهندسي ا لذي يتطلب هذه الخاصية
1 المقاومة للأحمال المتكررة قضيب المحور الدوار
2 القدرة على امتصاص الطاقة الزنبركات
3 المقاومة للصدأ أجزاء المكنات النفاثة
4 المقاومة للتآكل والبري قواعد الارتكاز
5 المقاومة للكسر السلاسل
6 خفة الوزن أجزاء الطائرات
7 القدرة على التواصل الحراري أنابيب المراجل
8 المقاومة للضغط الأعمدة الخرسانية
9 المقاومة للإشعاع الحوائط المصنوعة من الرصاص
أنواع المواد الهندسية
.,
الشكل (1.3) المواد الهندسية
الشكل (4-1 ) كثافة ومقاومة الشد لبعض المواد الهندسية
محاضره 4\3 تاريخ 1\3
1.5.1.1 - المواد المعدنية الحديدية
-1 الحديد المطاوع (Fe) Iron.
* أكثر المعادن استخداماً في العالم ويكوّن ما نسبته 5% من القشرة الأرضية،
* يستخدم في مختلف الأعمال الهندسية والإنشائية بأشكال مختلفة (زوايا، قضبان، مواسير، قضبان مفرغة)، وأشكال أخرى مختلفة بما يتلاءم مع المنشآت المعمارية والصناعية،
* سهل التشكيل،
* ولين قابل للطرق
سيئته الحديد المطاوع الأساسية
• ميله الشديد للصدأ بعوامل الطبيعة وللحفاظ عليه يفضل طلاءه بشكل عام بأنواع معينة من الدهانات منعاً للصدأ.
• خامات الحديد المفضلة هي تلك التي لا تحتوي على الكبريت ويستخرج الحديد من مناجم الخامات الطبيعية الموجودة في القشرة الأرضية، ومن أهم خامات الحديد:
1- خامات أكسيد الحديد.
2- خام الحديد المغناطيسي الأسود اللون.
3- الهيماتيت الأحمر أو بني اللون.
4- خامات الكربونات الحديدية ( ذات اللون الرمادي).
كثافة الحديد gr / cm3 7 ودرجة حرارة انصهاره 15390C
-2 الفولاذ Steel.
ويسمى كذلك باسم ( الحديد الصلب) ويتكون أساساً من الحديد المطاوع مضافاً إليه الكربون بنسبة أقل من 2% وكذلك الكبريت والسيلكون والمنغنيز بكميات أقل) وكلما كانت نسبة الكربون أكبر في الفولاذ كلما زادت صلابته وقلت قابليته للسحب.
يستخدم الفولاذ بشكل عام بالمنشآت المعمارية والجسور والبويلرات (المراجل) والحاويات وفي إجزاء الشاحنات والسيارات والهياكل المعدنية الكبيرة، وكذلك في صناعة العدد والأدوات للمهن الميكانيكية والفنية والنجارة والحدادة، ويتميز بشكل عام بالمتانة والصلابة ومقاومة الصدمات والاهتراء والصدأ.
أنواعه الفولاذ الرئيسية هي:
1- منخفض الكربون : -0.25 % كربون، 1% منغنيز، 0.5 نيكل.
2- متوسط الكربون:- 0.58 % كربون، 0.6 منغنيز، 2 % نيكل .
3- ستينلس ستيل:- 0.50% كربون، 2 % منغنيز، 10 % نيكل، 18% كروم.
ويستخدم الستينلس ستيل في صناعة الأدوات والعدد الطبية الجراحية كالسكاكين والمقصات وفي صناعة الشفرات ومواسير التعقيم.
تأثير المعادن التي تضاف الى الفولاذ كما يلي.
الرقم المعدن المضاف إلى الفولاذ تأثيره على الخواص
1 السليكون Si يزيد من تقصف الفولاذ
2 المنجنيز Mn نسبة قليلة تزيد من متانة الفولاذ
3 النيكل Ni يعطي الفولاذ خاصية عدم الصدأ ويزيد من صلابته.
4 الفسفور P غير محبذ إضافته للفولاذ(يجعل الحديد سهل السيوله*
5 الكروم Cr يزيد من صلابة الفولاذ ويقلل من تعرضه للصدأ
6 التنجستن w( والمونبيديوم) M0 يزيد من صلابة الفولاذ
7 الفيناديوم V يساعد على تخلص الفولاذ من الغازات المحتبسة به ويزيد من متانة وقابليته للطرق.
8 الكبريت S يزيد من تقصفه وهشاشته
محاضره 4\3 تاريخ 1\3
3-حديد السكب ( الزهر) Cast Iron.
