جوانب مختلف مهندسی سطح

عبارت مهندسی سطح

واژه ی مهندسی، ریشه ی فرانسوی دارد و در گذشته نیز دارای معنی بوده است، در حالی که اکنون این واژه دارای معنای متعددی است. البته تمام این معانی، نزدیک به هم هستند. در گذشته، مهندسی یک مهارت بوده است، در حالی که اکنون، این واژه عمدتاً یک علم مرتبط با طراحی اشکال و یا خواص مواد و فرآیندهای تولید آنها می باشد.
در اصل، مهندسی، در برگیرنده ی هنر ساخت استحکامات، پناهگاه ها و سایر المان های سیستم های دفاعی، می باشد. در قرن هجدهم و نوزدهم، در اروپا مهندسی نظامی و غیر نظامی، از هم جدا شدند. در زمان های بعد، مفهوم مهندسی به هنر طراحی و ساخت تمام انواع ساختارها (به استثنای ساختمان ها) تبدیل شد و بنابراین، مهندسی به شاخه های متنوعی از جمله مهندسی عمران، آب، مهندسی دریا، مهندسی بهداشت و جنگل داری، تقسیم شد.
بعد از جنگ جهانی دوم، اثر کشورهای آنگلوساکسون موجب شد تا تفکر آمریکایی در اروپا، گسترش یافته و جنبه ی جدیدی از مهندسی، به نام مهندسی اجتماعی، متولد گردد. اخیراً یک شاخه ی جدید از علوم، که مهندسی محیط زیست نامیده می شود، متولد شده است.
در طی قرن اخیر، مخصوصاً بعد از جنگ جهانی دوم بود که عبارت مهندسی گسترش یافت و برخی از نواحی دانش بشری را پوشش داد. این مسئله مخصوصاً در بخش هایی اتفاق افتاد که مربوط به تحقیقات کاربردی مانند علوم مربوط به عملیات های واحد مورد استفاده در صنایع شیمیایی و صنایع مربوطه، می باشد. این مقوله به علوم کاربردی مانند یافته های تئوری ژنتیک پرورش حیوانات، پرورش گیاهان و پزشکی، گسترش یافت.
ایجاد و استفاده از این مفهوم در زمینه های مختلف، منجر به گسترش مفهوم مهندسی شد و بدین صورت، مهندسی پزشکی، مهندسی الکترونیک، مهندسی برنامه نویسی، مهندسی ارتباطات، مهندسی هوافضا، مهندسی فرآیند، مهندسی مکانیک، مهندسی خوردگی و انواع دیگر از مهندسی ها، بوجود آمد.
در دهه ی 70، مفهوم مهندسی مواد ایجاد گردید که در واقع هدف آن بررسی اصول علمی مربوط به ساختار مواد، بهبود و حصول مواد جدید با خواص قابل تکرار است.
در این زمان، دانشکده ها و انستیتوهای و حتی آزمایشگاه های بررسی مواد، گسترش یافت.
از تعریف بالا، این مسئله به نظر می رسد که مهندسی مواد، درگیر بررسی ساختار و طراحی مواد مختلف مانند کامپوزیت ها، می باشد. به عبارت دیگر، این را نمی توان نتیجه گیری کرد که مهندسی مواد تنها درگیر بهبود و اصلاح خواص سطحی مواد می باشد.
این مسئله احتمالا به این دلیل است که عبارت مهندسی سطح، برای اولین بار در دهه ی 70، مورد استفاده قرار گرفت. در اوایل دهه ی 70، جامعه ی مهندسی سطح، وابسته به یک موسسه جوش در ابینگتن، افتتاح شد. در ابتدا، این جامعه عمدتاً بر روی جوانب مختلف جوشکاری و اسپری حرارتی کار می کرد ولی بعدها، مؤسسه ولفسون در دانشگاه بیرمنگام و به منظور بررسی کارهای مربوط به مهندسی سطح ایجاد شد. این مؤسسه در ابتدا عمدتاً بر روی مسائلی کار می کرد که مربوط به عملیات های نفوذی سطحی و ارتباط آن با تکنولوژی خلأ بود. این رویه، به صورت تدریجی گسترش یافت و به فعالیت ها و روش های دیگر مربوط به تشکیل لایه های سطحی، رسید.
در سال 1985، اولین نسخه ی فصلنامه "مهندسی سطح" بوسیله ی مؤسسه ی ولفسون انتشار یافت. این کار با مشارکت جامعه ی مهندسی سطح انجام شد. در سال 1987، یکی دیگر از فصلنامه های مربوط به تحقیقات علمی و طبیعت فنی، به چاپ رسید. این کار به صورت مشارکتی بوسیله ی دو ناشر، انجام شد: یکی مجله ی بین المللی سطح و دیگری مهندسی سطح. این فصلنامه ها، در مورد تکنولوژی های اسپری حرارتی، تشکیل لایه با استفاده از PVD و CVD، سخت کاری با استفاده از پرتوی لیزر، کاشت یونی، ساچمه زنی، آلیاژسازی سطحی بوسیله ی فرایندهای متداول و فرایند لیزری، و تکنولوژی های مربوط به تشکیل لایه ی سطحی و برخی از تکنولوژی های پوشش دهی، می باشد. مسائل مربوط به پوشش ها، مخصوصاً رنگ ها، آبکاری و انواع دیگر از روش های ایجاد پوشش، نیز بوسیله ی سایر انتشارات، پوشش دهی شدند.
در اکتبر 1986، در کنگره ی بین المللی عملیات حرارتی مواد در بوداپست، نام فدراسیون بین المللی عملیات حرارتی مواد، به فدراسیون بین المللی عملیات حرارتی مواد و مهندسی سطح، تغییر نام پیدا کرد. به دلایل واضح، هر دو فدراسیون و کنگره ها ترکیب شدند و این مسئله ترجیح داده شد که مسائل مربوط به عملیات حرارتی و سایر مباحث مربوط به مهندسی سطح، در این رویه مورد بررسی قرار گیرد.
در طی چند سال گذشته، بسیاری از کنفرانس های بین المللی، جلسات و بحث ها، اختصاص به مهندسی سطح و ارتباط آن با زمینه های دیگر علوم و تکنولوژی پیدا کرد.

موضوعات که مهندسی سطح را شکل دهی می کنند

مهندسی سطح تقریباً به عنوان یکی از ابزارهای قدیمی است که بوسیله ی بشر، مورد استفاده قرار گرفته است. از ابتدا تا اوایل دهه ی 70، بشر بر روی توسعه ی مهندسی سطح، کار کرده است. البته این مفهوم، تا سال های پیش، به عنوان یک مفهوم مجزا، تلقی نمی شود. عبارت مهندسی سطح، اگر چه در طی ده قرن مورد استفاده قرار گرفته است، هنوز هم تعریف نشده است.
با راه های مخلتفی، تلاش شده است تا این مهندسی تعریف گردد و همچنین تلاش شده است تا این مباحث، گسترش یابد، مخصوصاً با دید گسترش روش های مربوط به تولید سطوح بهبود یافته. کتاب ها و هندبوک های مختلفی که منتشر شده است، تکنولوژی های قدیمی تر را که در مهندسی سطح، مورد استفاده قرار می گیرند، مورد بررسی قرار داده است. البته هندبوک های اندکی وجود دارد که در مورد روش های جدید تولید این پوشش ها و سطوح بهبود یافته، صحبت کند.
به زودی، مفهوم مهندسی سطح به عنوان روش های مختلفی تعریف شد که برای شکل دهی لایه های سطحی مورد استفاده قرار می گیرد. این تشکیل لایه پیش از قرارگیری نمونه در حالت سرویس دهی، می باشد. البته چیزی نمی توان در مورد لایه های سطحی گفت که در طی سرویس دهی تشکیل می شود. همچنین در مورد تحقیق و بررسی خواص یا مدل سازی این خواص برای کاربردهای مختلف، صحبت نشده است. حتی مقالات جدیدتر، نیز در مورد روش های جدید مربوط به مهندسی سطح، کمتر صبحت کرده اند.
امروزه، این آگاهی اندک در مورد مهندسی سطح، مورد مناسبی نیست. در واقع، این مسئله منجر به سخت شدن کار شده است. به همین دلیل، در طی سال های بین 1993 و 1995، مسائل مربوط به استفاده از لایه های سطحی، و طراحی آنها نیز وارد مقوله ی مهندسی سطح شد.
بر اساس تحقیقات انجام شده از دهه ی 80 به بعد، در مورد مهندسی سطح، تعریفی پیشنهاد شد:
مهندسی سطح یک شاخه از علم است که در بر گیرنده ی:
1) فرایندهای تولید لایه های سطحی، مطابق با اصطلاحات پذیرفته شده، لایه های سطحی و پوشش هایی می باشد که برای اهداف تکنولوژیکی و کاربردی، ایجاد شده اند.
2) پدیده های مرتبط
3) اثرات بدست آمده از آنها بر روی کارایی می باشد.
مهندسی سطح شامل تمام مسائل علمی و فنی است که با تولید لایه های سطحی پیش از استفاده نهایی یا در طی سرویس دهی، در ارتباط است (شکل 1). این زمینه از علوم همچنین شامل تحقیق بر روی پدیده های و خواص بالقوه ی لایه های سطحی و مسائل مربوط به طراحی این لایه ها، می باشد.
بنابراین، مهندسی سطح شامل کل تحقیقات انجام شده است که در طراحی، تولید و بررسی و استفاده از لایه های سطحی، با آنها رو برو هستیم. این مباحث، هم شامل مباحث فنی و هم استفاده ی نهایی می باشد. در واقع این مباحث، شامل بهبود خواصی همچون ایجاد پوشش های ضد خوردگی، ضد خستگی، ضد سایش و با ظاهر زیبا می باشد. سایر کاربردها، شامل بهبود خواصی همچون، خواص نوری، ترمودینامیک، الکتریکی، مغناطیسی، چسبندگی، سایش، پسیواسیون، بازدارندگی، کاتالیستی، زیست سازگاری، نفوذ و سایر خواص می باشد.
در مورد معنای بیان شده در بالا، مهندسی سطح دارای قرابت های قابل توجهی با علوم کاربردی است.
مهندسی سطح از مباحث زیر الهام گرفته است (شکل 2):
1) علوم پایه: مانند فیزیک، شیمی، مخصوصاً ریاضی و کاربرد آن در سطح مواد
2) علوم کاربردی مانند:
• علوم مرتبط با علم مواد و مهندسی مواد، با تمرکز بر روی عملیات حرارتی
• ساخت و استفاده از ماشین آلات با تمرکز بر روی افزایش استحکام، خستگی، و مقاومت در برابر خوردگی و بهبود تریبولوژی
• مهندسی برق، الکترونیک، اپتیک، ترموکینتیک، علم مغناطیس و ...
هدف علم مواد و مهندسی مواد، ایجاد خواص سطحی است که بوسیله ی مهندسی سطح، بهبود یافته اند. داشتن اطلاعتی در مورد زیرلایه ی مورد استفاده، یکی از شرایط اساسی در تولید لایه های سطحی است.
خواص مربوط به لایه های سطحی تولید شده، بوسیله ی روش هایی ارزیابی می شود که در مهندسی سطح، استفاده می شوند. این خواص علاوه بر این، با استفاده از ماشین آلات و روش های ارزیابی مورد استفاده در مهندسی سطح نیز، ارزیابی می شوند. این روش ها، اغلب در مباحث تریبولوژی، محافظت در برابر خوردگی، ارزیابی استحکام ماده و ... مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده از لایه های سطحی یا محصولات آنها در طی سرویس دهی قطعه، مربوط به دوره ی خدمات می باشد و یکی از مسائل اولیه در زمینه ی تریبولوژی و محافظت در برابر خوردگی، می باشد.