آشنایی کامل با رشته ی مهندسی مواد و متالورژی

مقدمه

این تعریف که «متالورژی که از قدیمی‌ترین هنرها و یکی از جدیدترین علوم است» ، بخوبی تاریخچه طولانی و جالب رشته متالورژی را بیان می‌کند. از زمانی که بشر فلز را شناخت، متالورژی را به‌عنوان یک هنر فرا گرفت. این علم ، فرآوری مواد معدنی از کانه‌های آنها (جداسازی از سنگ معدن) ، ذوب ، تصفیه و تولید شمش ، بهبود خواص و تهیه آلیاژها و فن کار بر روی فلزات و شکل دادن آنها را در بر می‌گیرد. صنعت متالورژی در جهان از دیرباز به‌عنوان صنعت مادر شناخته شده ، با پیشرفتهای روز افزون تکنولوژی ، نقش آن آشکارتر می‌گردد. شواهد باستان شناسی نشان می‌دهد که ساکنین فلات ایران ، جزو اولین اقوامی بوده‌اند که به کشف فلزات و استفاده از آن نائل گردیده‌اند. با در نظر گرفتن این سابقه دیرینه ، همچنین نقش روز افزون فلزات در زندگی بشر و وجود معادن غنی متعدد در کشورمان لازم است که دست‌اندرکاران متالورژی در شناسایی هر چه بیشتر این رشته کوشا بوده ، به طریقی سطح اطلاعات علمی و فنی سایرین را در این زمینه بالا ببرند.

تاریخچه متالورژی

دوره فلزات پس از عصر سنگ بوده ، از حدود 6 تا 7 هزار سال پیش از هجرت آغاز شده است. به نظر می‌رسد که مس اولین فلزی است که بطور خالص و طبیعی و جدا از مواد معدنی مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با نگاهی به انوع سنگهای مس ، می‌بینیم که آنها کم و بیش از ظاهری فلزی با رنگهای الوان ، نظیر نیلی ، لاجوردی ، سبز ، طلایی و رخ برخوردار می‌باشند این امر می‌تواند یکی از علل عمده توجه بشر اولیه به ترکیبات حاوی مس باشد. از طرفی مس به‌صورت خالص در طبیعت یافت می‌شود و قابلیت شکل‌پذیری مناسبی دارد. برخی از پژوهشگران نیز معتقدند که اولین بار ذرات براق طلا که در کف رودخانه ها پراکنده بوده است، توسط بشر شناسایی شدند. مصریان و شاید هندیان بیش از سایر ملل در استخراج طلا از سنگهای آن توفیق داشته‌اند. در ایران نیز از دوره هخامنشی ، آثار متعددی از طلا و نقره خصوصا در کنار رود جیحون و در شهر همدان کشف شده است. با گذشت زمان ، قلع ، نقره ، سرب و آنیتموان (سنگ سرمه) نیز کشف شد. فلزکاران با استفاده از آتش ، سرخ کردن و سپس ذوب فلزات ، آمیختن آنها را تجربه کرده ، به شناخت تجربی آلیاژها توفیق یافتند. از اختلاط قلع و مس ، مفرغ پدید آمده ، عصر مفرغ آغاز شد. مفرغ از هنر زیبایی با مس ، طلا و نقره رقابت می‌کرد و سختی و دوامش از انها بیشتر بود و نیازهای بشر را نیز برای ساخت ابزارهای مختلف تامین می‌کرد، لذا بشر تا مدتها به فکر ساختن آلیاژ یا کشف فلز جدیدی نبود.

