MAL 201- MALZEME BLGS

Transkript

1 TÜ Makina Fakültesi MAL 201- MALZEME BLGS Bahar Ders Notlar Prof. Dr. Ahmet Aran ÇNDEKLER 1. Giri 1 2. Atomsal Ba! 6 3. Kristal Yap&lar Kristal Yap& Kusurlar& Mekanik Özellikler Faz Diyagramlar& Dönüümlerin Kineti!i ve Is&l lemler Metaller ve Ala&mlar& Polimerler Seramik ve Camlar Kompozitler Ortam Etkileri Elektriksel ve Manyetik Özellikler 85 De!iik kitaplardan derlenerek ö!renci katk&lar&yla haz&rlanm&t&r. stanbul 2008

2 1. Giri Malzemeler, mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde kullanlan ve mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen özelliklere sahip katlardr. Malzemeler insanlk tarihinde her zaman önemli bir rol oynam ve tarih çalarnn bir çou o dönemde gelitirilen ve kullanlan malzemelere atfen verilmitir (Cilal Ta Devri, Tunç Devri vs.). Bu nedenle tüm mühendislik programlarnda örencilere bir malzeme bilgisi altyaps kazandrlmaya çallmas doaldr. Malzeme biliminin genel amac, malzemelerin içyapsn tantmak, içyaplar ile özellikler arasnda bantlar aratrmak, bu ekilde gelitirilen temel ilkeler ve kavramlar nda uygulamada kullanlan malzeme türlerini snflara ayrarak özelliklerini incelemektir Malzeme Türleri Malzemelerin snflandrmas deiik ekillerde yaplabilir, ancak mühendisler açsnda en uygun snflandrma aadaki gibidir: Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler Yar -letkenler Metaller Mühendislikte kullanlan malzemelerin önemli bir ksm metaller ve bu metallerin alamlardr. Metallerin karakteristik özelliklerini aadaki balklar altnda toplamak mümkündür: Kristal yapdadrlar. Dayanmlar yüksektir. Kolay ekillendirilebilirler Tokluklar yüksektir, yani krlgan deillerdir. Basma dayanmlar, çekme dayanmlarna yaklak eittir. Korozyon dayanm genellikle düüktür. Yüksek elektrik ve s iletkenlikleri vardr..effaf deillerdir, ancak parlak görünüe sahiptirler. Metaller büyük bir ailedir ve birçok mühendislik alamlarnn esasn olutururlar ve genellikle iki grup olarak ele alnrlar: Demir Esasl Metal ve Alamlar (dökme demir ve çelikler) Demir D Metal ve Alamlar (alüminyum, magnezyum, bakr, titanyum, nikel, çinko ve alamlar ) Seramikler ve Camlar Seramikler, metal + metal olmayan bir elementten ( C, N, O veya S) olumaktadr. Örnein, aluminyum bir metaldir ancak bunun oksidi olan Al 2 O 3 seramiktir. Burada alüminyumun kolay ekillendirilebilir bir malzeme olmasna karn, oksidi krlgandr ve kolay ekillendirilemez. Seramik malzemeler alannda bu malzemelerin gevrekliklerinin giderilmesine ve krlma tokluklarnn arttrlmasna yönelik çalmalar yaplmakta ve krlgan olmayan mühendislik seramiklerin gelitirilmesi alannda baarl sonuçlar alnmaktadr. Seramiklerin karakteristik özellikleri aadaki ekilde özetlenebilir: Dayanmlar yüksektir ancak gevrek malzemelerdir ve krlma tokluklar düüktür. Erime scaklklar yüksektir sya dayankl refrakter malzeme olarak kullanlrlar (soba, ocak ve frnlarda) Birçok ortamda kimyasal olarak kararldr. Çekme dayanmlar düük, basma dayanmlar yüksektir. Aran - MAL201 Ders Notlar 1