* سبيكة من الحديد المطاوع مضافاً إليه الكربون بشكل رئيسي ( بنسبة تزيد على 2% )
* كما يضاف اليه معادن أخرى مثل الكبريت، الفسفور، المنغنيز، السليكون،
* يستخدم بشكل عام لصناعة أجسام المحركات وأجسام المكنات والآلات والمبادلات الحرارية.
• يضاف الكربون إلى الحديد المطاوع مع المعادن الأخرى ( ليس بالضرورة كلها) وتصهر مع بعضها البعض ليتم سكبها حسب الطلب,
• المعادن المضافة تساعد في زيادة مقاومة حديد الزهر للصدأ وتزيد من متانته وصلابته ومقاومته للتآكل
• المعادن المضافة بالمقابل تجعله أكثر قابلية للكسر ( يصبح قصفيا) ويحدث به شروخ وكسور إذا تعرض للصدمات القوية ,
انواع حديد الزهر حسب نسبة المعادن المضافة إلى الأصناف التأليه:
1- حديد الزهر الرمادي Grey Cast Iron.
• تصل نسبة الكربون فيه إلى 3.5%،
• يحضر الحديد الزهر الرمادي بصهر الحديد الخردة,
• يستخدم بصورة رئيسية في صناعة الأجزاء التي لا تتعرض لقوى شد عالية مثل الأنابيب الكبيرة وأجسام المضخات وهياكل المكنات.
• وهو سهل التحضير،
• رخيص الثمن وسهل التشغيل.
•
2- حديد الزهر القابل للطرق.
• يختلف بتركيبته عن حديد الزهر الرمادي عن طريق إضافة المغنيسيوم والنيكل،
• اخواص تشبه خواص الفولاذ بالإضافة إلى حسنة أخرى هي أنه أقل كلفة من الفولاذ,
• يستخدم لإنتاج الأجزاء التي تتطلب لإنتاج المشغولات التي تتطلب درجة لا بأس بها من القساوة،
• قابلية تشغيله جيدة كالزهر الرمادي
• وسطحه أكثر استعداداً للصقل الميكانيكي.
3- حديد الزهر المطاوع.
• له قابلية الطرق كالحديد المطاوع،
* مادة رخيصة ذات خواص جيدة ويستخدم لأغراض عديدة، مثل أجسام صناديق التروس الخاصة بنظام التوجيه في السيارات، ودواسات الفرامل وماكينات الغسيل
* قابليته للطرق ونقطة الخضوع له تقارب تلك للفولاذ اللين.
1.5.1.2 - المواد المعدنية غير مغناطيسيه .
1- الألمنيوم Aluminum ورمزه AL
• كثافته
• درجة انصهاره
• ويكون نسبة 8% من القشرة الأرضية وتسمى خاماته باسم بوكسايت والألمنيوم
• يتأكسد بسهولة في درجات حرارة الجو العادية وتعطيه هذه الصفة فائدة كبيرة جداً إذ أن طبقة الأكسيد التي تتكون على سطح الألمنيوم تحميه حماية جيدة من العوامل الخارجية ( كالحرارة والبرودة وأشعة الشمس والرطوبة..الخ)
• كما أن هذه الطبقة الأكسيدية تمنع تآكل الألمنيوم وتقاوم الصدأ وتعتبر هذه أهم مميزاته إضافة إلى خفة وزنه.
محاضره 4\3 تاريخ 3\3
ميزات الألمنيوم هي: -
1- خفة وزنه.
2- نقاؤه ( قد تصل نقاوته إلى 99.99 %).
3- مقاومة طبقة ألاكسيد للظروف الجوية.
4- مقاومته للصدأ بسبب طبقة الاكسيد.
5- موصل جيد للكهرباء ( 0,666 من موصلية النحاس )
6- موصل جيد للحرارة.
7- غير قابل للمغنطة.
8- لا يكون مواد سامة .
9- قابل للتشكيل بإبعاد هندسية دقيقة ( كالشبابيك والأبواب).
سيئات الألمنيوم: -
1- قليل المتانة .
2- قليل الصلادة ( 25, 0 صلادة الحديد)
3- صعوبة لحامه.
4- قابليته لتتقصف.
استخدامات الألمنيوم:-
يستخدم في صناعة الأبواب والشبابيك، والأدوات المنزلية وأدوات وأواني الطهي، وأجسام الطائرات، وأجزاء التكييف والتبريد، وفي صناعة الأسلاك الكهربائية.
سبائك الألمنيوم كما يلي: -
• ألمنيوم + مغنيسيوم،
• ألمنيوم + سليكون،
• ألمنيوم + منغنيز،
• الألمنيوم+ نحاس أو حديد، وأحياناً الكروم التيتانيوم).
محاضره 4\2 تاريخ 8\3
2 - نحاس Copper ورمزه Cu.
• كثافته
• ودرجة انصهاره ،
• تعتبر مناجم النحاس بشكل عام قليل في العالم ( 0.01% من القشرة الأرضية ) وأهم شيء في مناجم النحاس أن تكون الشوائب قليلة حيث أن قيمة النحاس تقاس حسب نقاوته.
• يمكن الحصول على نحاس نقي جداً باستخدام طريقة التأين الكهربائي ولون النحاس النقي أحمر.
ميزات النحاس:-
1- موصل جيد جداً للكهرباء ( 5 أضعاف موصلية الحديد).
2- معدن طري قابل للالتواء والتشكيل.
3- موصل جيد جداً للحرارة حيث أن حرارته النوعية كحرارة الحديد النوعية.
4- سبائكه تدخل في صناعة هامة جداً.
سيئات النحاس:-
سيئة النحاس الرئيسية هو تكون أكسيد النحاس ( الزرنيخ) السام ولذلك لم يعد يستخدم في صناعة أواني الطبخ.
استخدامات النحاس هي:-
1- في صناعة الأسلاك الكهربائية بشكل كبير جداً.
2- في صناعة الأنابيب وأجسام البويلرات ( المراجل).
3- في صناعة أسلاك اللحام وكاويات اللحام.
4- في صناعة القوارب وأجزائها.
5- في صناعة التماثيل البرونزية والحمالات الثابتة للمحاور.
3- سبائك النحاس:
1-النحاس الأصفر Brass .هو( نحاس أحمر + زنك ) بنسبة تتراوح بين 5% إلى 40%. ويعطيه الزنك خاصية الليونة العامة جداً اللازمة لصناعة الأسلاك الدقيقة.
استخدامات النحاس الأصفر هي :
1- في صناعة الأسلاك الدقيقة.
2- في صناعة أجزاء القوارب والمضخات المستخدمة في مياه البحر ومع أن إضافة الزنك تعتبر الإضافة الرئيسية في النحاس الأصفر ولكن يضاف إليه أيضاً الألمنيوم، الحديد النيكل، والمنغنيز.
3-إضافة نسبة كبيرة من النيكل ( قد تصل إلى 30% تؤدي إلى صناعة ما يسمى بالفضة الألمانية أو النيكلية والمستخدمة في صناعة التلفزيون والأجهزة اللاسلكية.
2- البرونز Bronze.
* وهو نحاس أحمر + قصدير + رصاص.
* قد تصل نسبة القصدير إلى 10%. أما الرصاص 30%
ميزات البرونز.
1- معدن صلب.
2- مقاوم للاهتراء.
3- سطحه صلب.
4- قابل للسكب والتشكيل بأشكال معقدة كالتماثيل الفنية مثلاً.
ويستخدم البرونز في
• صناعة العملة
• المدافع والتماثيل
• حمالات المحاور
* مواسير مكثفات السفن.
1.5.2 .الخزفCeramics
* الصناعات الخزفية من الصناعات القديمة جداً،
* يصنع الخزف من أنواع معينة من الطين الصلصالي الذي يتكون أساساً من مواد غير عضوية لا فلزية يتم تصنيعها عند درجات حرارة عالية.
* وهي تشمل مجموعات واسعة من السليكات والأكسيد الفلزية ( أكسيد الألمنيوم، أكسيد الكالسيوم، أكسيد الحديد، أكسيد السليكون، الصوديوم البوتاسيوم).
العناصر والمجموعات التالية من المواد الخزفية:
* الكربون،
* البور ون،
* السيلكون
* وبعض الكبريتيدات والسيليكات.
وتختلف صناعة الخزفيات الآن عما كانت عليه قبل عقود من الزمان فقد أصبحت تكنولوجيا متقدمة.
يمكن تقسيم الخزفيات في قسمين : هذا التقسيم مبني على الخصائص العامة المميزة للخزفيات.
1- النواتج الطينية.
2- المواد الحرارية المقاومة للحرارة.
1- النواتج الطينية
* النواتج الطينية ( الفخاريات) تشمل مواد هندسية مثل
الطوب، القرميد، البور سلين، الخزف الحجري والعديد من المصنوعات الكيماوية.
• تخلط المكونات الصلصالية مع الماء لتكوين الطينة التي يجب أن تكون ذات لدونة مناسبة بحيث تحتفظ بشكلها الأصلي عند التشكيل
• فزيادة كمية الماء تقلل من إمكانيات التشكيل،
• وتخفيض كمية الماء تؤدي إلى التشقق أثناء التجفيف. بشكل عام تعتمد كمية الماء على شكل وحجم حبيبات الطين.
• حيث يساعد الماء في جعل حبيبات الطين متوازية كما في الشكل ( 5-1) ويكون غشاءاً حافظاً بين خطوط الحبيبات ويبقيها متماسكة. يعمل التجفيف بعد ذلك على إزالة الماء من الطين ويجب أن يكون التجفيف بطيئا كي لا يؤدي ذلك إلى تشكل المشغولات.
(ِA) ترتيب عشوائي لدقائق الطين الموجودة في الطين الجاف.
(B) توجيه متوازي لدقائق الطين محاطة بغشاء من الماء تحت تأثير إجهاد.
* بعد التجفيف يتم حرق المشغولات في أفران خاصة عند درجات حرارة تتراوح بين 9000C إلى 14000C.
* فمثلاً يتم حرق الطوب الحراري عند 9000C،
* أما البورسلان فيتم حرقه عند 14000C، ويستخدم البورسلان كعازل للكهرباء في الضغط العالي، وكذلك صناعة أواني حفظ المواد الكيماوية والأحماض.
محاضره 5\3 تاريخ 8\3
2- المواد الحرارية المقاومة للحرارة.
المواد الحرارية تتميز بمقاومتها لدرجات الحرارة العالية، لذا فهي تستخدم في المجالات التاليه :-
1- التربينات الغازية،
2-المحركات النفاثة،
3-الصواريخ،
4- والمفاعلات الذرية وغيرها.
تتكون المواد الحرارية المقاومة للحرارة من أكسيد ذات درجة انصهار عالية مثل:
• أكسيد السليكون،
• أكسيد الألمنيوم،
• أكسيد المغنيسيوم،
• أكسيد الكالسيوم
• أكسيد الزركونيوم.
1.5.3 . المزيجMixture
1-الزجاج Glass
• يمكن تعريف الزجاج بأنه مصهور غير عضوي تم تبريده إلى درجة القساوة دون حدوث تبلور.
• ومع أن السيليكا مادة جيدة لتشكيل الزجاج إلا أن درجة حرارة انصهارها عالية جداً بحيث يصعب صهرها بكلفة معقولة.
* لذا تضاف إليها بعض الأكسيد الفلزية التي تعمل على خفض درجة حرارة الانصهار واللزوجة مما يجعل عملية تصنيع الأدوات الزجاجية أسهل فمثلاً تؤدي إضافة حوالي 25% من أكسيد الصوديوم إلى تكوين سيليكات الصوديوم Na2 SiO2 التي تكون بدورها السيليكا مزيجاً سهل الصهر، ولكنه يكون غير شفاف وقابل للذوبان في الماء لذا لا يُستخدم كثيراً. يمكن تصنيف الزجاج التجاري إلى .
1-زجاج عادي.
2-زجاج رصاصي .
3-زجاج سيليكات البور ون.
4-زجاج سيليكات الألمنيوم .
-5الزجاج الغني بالسليكا.
قد تتواجد بعض المركبات الحديدية في الزجاج العادي ويمكن إخفاء تأثيرها بإضافة عوامل ملوثة ويتم إنتاج هذا النوع من الزجاج بكميات هائلة للاسباب التاليه
• رخيص التكاليف
• مقاوم للماء
• شفاف،
ويستخدم بشكل واسع في المنازل وصنع اللمبات الكهربائية والزجاجات، والاستخدامات التي لا تتطلب درجات حرارة عالية.
• ىيتمتع الزجاج بمقاومة عالية للتآكل ولكنه يتآكل بفعل المواد التاليه :
• حامض الهيدروفلوريك,HF
• حامض الفوسفوريك H3P04المركز والمحاليل القلوية المركزة.
كيف يصنع الزجاج
يتم صهر الزجاج في أفران خاصة بحيث ينساب الزجاج المصهور داخل الفرن فيتنقى من الشوائب ويتم تشكيله بعدة طرق مثل:
الكبس، والنفخ : حيث يستخدم الكبس والنفح لصناعة الأواني والأشكال الأخرى
السحب :, يستخدم السحب لصناعة الأنابيب الزجاجية
الدرفلة :, , تستخدم الدرفلة لصناعة الألواح الزجاجية وذلك بتمريرها بين سطحين اسطوانيين دوارين rolls تبردان بالماء
ينتج عن عمليات التشكيل إجهادات داخلية يجب التخلص منها وذلك بتمريره داخل منطقة ساخنة ومحصورة بحيث يبرد تدريجياً إلى أن يصل إلى درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة،
• من الصفات المهمة الواجب توفرها في مصهور الزجاج لكي يتم تصنيعه بشكل صحيح صفة اللدونة.