به نظر می‌رسد که ابتدا شهاب‌های آسمانی که حاوی آهن و نیکل (15-6 درصد نیکل) بوده‌اند، توسط انسانهای نخستین بکار گرفته شده‌اند. اطلاق سنگ اسمانی و فلز ستارگان به آهن نیز موید همین است. آشوری‌ها ، بابلی‌ها ، کلدانی‌ها و عبری‌ها به‌علت گرانبها بودن آهن از آن در ساختن زیور آلات استفاده می‌کردند. در عهد حمورابی (2700 سال پیش از هجرت) ، بهای آهن هشت برابر نقره و معادل سه‌ربع بهای طلا بوده است.در ایران قدیم نیز در دوره هخامنشی به مرور مصالح آهنی جای مصالح مفرغی را گرفت، بطوری‌که در اواخر این دوره ، اسلحه‌های آهنی جایگزین اسلحه‌های مفرغی شدند. پیشینیان ، سنگ معدن آهن را با زغال چوب مخلوط کرده ، مشتعل می‌نمودند. در دوران باستان ، در ایران ، بین النهرین ، یونان و روم مجموعا هفت فلز شناخته و بکار برده شده‌اند که شامل مس ، طلا (زر) ، نقره (سیم) ، آهن ، سرب (آبار) ، اقلع (ارزیز) و جیوه (سیماب) و پلاتین می‌باشند.

تولید فلزات در طول زمان

از دوران باستان تاکنون مجموعا 87 فلز کشف شده است که به جز 7 فلز مذکور ، 2 فلز در قرون وسطی ، 15 فلز در قرن دوازدهم هجری ، 43 فلز در قرن سیزدهم هجری و 20 فلز در قرن چهاردهم هجری (قرن معاصر) کسف شده‌اند. البته بین تاریخ کشف و زمانی که تولید فلزات از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شده است، فاصله زمانی طولانی وجود دارد. چون در بررسی مسائل متالورژی ، نه‌تنها تولید فلزات امر مهمی می‌باشد، بلکه موارد کاربرد آنها نیز باید قابل توجیه باشد. برای مثال اورانیوم در سال 1221هجری خورشیدی کشف شده است، اما تولید صنعتی آن تا سال 1320هجری خورشیدی (1841م.) طول کشیده است. به عبارت دیگر حدود یک قرن پس از کشف اورانیوم ، یعنی زمانی که پدیده شکافت اتمی فلزات هسته‌ای تحت استفاده مطلوب قرار گرفت، تولید آن در سطح صنعتی شروع گردید.

شکل‌گیری علم متالورژی

با گذشت زمان ، کشف روشهای جدید استخراج و تصفیه فلزات ، شناسایی مشخصات ساختاری و فیزیکی مواد و فنون جدید شکل دادن و کاربر روی فلزات ، صنعت متالورژی به عنوان شاخه ای از علم ، جایگاهی مستقل یافت. امروزه علم متلوژی را به دو بخش کلی شامل متالورژی استخراجی و متالورژی صنعتی تقسیم نموده‌اند که این دو بخش ، اخیرا در دانشگاهها نیز به‌عنوان گرایشهای رشته مهندسی متالورژی انتخاب شده‌اند. متالورژی استخراجی و شیمیایی شامل جداکردن فلزات از سنگ معدن و تصفیه آنها (تولید فلزات) ، شناخت انواع کوره‌ها ، سوخت‌ها و فعل و انفعالات شیمیایی می‌باشد. این گرایش انواع متعددی از روشها را در بر می‌گیرد که از جمله می‌توان به کانه آرایی ، پر عیار کردن مواد معدنی ، شستن ، ذوب کردن ، تصفیه فلز مذاب و تولید شمش اشاره نمود. متالورژی صنعتی شامل کار بر روی فلزات و مواد و تهیه محصول نهایی می‌باشد. در این گرایش همچنین خواص و مشخصات فیزیکی ، ساختاری و مکانیکی مواد نیز بررسی می‌شوند. منظور از کار کردن روی فلزات ، روشهای مختلف تولید مصنوعات فلزی می‌باشد که مهمترین شیوه‌های تولید عبارتند از: متالورژی پودر ، شکل دادن ، جوشکاری و ماشینکاری. انتخاب نوع روش تولید عمدتا به مسائل اقتصادی ، خواص فلزات ، زمان تولید ، اندازه ، شکل و تعداد قطعات مورد نیاز بستگی دارد. به‌عنوان مثال ، فلزاتی که خاصیت پلاستیک کمی دارند یا قطعاتی که دارای اشکال پیچیده هستند، به روش ریخته گری شکل داده می‌شوند.

معرفی مهندسی مواد و گرایشهای آن

موضوع مهندسی مواد یكی از رشته های مهندسی است كه به درستی لقب مادر رشته های مهندسی را به خود اختصاص داده است. این رشته به عنوان یك رشته مستقل، قدمتی حدود هفتاد ساله دارد. در ایران نیز از حدود 40 سال قبل این رشته در دانشگاه‌های كشور تدریس می‌شود. به جرات می‌توان گفت كه اكثریت قریب به اتفاق مصنوعات بشری كه در اطراف می‌بینیم. حاصل تلاش مهندسین مواد است. اگر به اتومبیل، قطار و هواپیما توجه كنیم، قسمت‌های اصلی آن مثل بدنه، شیشه و موتور از مواد تشكیل شده است. در ساختمان‌ها تمام قطعات فلزی بكار رفته در اسكلت ساختمان، تمام مواد اولیه سیم كشی، مواد بكار رفته در لوله كشی‌های آب، شوفاژ، گاز، وسایل و لوازم خانگی و... تماماً به مهندس مواد مربوط می‌شود. در حال حاضر رشته مهندسی مواد در سطح دانشگاه‌های ایران در مقطع كارشناسی در سه گرایش دانشجو می‌پذیرد كه عبارتند از: متالورژی استخراجی، متالورژی صنعتی و سرامیك. 

گرایش متالورژی استخراجی : گرایش متالورژی استخراجی یكی از زیرمجموعه های رشته مهندسی مواد است. كشور ایران جزء معدود كشورهای جهان بشمار می رود كه دارای معادن متنوع و غنی از فلزات است. با وجود این مزیت نسبی، متأسفانه هنوز ما نتوانسته ایم به جایگاه واقعی خود در تولید فلزات در جهان برسیم. در ایران در حال حاضر فقط فلزاتی نظیر آهن، مس، سرب، روی و آلومینیوم بصورت انبوه تولید می شود. هنوز ما وارد كننده فلزاتی نظیر تیتانیم، منیزیم، كبالت و ... هستیم. حتی باید اشاره كرد كه بحث روز ایران در رابطه با غنی سازی اورانیم، با وجود معادن حاوی اورانیم اخیراً مورد توجه قرار گرفته، كه یك بحث كاملاً متالورژیكی است. در حقیقت باید از متخصصین امر استخراج فلزات بعنوان متولیان تولید فلز اورانیم نام برد. بنابراین دیر یا زود ایران باید تولید دیگر فلزات مهم صنعتی و استراتژیك را آغاز كند. این مسئله جز با كمك نیروهای متخصص امكان پذیر نیست. 
در این رشته به هیچ وجه در مورد معدن كاری و استخراج معادن بحث نمی شود. این جزء مواردی است كه به فارغ التحصیلان رشته مهندسی معدن مربوط می شود. بلكه كار فارغ التحصیلان این رشته هنگامی آغاز شده كه سنگ معدن حاوی فلز در محل كارخانه تحویل گرفته می شود. در این گرایش دانشجویان، اصول و مبانی علمی استخراج فلزات را آموزش می بینند. در كنار آموزش فناوریهای متداول تولید فلزات، روشهای نوین تولید فلزات نیز تدریس می شود.  از دیگر زمینه هایی كه در این گرایش آموزش داده می شود میتوان به خوردگی و از بین رفتن فلزات و روشهای جلوگیری از آن و روشهای پوشش دهی فلزات اشاره كرد. گفتنی است كه در حال حاضر 33% از درآمد ناخالص ملی كشور آمریكا بواسطه مسئله خوردگی انواع سازه ها، اتومبیلها، صنایع و .... تلف می شود. این نشان دهنده اهمیت علم خوردگی فلزات است. همچنین با عملیات خاص میتوان در سطح فلزات، پوششهای خاصی ایجاد كرد كه خصوصیات سطحی فلزات را بطور چشمگیری بهبود داد. بعنوان مثال میتوان با ایجاد پوششهای خاص سختی سطح فلزات را تا پانزده برابر افزایش داد. یا با ایجاد پوششهای مناسب در سطح فلزی مثل آهن، آنها را در محیطهای خورنده ای مثل اسید سولفوریك به راحتی بكار برد. دانشجویان جزء مواردی كه در این رشته با آن آشنا می شوند خوردگی و روشهای جلوگیری از آن و علم پوشش دهی فلزات است. 
زمینه های اشتغال: دانش آموختگان این گرایش علاوه بر كار در كارخانجات تولید فلزات نظیر تولید فولاد و ذوب آهن، مس، آلومینیوم، سرب و روی و ... می توانند در مراكز تحقیقاتی در ارتباط با تولید فلزات مشغول به كار شوند. همچنین در صنایعی مثل نفت و پتروشیمی در ارتباط با مسائل بسیار مهم و حساس خوردگی فعالیت كنند. 
زمینه های ادامه تحصیل: دانشجویان پس از اخذ مدرك كارشناسی می توانند این رشته را در ایران در سطوح كارشناسی ارشد و دكتری ادامه دهند. دانشگاه علم و صنعت ایران تاكنون بیش از ده دوره فارغ التحصیل دوره دكتری در این گرایش داشته است و هم اكنون فارغ التحصیلان آن در دانشگاههای معتبر ایران و مراكز صنعتی و تحقیقاتی مشغول به كار هستند. 
برای آن دسته از فارغ التحصیلان كارشناسی نیز كه قصد ادامه تحصیل در خارج از كشور را دارند، با توجه به سابقه خوبی كه دانشجویان ایرانی در خارج از كشور داشته اند، دانشگاههای خارجی به خوبی پذیرای فارغ التحصیلان این گرایش هستند.

گرایش متالورژی صنعتی : رشته متالورژی صنعتی یكی از زیر مجموعه‌های رشته مهندسی مواد است. در مهندسی مواد شناخت ساختار مواد و خواص آن و شناخت ارتباط بین این ساختار و خواص در جهت افزایش زمینه‌های كاربردی و طراحی مواد نو و تركیبات جدید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
با توجه به نام و محتوی این رشته ملاحظه می‌شود كه در این رشته از علم شناخت فلزات و آلیاژها در جهت كاربردهای  صنعتی استفاده می‌شود. علم متالورژی كه یكی از شاخه‌های علم مواد می‌باشد در زمینه طراحی و تولید آلیاژهای صنعتی كاربرد دارد. كلیه قطعات مكانیكی كه در صنایع مختلف بكار می‌رود از فلزات و آلیاژهای گوناگونی ساخته شده اند. انواع فولادها و چدن‌های آلیاژی، آلومینیم و آلیاژهای آن، مس، منیزیم، روی و سایر فلزات به‌طور وسیع در ساخت انواع قطعات صنعتی مورد مصرف قرار می‌گیرند. این قطعات در صنایع مختلف به‌خصوص صنایع خودروسازی، هوا- فضا، هواپیماسازی، پتروشیمی، صنعت نفت و گاز، ساختمان، سازه‌های فضایی، حمل‌ونقل، صنایع نظامی به‌كار می‌روند.
زمینه‌های كاربردی جدید: رشته متالورژی صنعتی علاوه بر كاربردهای متداول كه در صنایع گوناگون دارد در جهت طراحی و تولید مواد پیشرفته به‌سرعت در جهان در حال توسعه می‌باشد. مواد مغناطیسی نو با خواص برتر، استفاده از مواد مركب (كامپوزیت) پایه فلزی‌، ساخت مواد پیشرفته از طریق تركیبات بین‌فلزی، ‌استفاده از آلیاژهایی كه می‌توانند جایگزین اعضای بدن انسان شوند، ایجاد آلیاژهای سبك جهت تولید قطعات حساس، ‌طراحی و تولید آلیاژهایی كه در دماهای بالا به‌كار می‌روند،‌ طراحی آلیاژهایی كه در شرایط ویژه و سخت كاربرد دارند مثال‌هایی از كاربرد رشته متالورژی صنعتی در تولید مواد پیشرفته می‌باشد. در سال‌های اخیر رشته‌هایی مانند مواد زیستی و نانوتكنولورژی مورد توجه بسیاری از محافل علمی، تحقیقاتی و صنعتی جهان قرار گرفته است كه رشته متالورژی صنعتی می‌تواند نقش اساسی در جهت توسعه این‌گونه مواد پیشرفته ایفا نماید. دراین راستا در ایران و به‌خصوص دانشگاه علم و صنعت ایران در سال‌های اخیر تحقیقات علمی گسترده‌ای صورت گرفته است و دانشكده مهندسی مواد و متالورژی به عنوان قطب علمی مواد پیشرفته كشور شناخته شده است. پژوهش و تحقیقاتی كه در این رشته و با همكاری با سایر مراكز علمی جهان صورت می‌گیرد در قالب مقالات علمی در معتبرترین مجلات جهان به‌چاپ می‌‌رسد.
زمینه‌های اشتغال و ارتباط با سایر رشته‌ها: به‌دلیل كاربرد وسیع مواد و به‌خصوص فلزات در ساخت كلیه قطعات صنعتی می‌توان به زمینه اشتغال دانش‌آموختگان این رشته در صنایع گوناگون پی‌برد. در بخش دولتی شركت‌ها و كارخانجات بزرگ نظیر تولید فولاد، ذوب‌آهن، صنایع خودروسازی،‌ صنایع هوا- فضا، صنایع نظامی و صنعت نفت،‌پتروشیمی و ... و در بخش خصوصی اكثر كارخانجات تولید قطعات صنعتی به‌خصوص در صنایع خودروسازی، ساختمان‌سازی،‌ معادن ‌و صنعت سیمان می‌تواند زمینه‌های جذب دانش‌آموختگان رشته متالورژی صنعتی را فراهم سازد. این رشته‌ ماهیتاً‌ ارتباط نزدیكی با دو رشته مهندسی مكانیك و مهندسی صنایع دارد واكثر پروژه‌های صنعتی به‌صورت كارگروهی و تیمی به انجام می‌رسد.
زمینه‌های ادامه تحصیل در ایران و جهان:  دانش‌آموزانی كه علاقه‌مند به درك عمیق پدیده‌ها و رفتار مواد مختلف و یافتن كاربردهای نوین و طراحی مواد جدید متناسب با نیازهای روزافزون بشری می‌باشند و همچنین علاوه‌بر داشتن علایق مهندسی،‌ خود را به علوم نیز نزدیك حس می‌كنند می‌توانند در این رشته موفق باشند. 

گرایش سرامیك : رشته سرامیك یكی از زیر مجموعه‌های رشته مهندسی مواد است. وظیفه اصلی یك مهندس مواد در ابتدا شناخت ساختمان مواد و خواص آن و شناخت ارتباط بین این ساختار و خواص است و در مواردی دیگر با توجه به نیاز كاربردی كه وجود دارد مواد جدید و تركیبات جدید را طراحی نماید.
اما رشته سرامیك به عنوان یك زیر شاخه رشته مواد چیست؟
در ابتدا با شنیدن نام سرامیك هر انسانی به یاد ظروف سفالین می‌افتد و بسیاری فكر می‌كنند كه رشته مهندسی سرامیك یك رشته هنری است و گروهی دیگر این تصور را دارند كه این رشته محدود به ساخت محصولاتی چون ظروف سفالین، كاشی یا چینی می‌باشد. اما نكته قابل توجه در رابطه با این شاخه از علم مواد این است كه با شناخت و ورود دست‌آوردهای آن به دنیای صنعت یك مرحله جدید و یك تحول بزرگ پدید آمد. این شاخه كه بسیار هم جوان است ‌سبب شد تا تحول بزرگی درصنایع فضا، الكترونیك، اپتیك، پزشكی و بسیاری از علوم دیگر پدید آید.
بطور كلی اگر تعریفی از سرامیك به شكل ساده و ابتدایی بدهیم باید بگوییم كه مواد سرامیك عبارتند از مواد معدنی غیرفلزی. كافی است كه به اطراف خود نگاه كنید، هر آنچه كه جزء مواد آلی (مانند پلاستیك، چوب و لاستیك)و فلزی نباشد سرامیك است. پس می‌بینیم كه در دنیای كنونی سرامیك‌ها ما را محاصره نموده‌اند. شیشه‌ها از جمله شیشه‌های ساختمانی، اپتیك، فیلترهای بسیار دقیق اپتیكی، مصالح ساختمانی از جمله سیمان، كاشی،‌ چینی بهداشتی، نسوزها و كلاهك‌ها و پوشش‌ بیرونی موشك‌های فضاپیما و قطعات اصلی كامپیوتر‌ها، اجزای درونی قطعات الكترونیك از جمله Ic ها، خازن‌ها،‌ مقاومت‌ها،‌ ایمپلانت‌ها و بسیاری از قطعاتی كه جایگزین اعضای بدن انسان می‌شود، فروالكتریك‌ها، فری مغناطیس‌ها و فوق‌هادی‌ها و بسیاری كاربردها و مواد دیگر كه همه و همه مدیون شناخت و بوجود آمدن رشته سرامیك است. در سال‌های اخیر رشته‌هایی مانند مواد زیستی و نانوتكنولوژی مورد توجه بسیاری از محافل علمی، تحقیقاتی و صنعتی جهان قرار گرفته است كه رشته سرامیك با دوشاخه بایو سرامیك‌ها و نانو سرامیك‌ها در این رشته‌ها مطرح می‌باشد.
به طوركلی سرامیك‌ها به دو دسته سنتی و مدرن تقسیم می‌شوند. در ایران به  شكل عمده صنعت سرامیك متمركز بر تولید سرامیك‌های سنتی است كه شامل صنایع شیشه،‌ چینی،‌ كاشی،‌سیمان،‌ نسوز و ... بوده است. امكان ادامه تحصیل در این رشته تا مقطع دكترا درداخل كشور وجود دارد، وضعیت ادامه تحصیل در دانشگاه‌های خارج از كشور نیز در این رشته بسیار مطلوب می‌باشد و این رشته بسیار مورد توجه جوامع صنعتی و دانشگاهی جهان است. از دیدگاه وضعیت بازار كار،‌ با توجه به رشد قابل توجهی كه این صنعت در ایران داشته و دارد،  بازار كار مناسبی را می‌توان برای آن متصور شد. هر چند با ظرفیت قابل ملاحظه‌ای كه سالانه در این رشته جذب دانشگاه‌ها می‌شوند تا حدودی از قطعیت این سخن كاسته می‌شود. نزدیكی این شاخه از مهندسی با رشته‌های فیزیك و شیمی بیش از تمامی رشته‌هاست و بسته به شاخه‌های خاص به هر یك از دو رشته فیزیك و شیمی كاربردی نزدیك می‌شود. دانش‌آموزانی كه علاقمند به درك عمیق‌تر علل پدیده‌های رفتاری مواد مختلف و یافتن كاربردهای نوین و طراحی مواد جدید متناسب با نیازهای روزافزون بشری می‌باشند و به طور كلی علاوه بر داشتن علایق مهندسی خود را به علوم نیز نزدیك حس می‌كنند، می‌توانند در این رشته موفق باشند. درهرحال كشور ما دارای خلاء های بسیاری برای محصولات و شاخه‌های جدید و نوین سرامیكی است.همگام با توسعه همه جانبه  كشورنیاز فراوانی به مهندسان و دانشمندان تحصیل كرده در این رشته وجود خواهد داشت و هر فرد متخصص با دارا بودن جدیت، اعتماد به نفس و پشتكار می‌تواند بازار كاری مناسبی برای خود پدید آورد.