3 SiO 2, geni ve karmak bir aile olan silikatlar grubundadr. Bu malzeme amorf yapya sahip olabilir ve bu durumdaki malzemeye cam ad verilir. Cam ile seramik aralarsndaki temel fark, seramiklerin kristal yapya sahip olmalardr. Bilindii gibi malzemelerin yaplar, atomlarn ba kuvvetleri yardmyla bir araya gelerek uzayda dizilmeleri sonucu oluur. Bu dizili düzenli ise kristal, düzensiz ise amorf olarak adlandrlr. Camlarn büyük çounluu silikatlardan olumaktadrlar, ancak bileimlerinde baka oksitler de bulunmaktadr. Örn: pencere camlarnda %72 SiO 2 nin yan sra bata Na 2 O ve CaO olmak üzere dier oksitler bulunmaktadr. Yani farkl bileimlerde cam türleri vardr; örnein pencere cam ile gözlük cam bileimleri bakmndan farkldrlar. Camlarn karakteristik özellikleri aadaki ekilde özetlenebilir: Dayanmlar yüksektir, ancak gevrek ve krlgandrlar. Çekme dayanmlar düük, basma dayanmlar yüksektir. Kimyasal tarafszlk (inert) gibi önemli özellikleri vardr. Saydam türleri vardr. Seramiklerden fark olarak yüksek scaklkta yumuatlarak veya eritilerek ekillendirilebilirler. Baz cam türleri ekillendirme ilemleri sonras cams durumdan kristal duruma geçirilebilirler. Seramik cam olarak adlandrlan bu malzemeye cams durumda kolaylkla biçim verildikten sonra, kristalletirilerek seramiklerin üstün mekanik özellikleri kazandrlr. Polimerler (Plastikler) Günlük yaammzda ucuz ve kullanl birçok plastik malzeme (polimer) ile karlarz. Polimerler genellikle petrol türevi ürünlerden elde edilen malzemelerdir. Yaplarnda genelde C, H, O, N, S bulunur. Bu gruba giren malzemelerin yaps, merlerin birleerek uzun bir zincir oluturmas (polimer) ve bu uzun zincirler birbirlerine zayf ikincil balar, veya güçlü çapraz balar ile birlemesi ile oluur. Örnein mer bir hidrokarbon molekülünü olabilir (C 2 H 4 : etilen), bunlar birlemesi ile polimer ortaya çkar (polietilen). H H H H H H C C C B C B C B C B H H H H H H etilen _(mer) polimer Polimer yaplarnda bulunan elementler çok çeitli deildir, birçok önemli polimer hidrojen ve karbon esasldr. Dierleri oksijen (akrilikler), nitrojen (naylonlar), flor (fluoroplastikler) ve silisyum (silikonlar) içerirler. Polimerlerin karakteristik özelliklerini aadaki ekilde özetlenebilir: Plastiklerin sünek, hafif ve ucuz malzemelerdir. Yaplarndaki balarn karakteri nedeniyle dayanmlar düüktür. -kincil balar içeren türleri kolay ekillendirilebilirler, düük scaklkta yumuarlar ve erirler Elektriksel olarak yaltkandrlar. Baz snrlamalara ramen plastik malzemeler yaygn olarak kullanlrlar. Son yllarda bu malzemelerin dayanmlarnn Aran - MAL201 Ders Notlar 2

4 ve rijitliklerinin artrlmasna yönelik birçok gelime salanmtr ve dolaysyla mühendislik uygulamalarnda kullanm giderek yaygnlamaktadr. Kompozitler (Karma Malzemeler) Yukarda verilen üç gruba giren, iki veya daha çok malzemenin makro düzeyde yan yana getirilmesi ile, bu malzemelerin üstün özelliklerini ayn malzemede toplayan veya yepyeni bir özellik ortaya çkaran malzemeler oluturulabilir ve bu malzemeler kompozit olarak adlandrlr. Ayn gruba giren iki malzeme, örnein iki farkl metal de bir araya getirilerek kompozit oluturulabilir, nitekim metal saçlar yüzeylerine baka bir metal tabaka giydirilerek (kaplanarak) korozyona kar korunurlar. Kompozitler metal alamlarndan farkldr. Alamlama mikro düzeydedir; kompozitte ise farkl malzemeler birbiri içinde çözünmezler; tabaka, lif veya parçack halinde birlikte bulunurlar. Örnekler: CTP: Cam takviyeli plastik plastik malzeme cam lifler ile takviye edilerek dayanm ve rijitlik kazandrlr (fiberglas). Beton: içinde kum, çakl talar, çimento vs vardr. Ahap: doal bir kompozittir Yap' Özellik *likileri Deiik malzemelerin kendilerine has özellik ve davranlar ile bunlar arasndaki farklar anlamak için bu malzemelerin atomsal ölçekteki iç yaplarn tanmak çok önemlidir. Bu sayede her malzeme grubuna ait karakteristik özelliklerin, atomsal veya mikroskopik ölçekteki yapsal özellik ve mekanizmalardan kaynakland görülecektir. Örnek 1: Alüminyum sünek, magnezyum gevrek özellik gösterir. -lerideki bölümlerde görülecei gibi, metaller kalc ekil deitirirken, malzemenin kristal kafesindeki belirli kristal düzlemleri belirli dorultularda kayarlar. Bir kristalde bu tür kaymalara olanak tanyan kayma sistemi says arttkça malzemenin ekil deitirmesi kolaylar, yani süneklii artar. Magnezyum kristalinde sadece 3 kayma sistemi var iken, bu say alüminyum için 12 dir. Yani alüminyum kafesi kalc ekil deiimlerinin gerçeklemesi için 4 kat daha fazla seçenee sahiptir. Sonuç olarak alüminyum sünek özellik gösterirken, magnezyum gevrek bir malzemedir. Yar'iletkenler Yar iletken malzemeler ne iyi bir iletken, ne de tam bir yaltkandr. Elektronikte kullanlan çok önemli malzemelerdir; çipler, ilemciler, transistorler gibi elemanlarn üretiminde kullanlr. Silisyum ve germanyum en yaygn kullanlan yar iletkenlerdir Atomsal balar bakmndan yaplan snflandrmada bu malzemeler yukardaki dört gruba da girmez. Yariletkenlerde kimyasal bileimin hassas kontrolü ile elektronik özellikler kontrol edilebilir. Bu malzemeler ve gelitirilen yeni teknolojiler sayesinde çok küçük boyutlarda elektronik devreler elde etmek mümkün olur. Aran - MAL201 Ders Notlar 3

5 Örnek 2: Saydam seramikler Seramikler genellikle kristal tozlarnn, yüksek dayanml ve gözeneksiz ürünler elde etmek için yüksek scaklkta piirilmesi ile elde edilir; ancak buna ramen önemli miktarda gözenek içerirler. Malzeme içinden geçen k demeti, bu gözeneklerde saçlacandan malzeme saydam deildir. Sadece % 0,3 gözeneklilik bulunmas bile malzemeyi opak yapar. Uygun katklar ile bu gözeneklerin giderilmesi mümkün olmu ve saydama yakn seramikler elde edilmitir. Böylelikle 1000 C'ye kadar çkabilen sodyum lambalarnn üretimi mümkün olmutur. Aradmz 3 özellik vardr: Dayanm, süneklik ve fiyat. a. Dayanm bakmndan metaller, seramikler ve kompozitler seçilebilir. b. Ancak malzemenin krlgan olmasn istemediimizden seramik malzeme kullanamayz ve bu durumda 2 seçenek kalr.. c. Fiyat açsndan baktmz zaman ise kompozitlerin yüksek fiyatndan dolay metal tercih edilir. Hangi metal alamnn kullanlaca ise aadaki ekilde belirlenir: 1.3. Malzeme Seçimi Mühendislik uygulamalar için on binlerce malzeme içinden en uygun seçimin yaplmas gerekmektedir. Bu tür bir seçimde önce kullanlacak malzemenin hangi gruptan (metal, plastik, seramik v.s) olacana karar verilmeli, daha sonra bu gruba giren malzemeler arasnda en uygunu seçilmelidir. Bu seçim srasnda sistematik düünmek çok önemlidir. ÖRNEK -çinde 14 MPa basncnda gaz bulunacak bir gaz tüpünü için malzeme seçelim. Aran - MAL201 Ders Notlar 4

6 Ayn gaz tüpünü uçak-uzay sanayinde kullanmamz gerektii zaman aradmz özellikler dayanm, süneklik ve hafiflik olmaktadr. Dayanm ve süneklik bakmndan tercih edilebilecek malzemeler yine metaller ve kompozitler olmaktadr. Ancak bu kullanm yerinde hafiflik önemli olduu için tercihimiz daha hafif olan olan kompozitten yana olacaktr, çünkü metal seçilmesi halinde tüp daha ar olacaktr. Hangi kompozitin kullanlaca ise aadaki ekilde belirlenir: Aran - MAL201 Ders Notlar 5

7 2. Atomsal Ba Atomsal balarn oluumunda elektronlarn rolü büyüktür ve iki farkl tür ba oluabilir: Elektronlar aktarlr veya paylalr, bu ekilde atomlar aras çok güçlü balar oluur. (iyonik ve kovalent) Elektron aktarm veya paylam yoktur; atomlar veya moleküller arasnda zayf çekim kuvvetleri vardr (van der Waals) Elektronlarn kütleleri çok düük olmasna karn her biri bir protonun ters iaretli elektrik yüküne sahiptir ve bunlar çekirdek etrafnda belirli sabit yörüngelerde bulunurlar Ba Enerjisi ve Ba Türleri Ba enerjisi iki atomu birbirinden ayrmak için sarf edilmesi gereken enerjidir. Kuvvet yol erisinin altndaki alana eittir. Kuvvet erisi enerji erisinin türevidir. Kuvvetin sfra eit olduu atomlararas çekme ve itme kuvvetlerinin eit olduu denge konumudur ve ayn zamanda enerji erisinin minimum olduu konumdur Atomun Yaps Elektronlar bir çekirdek etrafnda yörüngelerde bulunurlar. Çekirdekte protonlar ve nötronlar vardr. Proton ve nötronlar 1.66x10-24 gr arlndadr. Bu arlk bir birim (gram-atom) olarak kabul edilir ve çekirdek kütleleri bu birimle ölçülür. Bir gram nötron veya protonda Avogadro says kadar tanecik vardr: x Çekirdekte bulunan proton says, o atoma ait atom numarasdr. Ayn sayda proton içeren, ancak nötron saylar farkl olan atomlar izotop olarak adlandrlr. Atomun kimyasal karakterini çekirdek yaps, atomsal ba karakterini ise elektronlar belirler. Komu atomlar arasndaki balar en d yörüngedeki (valans) elektronlarnn aktarlmas veya ortak kullanm ile gerçekleir, yani atomlarn balanmas aslnda elektronik bir olaydr. Bunun dnda elektron aktarm veya paylam olmayan (mesela dipol oluturan moleküllerin ters elektriksel yüklü uçlarnn birbirini çekimi) ikincil zayf balar da vardr. Aran - Mal 201 Ders Notlar 6

8 yonik Ba Bir atomdan dierine elektron aktarm ile oluur. 9yonik balar metallerle ametaller ve metallerle kökler arasnda oluan balardr. Metaller kimyasal olaylar srasnda elektron vermeye yatkn olduklarndan elektron vererek pozitif, ametaller ise elektron almaya yatkn olduklarndan elektron alarak negatif yük kazanrlar. Bu ekilde oluan (+) ve (-) yükler birbirini büyük bir kuvvetle çekerler. Bundan dolay iyonik balarda ba enerjisi çok yüksektir. Bu malzemeler kat halde elektrii iletmezler, ancak sv çözeltiler içinde bu iyonlar hareket edebildiklerinden bir elektrolit oluur. Atomlararas Kuvvetler Çekme ve itme kuvvetlerinin eit olduu atomlar aras uzaklk, denge konumudur. 9yonik baa sahip malzemeler, içinde (+) ve (-) atomlarn belirli bir düzen içerisinde yerletii bir kristal yap oluturabilirler. Örnein NaCl molekülünde, bir elektron klora aktarlr ve sodyum katyonu ile klor iyonu ortaya çkar. Bu iki ters yükün birbirini çekmesi ile ba oluur. Bu ba yöne bal deildir. Bu iyonlar birbirlerini her dorultudan çekebilirler.?ekilde bu iyonlarn 3 boyutlu olarak nasl istiflendii görülmektedir. Bu düzenleme max. sayda kar yüklü atomla komuluk salanacak ekilde olmaktadr. Burada her birine kar atomdan 6 adet komu (koordinasyon says) dümektedir. a o denge konumu her iki iyonun yarçaplarnn toplamna eittir. Burada iyonlar birbirine temas eden sert kürecikler olarak düünülmütür. Bu yarçaplar, atomun nötr veya iyon halinde bulunmasna göre deiebilir. Aran - Mal 201 Ders Notlar 7

9 Koordinasyon Says (KS) 9yonik ba yöne bal deildir. Örnein NaCl kristalinde, Na atomu 6 Cl atomu ile, Cl atomu da 6 Na atomu ile çevrilmitir. Bu durumda her iki iyon içinde koordinasyon says 6 dr, yani her birinin 6 yakn komusu vardr. 9yon balarnda koordinasyon saysn hesaplamak için küçük atom atomun çevresine sabilecek en fazla büyük atom says aranr. Bu say kar yüklü iyonlarn yarçaplar oranna r/r baldr. Kovalent Ba Kovalent (valans elektronlarn ortak kullanan) anlamna gelir. 9yonik badan farkl olarak yöne baldr. Atomlar kendi aralarnda ba olutururken elektron alveriinde bulunmayp elektronlarn ortaklaa kullanrlar. Aran - Mal 201 Ders Notlar 8

10 Çift çizgi iki çift ortak elektron olduunu gösterir. Etilende bu ba çifti ayr ayr tek ba olarak kullanlarak polietilen zincir molekülünü oluturulur. Metalsel Ba 9yonik ba elektron transferi içerir ve yönden bamszdr. Kovalent ba ise elektron paylam içerir ve yöne bamldr. Metalsel ise elektron paylam içeren yönden bamsz bir ba türüdür. Burada valans elektronlarnn konumu belirli deildir, çok sayda atom kristal kafes içinde valans elektronlarn ortak olarak kullanrlar (elektron bulutu veya gaz!) VanDerWaals veya kincil Balar Burada elektron aktarm veya paylam yoktur ve ters iaretli elektrik yüklerine sahip yap talarnn iyonsal baa benzer ekilde birbirini çekmesi söz konusudur. Ancak elektron aktarm olmadndan elektrik yük farklar her bir atom veya molekül birimi içindeki pozitif ve negatif yüklerin asimetrik dalm ile ilgilidir (dipol) ve iyonik bala karlatrldnda çok daha zayftr. Bu tip balar geçici veya kalc dipollü olmak üzere ikiye ayrlabilir. Örnein Argon gaz molekülünde kar atomun çekirdei tarafndan çekilen elektronlar nedeniyle geçici zayf bir dipol oluturur. Molekül yapsna bal olarak bu tür dipoller kalc da olabilir; bu durumda ba biraz daha güçlü olur. Buna en iyi örnek su molekülüdür. Kovalent bal zincirlerin oluturduu bir yaplarda (örnein polimerler), zincirler arasda da zayf ikincil balar vardr; dolaysyla bu malzemelerde düük dayanmlar ve düük erime scaklklar söz konusudur. Elektronlar hareket edebildiklerinden metaller elektrii iletebilirler. 9stiflenme geometrisi iyonik bada olduu gibi sk, koordinasyon says yüksektir, KS = Aran - Mal 201 Ders Notlar 9

11 3. Kristal Yaplar Malzemeler atomlarn bir araya gelmesi ile oluur. Yap içerisinde atomlar bir arada tutan kuvvete atomlar aras ba denir. Yap içerisindeki atomlar farkl düzenlerde bulunabilir: Kristal Yaplar Atomlar üç boyutlu bir düzene göre dizilirler. Kristal yap (kristal kafes) olarak adlandrlan bu yap türü metallerde, seramiklerde, seramik camlarda ve baz polimerlerde görülür. Polimerlerin molekül yaplar karmak olduundan, bu malzemelerde kristalleme, ancak yerel ve hacim olarak en çok %50 miktarnda olabilir. Kristal Olmayan Yaplar: Atom veya moleküllerin rasgele dizildii yaplar amorf olarak adlandrlr (örnein gazlar). Baz malzemelerde tüm yap için geçerli olmayan ksa mesafeli düzenler görülebilir, örnein baz camlarda. Kristallerde Birim Hücre: Üç boyutlu düzende sürekli olarak tekrar eden yapya birim hücre denir. Birim hücre kristal yapnn içerisinde tekrar eden yaplarn en basitidir. Birim hücrelerinin kenar uzunluklar kafes Parametreleri olarak adlandrlr. Kristal Kafes Sistemleri: Doadaki bütün kristal malzemeler 7 kristal sistemin birine uyarlar. 7 Kristal Sistemi Bu birim hücrelere atomlarn istiflenii bakndan da farkl seçenekler vardr. Örnein kübik kristal için: Birim Hücre 10

12 3.1. Miller "ndisleri Kristal yaplardaki deiik düzlem ve dorultular adlandrmak üzere Miller indisleri kullanlr. Kafes Noktalar Eksen takmnn balangc olarak herhangi bir atom alnabilir. Kafes noktalarnn konumlar, birim hücrenin kenar uzunluklar birim kabul ederek bunlarn katlar olarak verilir. Kafes Do%rultular: Paralel dorultular için tek bir indis kullanlr; bu dorultularn indisinin belirlenmesinde, bu dorultular arasndan eksen takm balangcndan çkan dorultu alnr ve üzerindeki kafes noktalarndan en küçük tam sayl koordinatlara sahip noktann koordinatlar köeli parantez ile gösterilerek indis oluturulur [111], [112] gibi. Gerekirse orantl olarak en küçük tam sayya çevrilir. Saylar köeli parantez içine virgülsüz olarak konur. Negatif konumlar, saylar üzerindeki (-) iareti ile gösterilir. Kafes içinde birçok dorultu kristallografik olarak edeerdir, örnein hacim diyagonalleri. Atom dizilii bakmndan ayn olan bu dorultular bir aile olarak kabul edilir ve açl parantez ile gösterilir. Kafes düzlemleri: Düzlem indisleri u ekilde saptanr: = Düzlemin eksen sisteminin balangcndan geçmesi durumunda en yakn paralel düzlem alnr. = Düzlemin koordinat eksenlerini kestii noktalar belirlenir. = Bu deerlerin tersi alnr, orantl en küçük tam saylar bulunur. = Bulunan saylar normal parantezde virgülsüz olarak ifade edilir. = Negatif saylar üzerinde (-) iareti ile gösterilir. 11

13 Örnekler Ayn özellie sahip, yani atom dizilii bakmndan ayn olan düzlemler düzlem ailesi olutururlar. Büyük parantez ile gösterilir. >ekilde görüldüü gibi {100} düzlem ailesine 6 farkl düzlem girer Birim hücrede bulunan atom says: Birim hücrede bulunan tam atom saysn ifade eder.(atom says/hücre). Koordinasyon says (KS): Her bir atoma en yakn komu atomlarn saysdr. Atomsal dolgu faktörü (ADF): Atomlarn kat küre olarak kabul edilerek saptanan, atomlarn toplam hacminin birim hücre hacmine orandr. (ADF=Atom hacmi / hücre hacmi). ADF malzemenin ne kadar sk istiflendiini gösterir. Do%rusal atom yo%unlu%u: Merkezleri söz konusu dorultu üzerinde bulunan atomlar dikkate alnarak, atomlarn dizilme sklklar bulunur (atom says / birim uzunluk). Düzlemsel atom yo%unlu%u: Merkezleri söz konusu düzlem üzerinde bulunan atomlar dikkate alnarak, atomlarn dizilme sklklar bulunur (atom says / birim alan). 12

14 YAPI KS ADF Basit kübik Hacim merkezli kübik Yüzey merkezli kübik Hekzagonal sk paket BAZI ÖRNEKLER G-Fe, W L-Fe, Al, Ti, Cu, ,Zn,Be, 3.2 Metallerin Kristal Yaplar Metallerde genellikle 3 tür kristal kafese rastlanr: hmk, ymk ve sdh Hacim Merkezli Kübik Yap (HMK) Küpün her köesinde birer atom ve merkezinde de bir atom bulunur. Köe atomlar merkez atoma temas ederler. Gerçekte her köedeki atom 8 komu birim hücre arasnda paylalmaktadr. Bu durumda köe atomlarnn toplam 8x1/8=1 dir. Küpün merkezinde bulunan bir atomla birlikte birim hücredeki toplam atom says 2 olur. Hacim merkezli kübik yapnn, koordinasyon says 8 dir. Atomun yarçapn R olarak alrsak ve birim hücrenin kenarn da a olarak alrsak a nn R cinsinden ifadesi a = 4R / tür. Atomlarn dizili skln ifade etmek için atomsal dolgu faktörü ADF kullanlr. Bu faktörü hesaplamak için atomlarn dolu küreler olduu varsaylr, sonra birim hücredeki atomlarn toplam hacmi birim hücre hacmine bölünür. Buna göre HMK nn atomsal dolgu faktörü; ADF=[(Atom Says/Hücre) x (Bir Atomun Hacmi)] / [Birim Hücrenin Hacmi] ADF=[2x4QR 3 /3] / a 3 = [2x4QR 3 /3] / [4R / ] 3 =0,68 Bu sonuca göre HMK kafese sahip bir yapda hacmin %68 i dolu %32 si botur. Cr, G-Fe, V, W, hacim merkezli kübik yapya sahip metallerden bazlardr. Yüzey Merkezli Kübik Yap (YMK) Yüzey merkezli kübik kafeste birim hücrenin köelerinde birer ve yüzeylerin merkezinde de birer atom vardr. Yüzey merkezlerindeki atomlarn yars göz önüne alnan birim hücreye, dier yars da komu birim hücreye aittir. Kafesteki atom says yüzeylerde 6x1/2=3 (6 yüzey 1/2 er atom ) köelerde 8x1/8=1 (8 köe 1/8 er atom ) olmak üzere toplamda 4 tür. Yüzey merkezindeki atomlar köedekilere temas eder. 13

15 Birim hücrenin bir kenar a, bir atomun yarçap da R olarak alnrsa a nn R cinsinden ifadesi a = 4R / dir. YMK nn atomsal dolgu faktörü 0,74 tür. ADF = [4x4QR 3 /3] / a 3 = 0,74 Bu dolgu faktörü ayn büyüklükteki atomlar için en yüksek deerdir. YMK yapda görünen hacmin %74 ü dolu, %26 s botur. Koordinasyon says ise 12 dir. 6-Fe, Cu, Al, Pb, Ag, Au, Ni, Pt malzemeleri bu tip kristal yapya sahiptirler. Sk Düzen Hegzagonal Yap (SDH) Sk düzen hegzagonal yap, HMK ve YMK yaplara göre daha karmaktr. Köelerde 4x1/12=1/3 ve 4x1/6=2/3 ve merkezde 1 atom olmak üzere birim kafeste toplamda 2 tane atom bulunur. Hegzagonal sk düzenin atomsal dolgu faktörü 0,74 tür (YMK ile ayn). YMK da en youn düzlem (111), SDH da (0002) ye tekabül eder. Aradaki fark sadece atom dizilii en sk olan düzlemlerin birbirini izleme srasndan ileri gelir. Hegzagonal kafeste AB olarak iki, yüzey merkezli kübik kafeste ise ABC olarak üç deiik tabaka birbirini izlemektedir. MX Formüllü Seramikler M, metal elementini X ise ametal elementi göstermektedir. CsCl Yaps: Basit kübik yapya sahiptirler. Birim hücre bana 1 iyonu ve 1 iyonu olmak üzere toplam 2 iyon bulunmaktadr. Her ne kadar CsCl bileik yaplara iyi bir örnek tekil etse de yaygn olarak kullanlan bir seramik deildir. NaCl Yaps: Birçok önemli seramik malzeme bu yapdadr. Her kafes noktasnda iki iyonlu (bir sodyum ve bir klor) bir YMK yapya söz konusudur. Klor iyonlar normal YMK kafes noktalarnda yerlemilerdir. Sodyum iyonlar ise küpün kenarlarnda ve küp merkezinde yerleirler. Be, Mg, G-Ti, Zn, Zr bu tip kafes yapsna sahip tipik metallerdir Seramiklerin Kristal Yaplar Seramikler, metallerden çok daha karmak kimyasal bileimlere ve kristal yaplara sahiptir. Seramik malzemelerde skça rastlanan kristal kafeslerine örnekler aada verilmitir: 14

16 Formüllü Seramikler, ve bu yapya sahip tipik metallerdir. Yaps: Silika veya mühendislikte yaygn olarak kullanlan bir malzemedir. Yeryüzünde ham madde olarak bolca mevcuttur. Karmak bir yüzey merkezli kübik yapdadr. 3.4 Polimerlerde Kristal Yaplar Metal ve seramiklerdeki atom ve iyonlarn düzenlenilerine göre polimerlerin yaplar çok daha karmaktr. