خواص المواد الهندسية

ما هي المواد الهندسية؟

المواد الهندسية هي كل ما يدخل في عمل المهندس من حيث اختياره للمواد المناسبة للمنشئات المختلفة كالأحجار والمعادن الحديد، والألمنيوم والنحاس وفي صناعة الماكينات وغيرها الكثير، أو هي كل ما يمكن أن يتواجد في الحياة من مواد يتم تصنيعها واستخدامها في المجال الهندسي، وقد استخدم الإنسان منذ نشأته على الأرض المواد المختلفة ليصنع منها أدواته، ولهذا قام بالبحث والتنقيب، واستحداث المواد المختلفة لتلائم احتياجاته المتنوعة والمتجددة، حتى أصبحت هذه المواد الأساس والمحرك الرئيسي للنهضة العلمية والتكنولوجية والصناعية، وتتواجد المواد الهندسية في الطبيعة على شكل مواد خام مثل الفوسفات وبعضها تصنع بشكل دقيق ومدروس وبنسب محددة لتلائم الاحتياجات الهندسية، كتحملها لكافة درجات الضغط ومن جميع الجهات دون أن تتعرض للكسر، وتحمل قوة الشد أيضًا^[١].

ما هي خواص المواد الهندسية؟

خواص المواد هي التي يهتم المهندس بقياسها ومطابقة معاييرها للمواد التي يحتاجها في أعماله الهندسية المختلفة بحيث يختار أنسبها وأعلاها جودة لعمله، وفيما يلي هذه الخصائص:

الخصائص الفيزيائية للمواد الهندسية

تعرف بأنها أي خاصية قابلة للقياس، ومن خلال قيمتها يتم تحديد الخواص الفيزيائية للمواد، ومن الخواص الفيزيائية التي يستفيد منها المهندس أثناء عمليات الإنشاء^[٢]:

• الكثافة الظاهرية: هي نسبة كتلة الجسم إلى الحجم الكامل الذي يشغله بما في ذلك الفراغات والمسامات الموجودة فيه.
• الكثافة الكتلية: هو نسبة كتلة الجسم إلى الحجم الكامل.
• المسامية: تعبر عن النسبة المئوية للمسام الموجودة في حجم المادة، وتؤثر المسامية على خواص المواد مثل المقاومة والكثافة الظاهرية والموصلية الحرارية والمتانة.
• المقاومة الكيميائية: قدرة المواد على تحمل التعرض للأحماض والقلويات، وتأثير الغازات والمحاليل الملحية فيها.
• الاسترطاب: هي خاصية المواد على امتصاص بخار الماء من الهواء، وتحددها طبيعة المادة، وعدد المسام، ودرجة حرارة الهواء، والرطوبة النسبية.
• نفاذية الماء: قدرة المواد على السماح للماء بالنفاذ خارجها من خلال المسامات.
• التجوية: خاصية المادة لتحمل جميع العوامل الجوية مثل تعرضها لظروف رطبة وجافة دون أن تفقد قوتها الميكانيكة وشكلها بشكل كبير.
• الموصلية الحرارية: قدرة المادة على نقل الحرارة وتوصيلها إلى الأجسام الأخرى، وتعتمد الموصلية الحرارية على كثافة المادة والمسامات ودرجة الحرارة وكمية الرطوبة الموجودة فيها.
• معامل التليين: نسبة مقاومة انضغاط المادة حين تكون مشبعة بالماء إلى حالتها الجافة.
• سعة التحمل: تعرف بقدرة المادة على مقاومة العوامل الجوية والعوامل الأخرى المؤثرة فيها معًا، فكلما زادت سعة تحملها زاد عمر استخدامها.
• الحرارة النوعية: وهي قيمة تبين مقدار الحرارة في المادة.
• مقاومة الصقيع: قدرة المواد المشبعة بالماء على مقاومة التجمد والذوبان دون التأثير الكبير على المقاومة الميكانيكية للمواد أو ظهور تشوهات، كما تعتمد المقاومة على كثافة المواد ودرجة تشبعها بالماء.
• مقاومة الحريق: قدرة المادة على الصمود أمام النار دون تغير شكلها وخصائصها الأخرى.

الخصائص الميكانيكية للمواد الهندسية

تَعد الخواص الميكانيكية للمواد من أهم الخواص التي تدرس سلوك المواد الهندسية أثناء التشغيل والتشكيل على الماكينة وعند تعريضها للأحمال والقوى المؤثرة كالشد والضغط، ومن الخواص الميكانيكية التي تساعد المصمم أو الصانع على اختيار المادة المناسبة للتطبيق أو المكون الذي سيستخدمه في صناعته:

• مقاومة التآكل: هي مقاومة سطح المادة للتآكل والخدش، مما يعطيها عمرًا أطول.
• الزحف: قابلية المادة للسحب والاستطالة الدائمة نتيجة تعرضها لإجهادات ثابتة لمدة طويلة في الظروف العادية، وفي درجات الحرارة العالية يحدث الزحف بسرعة ويظهر بشكل أكبر.
• المرونة: قدرة المادة على استرجاع شكلها الأولي بعد نزع الإجهاد الذي طُبّق عليها.
• الصلابة: هي قدرة المادة على مقاومة خدش أجسام أكثر صلابة منها، قبل أن تتعرض للتشوه أو الكسر.
• اللدونة: قدرة المادة على الاحتفاظ بشكلها بعد نزع الإجهاد الذي طُبق عليها دون حدوث كسر وتشققات.
• مقاومة الارتطام: تعبر عن كمية القوة المطلوبة لإحداث تشوه في الوحدة ويحدث عندما تتعرض المادة لأحمال مفاجئة.

ما هي أنواع المواد الهندسية؟

تُقسم المواد الهندسية حسب طبيعة تركيبها لمجموعات رئيسة هي^[١][٣]:

• المعادن وسبائكها: تتكون مواد هذه المجموعة من عنصر فلزي أو أكثر مثل الحديد، وتحتوي على عناصر لافلزية بشكل أقل مثل الكربون، وتترتب ذرات هذه العناصر في نظام بلوري، وتمتاز بمقاومة عالية وقدرة كبيرة على التمدد ومُقاومة الكسر، وكثافتها أعلى مقارنة بالبوليمرات، وموصليتها عالية للحرارة والكهرباء، ولها بريق فلزي طبيعي يظهر أكثر مع الصقل، وبعض الفلزات لها خواص مغناطيسية كالحديد والنيكل، وتصنع من دمج هذه المواد سبائك من خلال عمليات الصهر والخلط والتبريد لتحسين خصائص المواد الأساسية للاستخدامات الهندسية.
• البوليمرات: تشمل البوليمرات على اللدائن القابلة للتشكيل والمطاطات والبلاستيك والألياف ومواد الطلاء، ومنها مركبات عضوية بنيتها الداخلية من عنصري الكربون والهيدروجين، وتمتاز البوليمرات ببنية جزيئية ضخمة جدًا، غالبًا ما تكون شبيهة بالسلاسل في طبيعتها وتبنى في أصلها من ذرات الكربون، ومن البوليمرات البولي بروبلين والنايلون والبولي كلوريد فينيل والبوليثين وبولي كربونات والميلامين والأكريليك، ومن خصائصها إمكانية تشكيلها في أشكال معقدة جدًا، وتلين وتتحلل في درجات حرارة منخفضة مقارنة بغيرها من المواد، ويضاف للبوليمرات مواد تغير خصائصها لتحسين المرونة ومواد تقلل مرور الضوء من خلالها ومواد تغير الكثافة.
• الخزفيات: هي عبارة عن مركبات صلبة مكونة من معادن فلزية وغير فلزية، والخزفيات مواد هشة معرضة للكسر غير قابلة للاستطالة وتعد عوازل مثالية للحرارة والكهرباء، ذات صلابة عالية وبعضها شفاف يسمح بمرور الضوء من خلالها والآخر نصف شفاف ومعتم ومن الخزفيات الزجاج والإسمنت .
• المواد المركبة: تتكون من مادتين أو أكثر من المواد الذي ذكرنا سابقًا أنها لا تنصهر ولا تذوب مع بعضها، بل تخلط المواد وتمتزج مع بعضها بشكل متناسق دون التأثير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية، والهدف من المزج الحصول على مادة ذات خصائص أفضل مغايرة للمادة الأساسية، ومن الأمثلة عليها المواد الليفية.

نساء مشهورات في تاريخ الهندسة

ساهمت النساء في التاريخ الحديث والقديم في المجالات المتنوعة في الهندسة رغم الصعوبات المجتمعية التي كانت تحد من مشاركة النساء في المجالات العلمية، ومن النساء اللواتي ساهمن في المجالات المتنوعة في الهندسة^[٤]:

• إديث كلارك: تعد أول امرأة تحصل على شهادة الهندسة الكهربائية من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بعد تخرجها من الجامعة عملت في شركة جنرال إلكتريك وأصبحت تحصل على راتب ثابت في وظيفتها كمهندسة بعد عامين وهو ما لم يعتاد أن تحصله المرأة في ذلك الوقت، كما حازت على براءة اختراع لاختراعها آلة حاسبة اختصاصية، وبعد تقاعدها أصبحت أول امرأة تُدرس الهندسة في جامعة تكساس.
• إميلي رويبلينج: ساهمت إيميلي في إتمام بناء جسر بروكلين الذي صممه زوجها بعد مرضه، فكانت تأخذ الملاحظات والإرشادات من زوجها وتوصلها إلى العمال والممولين للجسر كمهندسة، فبالتالي أصبحت أول مهندسة ميدانية تدير المشاريع، وأجرت دراسات خاصة حول القضايا التقنية والمواد وتحليل الإجهادات والبناء والحسابات.
• مارثا كوستون: يرجع إليها الفضل في إنشاء نظام إشارات تستطيع السفن إضاءتها لتحديد موقعها في البحر أو على اليابسة يسمى (كوستين فلاير)، ومات زوج مارثا في سن الواحد والعشرين وترك لها أربعة أطفال فبحثت عن طريقة لتحسن من حياتها، ولهذا السبب قامت بدراسة وتطوير تصميم مكتوب على دفتر ملاحظات زوجها لم يستطع النجاح به، وبعد التعديلات نجحت في إنشاء هذا النظام باستخدام الألعاب نارية، وحصلت على براءة اختراع عام 1859.
• ليليان جيلبرث: تعد من الرائدات في مجال الهندسة الصناعية وعلم النفس وأسهمت في تطوير الإدارة ولذلك تسمى بـ " أم الإدارة الحديثة" ، وتعد أول امرأة تنتسب للأعضاء في الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، وعملت مع شركة جنرال إلكتريك لتطوير تصميم الأجهزة الكهربائية.
• ستيفاني كوليك: هي واحدة من أوائل الباحثين في مجال الكيمياء، حصلت على 17 براءة اختراع ، منها اختراعها لمادة "كيفلار" التي تمتاز بأنها أقوى بخمس مرات من الفولاذ، ومقاومة للتآكل واللهب، وتستخدم كعنصر رئيسي في صناعة السترات الواقية من الرصاص وخوذات السلامة ومعدات التخييم والكيبلات والزلاجات الثلجية.
• ماري أندرسون: ساهمت في اختراع ماسحات زجاج السيارات، وكانت عبارة عن شفرة مطاطية متصلة بذراع يحتوي على نابض، توفيت ماري قبل أن يُعتمد اختراعها في صناعة السيارات.
• هيدي لامار: كانت لامار ممثلة ومخترعة شاركت في ابتكار تقنية القفز الترددي، التي تَعد حجر الأساس للعديد من الاتصالات اللاسلكية في عصرنا الحالي، وباستخدام هذه التقنية اخترعت نظام اتصالات يتحكم فيه عن بعد للجيش الأمريكي.

مراجع

1. ^ ^{أ ب} " Engineering Materials", mechanicalc, Retrieved 12-7-2020. Edited.
2. ↑ Article shared by : ADVERTISEMENTS, " Properties of Engineering Materials: General, Physical and Mechanical"، engineeringenotes, Retrieved 13-7-2020. Edited.
3. ↑ "Materials", the-warren, Retrieved 13-7-2020. Edited.
4. ↑ Monica Shepherd, "7 Famous Female Engineers in History"، workflowmax, Retrieved 13-7-2020. Edited.