• يسمى الزجاج – زجاجاً خزفياً إذا كان من النوع المتبلور أو عديم الشفافية.
2-الاسمنت غير العضوي In Organic Cement
الاسمنت غير العضوي ومشتقاته هي مواد تُظهر خواص مميزة من التصلب والنقية عند خلطها بالماء على شكل عجينة , يمتلك الاسمنت القدرة على وصل الكتل الصلبة الجامدة إلى تراكيب مترابطة,
ويمكن تقسيم الاسمنت إلى نوعين حسب طريقة التصلب:
1- الاسمنت هيدروليكي مثل الاسمنت البورتلندي العادي الذي يتصلب بوجود الماء.
2- الاسمنت غير هيدروليكي مثل الجبس ( فيتميز بتصلبة في الهواء ولا يمكن استخدامه مع وجود الماء)
3 – الاسمنت البورتلندي Portland Cement .
• يعتبر الاسمنت البورتلندي من أهم أنواع الاسمنت الهيدروليكي،
* يستخدم بشكل واسع في الإنشاءات المختلفة.
* ويتم تحضيره بواسطة حرق مزيح متآلف يتركب بصورة رئيسية من مواد كلسية
مثل الحجر الجيري Limestone + والحجر الطباشيريChalk أما المواد الطينية مثل الطين Clay والآحجار الطينيه الرخوه او ما يسمى بالطفل Shale فهي تتكون من:
• السيليكا ٍSillica
• االلألومينا Alumina
• الحديدIron ,
• يتم استخراج هذه المواد بواسطة الأليلات والحفارات وينقل الى المصنع ويكسر ويعالج ثم يتم حرق المواد على درجة حرارة حوالي .
• تتحول من 20%-30%من الماده الجافه الى سائله ( انصهار ) ويتم اعادة اتحاد الجير ( الكلس ) والسليكا الألومنيا وتكوين مركبات جديده كما هو في الجدول( 2-5).
• وفي النهايه تتكتل الماده الى كرات صغيره قطرها mm)253-) تسمى كلنكر,ومن ثم تطحن المادة المحروقة إلى مسحوق ناعم وتضاف كمية قليلة من الجبس إلى المسحوق قبل طحنه .
• التصلب السريع للأسمنت ناتج عن وجود سيليكات الكالسيوم الثلاثية وهي أسرع المكونات تصلباً.
• أما سيليكات الكالسيوم الثنائية فإنها تأخذ وقتاً أطول للتصلب وبطريقة أكثر تعقيداً.
جدول( 2-5)المركبات الرئيسيه للآسمنت البورتلندي
الرقم المركب الرمز التركيب الكيماوي
1 ثالث سيليكات الكالسيوم C3S 3Cao.Sio2
2 ثاني سيليكات الكالسيوم C2S 2Cao.Sio2
3 ثالث الومينات الكالسيوم C3A 3Cao.AL2O3
4 رابع الومينات حديد الكالسيوم C4Af 4Cao.AL2O3.FeO3
• يعتبر وجود الألو مينا وأكسيد الحديد في المزيج الخام أمراً ضرورياً لأنها تساعد على تقليل درجة حرارة الانصهار، مما يسهل إعادة تبلور سيليكات الكالسيوم الثلاثية.
• وهناك خمسة أنواع رئيسية من الأسمنت البورتلندي.
1- الأسمنت البورتلندي العادي وهناك اصناف مختلفه من هذا النوع مثل الآسمنت الآبيض الذي يحتوي على نسبه اقل من اكسيد الحديد .
2- الأسمنت البورتلندي االمتصلب في درجة الحراره العاليه والمقاوم للكبريتات ويستخدم في الحالأت التي تتطاب حراره معتدله او في الأنشأت الخرسانيه المعرضه لتأثيرات متوسطه من الكبريت .
3- الأسمنت سريع التصلب , تختلف اصناف الأسمنت سريع التصلب عن الأسمنت العادي من عدة نواحي , منها :
* نسبة الحجر الجيري الى السيليكات
* نسبة سيليكات ثلاثي الكالسيوم في الأسمنت سريع التصلب تكون اكبر من مثيلاتها في الأسمنت العادي * * درجة نعومته اكبر من الأسمنت العادي مما يؤدي الى سرعة التصلب وتولد سريع للحراره .
4- الأسمنت البورتلندي منخفض الحراره, يحتوي هذا النوع على نسبه منخفضه من الموادالتاليه مما يؤدي الى انخفاض الحرارة المتولده: -
* ثلاثي الكالسيوم
* الومينات ثلاثي الكالسيوم ,
* يستخدم اكسيد الحديد لخفض نسبة الومينات ثلاثي الكالسيوم , والبتالي ترتفع نسبة رباعي الومينات الكاليسيوم الحديديه .
5- الأسمنت المقاوم للكبريتات , يحتوي هذا النوع على نسبه منخفضه من المواد التاليه:
• الومينات ثلاثي الكاليسيوم ويتصف بقدره اكبر على مقاومة الكبريتات بسبب مكوناته , لذالك فهو يستخدم في الحالات التي تتطلب مقاومه عاليه للكبريتات .
4- الأسمنت الألوميني.
* يحتوي هذا الأسمنت على نسبة عالية من الألومينا ويتألف من البوكسيت والحجر الجيري. يطحن كما الاسمنت البورتلندي ويحمص إلى درجة حرارة تصل إلى 16000C.
أهم المكونات بعد الحرق:
• الومينات الكالسيوم الأحادية،
• الومينات الكالسيوم الخماسية،
• كميات قليلة من سيليكات الكالسيوم الثنائية وسيليكات الكالسيوم الثلاثية.
• يتميز بتصلبه السريع جداً حيث يصل إلى قوته القصوى خلال أربع وعشرين ساعة.
5 - الخشب . Wood
بشكل عام يكون الخشب
• طرياً
• أو قاسياً صمغياً أو قليل الصمغ
* مصدره أشجار ذات أوراق عريضة أو ذات أوراق أبريه لونه غامق أو فاتح واصطلح على تسميتهكما يلي : -
- اللون الغامق ( صميمي)
- اللون الفاتح ( رخو).
الأخشاب التي مصدرها أشجارصمغية تكون أقل تقوساً عند الاستعمال من الأخشاب قليلة الصمغ ,والآخشاب عدة انواع .
5.1- الخشب الطري.
1- الخشب الأبيض: نوع رخيص طري قابل للكسر ويستعمل في صنع:- الصناديق التجارية وألواح الطوبار وحشوات لأثاث.
2- خشب السويد: لونه أبيض مصفر مائل للاحمرار يتميز بعدم التقوس والالتواء ويستعمل في صنع :-الأبواب والأدراج، ومصدره الأشجار التي تنمو في المناطق البارة.
3- خشب الشوح: ويستخدم في صناعة المعاكس ( ألواح التربلاي)
4- خشب الحور: طري وخفيف ويصنع من الخشب المعاكس.
25. -الخشب الصلب ( القاسي).
1- خشب الزان: متين صلب لونه محمر قابل للتقوس يستخدم في صناعة الأثاث.
2- خشب البلوط: متين صلب لونه أبيض مصفر جميل الشكل يستخدم في صناعة الأثاث والأبواب.
3- خشب الجوز: متين صلب بني اللون غالي الثمن ذو ألياف ظاهره, يستخدم في صناعة الأثاث والأدوات الهندسية.
4- خشب الورد: يشبه الجوز.
5- خشب الماهوجني: أحمر اللون جميل الشكل والألياف واستخدامه مثل الجوز.
6- خشب الأبنوس: صلب ثقيل الوزن وأغلى أنواع الخشب لونه أبيض أو أصفر، بني، أحمر، أخضر، وأسود وتستخدم قشرته في صناعة الأثاث.
3.5. - الأخشاب الصناعية.
1- خشب اللاتي،. يصنع خشب اللاتي من بقايا القطع الخشبية مغطاة على الوجهين بطبقة من التربلاي ويستخدم بشكل واسع في صناعة الأثاث المنزلي.
2-خشب الأوكال ويصنع من نجارة الخشب الناعمة مكبوسة تحت ضغط عال ومخلوط بمادة غروية لاصقة، رخيص الثمن، ثقيل الوزن ومتانته محدودة ويستخدم في صناعة الأثاث التجاري.
-3التربلاي يصنع من ألياف خشبية رفيعة على شكل طبقات بحيث تعاكس ألياف الطبقة ألياف الطبقة الثانية لزيادة متانة الألواح. وإذا جمعت عدة طبقات من التربلاي لزيادة السماكة تسمى الخشب المعاكس ولها استخدامات في الأثاث كما ويستخدم المعاكس المصقول في أغراض الطوبار لإنتاج أوجه إسمنتية مصقولة.
6 - الإسفلت Aspalt
وهي مادة الزفتة، وتستخرج من قطران النفط، لونها أسود داكن، تتميع في درجات الحرارة فوق 300C، تتميز بأنها مثل الغراء تلتصق بالجسم الذي توضع عليه، وتلصق المواد مع بعضها، وتتميز بأنها مقاومة جداً للماء بحيث لا تمتص الماء أبدا وتمنع تسربه من خلالها بنسبة 100%.
وتستخدم هذه المادة في رصف الطرق بخلطها مع الحصمة، وكذلك في تبطين سقوف المباني لمنع تسرب الماء من خلال الخرسانة، وفي أي استعمالات أخرى في مجال البناء تحتاج منع الرطوبة.
1.5.4 .البولميراتP0lymers
* وهي مركبات كيماوية اصطناعية ذات جزئيات ضخمة جداً وصناعتها تعتبر فرعا من فروع الهندسة الكيماوية * يتم استخدام مواد عضوية Organic معقدة في صناعتها مثل الفحم والنفط والسيليلوز والتي يكون غالياً الكربون أساس تراكيبها .الشكل (2-1 ) يبين كثافة بعض المواد. وتتكون كلمة بوليمرات من مقطعين:
Poly -وتعني متعدد.
Mers -وتعني جزئيات ضخمة الحجم.
• وتعرف كلمة بولميرات إلى ( الدائن) أما الاسم التجاري للبوليمرات فهو البلاستيك Plastics .أن أبسط أنواع جزئيات البوليمرات هو جزء البولي ايثلين Polyethelene وهي كما يلي:
• تفاعل كل ذرة كربون مع ذرتين هيدروجين يكون الإيثلين هو C2H4 ويسمى هذا التفاعل التساهمي, وهو يختلف تماماً عن التفاعل الأيوبي الذي يؤدي إلى تكوين الأملاح بواسطة التجاذب الأيوني ( السالب والموجب). البوليمرات البلاستيك نوعان رئيسيان هما:
1- بوليمرات تتصلد بالحرارة ( بالتسخين).
2 - بوليمرات تتلدن بالحرارة ( وتتصلد بالتبريد)
1. 1.5.4- البوليمرات التي تتصلد بالحرارة.
* يتم صناعتها أصلا بواسطة الضغط والتسخين حتى تصير لدنة, ثم يتم تشكيلها الشكل النهائي. وإذا تعرضت إلى الحرارة مستقبلاً فإنها لن تلين وإنما تزداد صلادة.
وإذا كانت الحرارة عالية أو لمدة طويلة فإنها تنهار وتنكسر. واهم هذه الأنواع:
1- المواد الفينولية ( C6 H5 O H) Phenolice .
• تتكون من الفينول (حامض الكربوليك) +الفور مالدهايد + مواد مضافة
• وتستخدم في صناعة الفرامل، المواد الغروية واللاصقة،
• الأجزاء الكهربائية،
• وفي صناعة الأقمشة القطنية المحسنة،
اهم ميزاتها
• المتانة
• مقاومة الصدمات
• مقاومة الرطوبة والتآكل
• سهولة تشكيلها.
على الرغم من أن الفينول (حامض الكربوليك) ضار بالصحة، إلا أن معظم المصادر الأخرى الفينولات الطبيعيه والبوليفينولات لا تشترك في نفس الخاصية السميه ،
كما تعتبر آمنة للاستهلاك حيث توجد في الأطعمة والمشروبات الشائعة (مثل الشاي ولطالما ارتبطت بطب الآعشاب وعلى سبيل المثال، في شبه القاره الهنديه .
2- مواد امينوفورملدهايد: وتسمى كذلك مواد أمينية Amino وأهم أنواعها:
1- الملامين Melamine المشهور بصناعة الصحون والأواني المنزلية.
2- اليوريا فورملدهايد Urea .
وتتميز المواد الأمينية بشكل عام
• مقاومتها للحرارة،
• مقاومة لذوبان والتفاعل،
• مقاومة الخدش،
• ثبات اللون
•
استخدامات المواد الأمينية
• وتستخدم في صناعة المواد اللاصقة، الأغطية الورقية،
• الخشب الصناعية الرقائقي،
• وفي أعمال الديكور،
• إضافة إلى صناعة الصحون والأواني المنزلية.
• يستعمل الفورمولدهايد خاصة في المجال الطبي والبيولوجي بحيث أنه يُفقد البكتيريا قدرتها الممرضة,
• يعطي جسم الإنسان مناعه ضد أمراض معينة بعد حقنه للبيكتيريا المسببة للمرض في شكلها الغير الممرض.:
• مطهر وخاصة في الطب البيطري .
• التحنيط كمادة حافظة للحيوانات النافقة أو للبشر (من أجل التشريح في كليات الطب على سبيل المثال).
• طب الأسنان بشكل مباشر (الفورمالدهيد)، أو مشتق. polyoxymethylene وخلافا للعقاقير والمنتجات والمواد المستخدمة في طب الأسنان ليست خاضعة للترخيص في السوق.
• لإنتاج البوليمرات والمواد الكيميائية (أكثر من 50 ٪ من مجموع الاستخدامات من الفورمالدهيد)
• تستخدم في المواد اللاصقة مثل تلك المستخدمة في صنع اللوح، والخشب الرقائقي أو السجاد، أو إلى شكل رغوة الاصطناعية. ويستخدم لإنتاج المواد الكيميائية كثيرة، وتستخدم في صناعة مواد الطلاء والمتفجرات.
3-مواد بوليستر Polyester.وهي مادة مشهورة وتتميزبما يلي :
• مقاومتها للاشتعال والتفاعلات،
• مقاومتها للحرارة،
• انخفاض تكاليفها،
اتستخدم مواد بوليستر
• صناعة الأقمشة
• في أجسام السيارات والقوارب والخوذات
• في بعض أجزاء الطائرات الخفيفة
• وفي صناعة زلاجات التزلج
• وفي صناعة المواد اللاصقة والديكور ويتحمل حرارة حتى 2650C
4- مواد الأبوكسايد . Apoxides .
وهي مواد لاصقة ومن أشهر أنواعها التجارية هي الأبوكسي وتستخدم للحام المواد المكسورة والمشروخة.
2. 1.5.4 - بوليمرات تتلدن بالحرارة ( وتتصلد بالتبريد) .
1- بولي ايثيلين Polyethylene)) H 2 – CH2 ) (:-
• وتصنع من الأيثيلين،
• درجة انصهارها 110C0-125
• وهي مادة قابلة للاشتعال،
• مقاومة للشد وللضغط
• مقاومة للأحماض والكيماويات
• تتميز بالمتانة والمرونة
اتستخداماتها
• صناعة تغليف الأسلاك.
• في صناعة الأنابيب والقوارير
• في التعليب
• في الورق والأواني المنزلية،
• كذلك تستخدم كمادة عازلة في صناعة الراديو والتلفزيون.
2- بولي بروبلين:-
خواص بولي بروبلين
• عازل الجيد للكهرباء
• مقاومته للأحماض والقلويات والزيوت عند درجات حرارة فوق العادية.
• تعتبر مادة متينة وأمتن من كافة أنواع الألياف الصناعية والطبيعة.
• درجة انصهاره حوالي 170C0
• كثافته أخف من الماء
استخدام بولي بروبلين
• في صناعة التعليب
• في الطلاء
• في العوازل الكهربائية.
• في صناعة الأنابيب والصهاريج الكبيرة
• في أجزاء الثلاجات والراديو.
1- بولي فاينل كلورايد Polyvinyl – Chloride.:-( واسمها العلمي فينيل)
وهي مشهور جداً بالاسم التجاري PVC وتتميزبما يلي :
• المتانة
• عدم قابلية لاشتعل
• مقاومتها للماء والزيوت والقلويات
وتستخدم بشكل كبير فيما يلي
• في صناعة أنابيب المجاري العامة ( تسمى أنابيب PVC)
• في صناعة أغطية الأرضيات للمستشفيات والمطابخ
• في تغليف الأسلاك.
• كثافتها أعلى من كثافة الماء
• تتحمل درجة الحرارة لغاية 212C0. إضافة إلى ما ذكر سابقاً،
يوجد أنواع مشهورة من البوليمرات مثل مادة النايلون المشهورة تجارياً، ومادة البولي ميثيل ذات الشفافية والمستخدمة في صناعة وجوه تابلو السيارات، أيضاً مادة البوليسترين.
3. 1.5.4-المواد المضافة في صناعة البوليمرات:المادة الأساسية المكونة للبوليمرات هي مادة الهيدروكربونات ولكن يضاف إليها مواد أخرى عند صناعة أنواع البوليمرات وهي:
1- ملينات: لزيادة ليون اللدائن.
2- مواد مضخمة: تضاف لزيادة حجم اللدائن وقد تصل نسبتها إلى 75 %من مكونات البوليمرات) ( وهي مثل كربونات الصوديوم ونشارة الخشب ومسحوق الفيبر والقماش).
3- مواد عازلة: مثل المايكا
4- Micaومواد مقاومة للحرارة مثل الأسبستوس ( Asbestos)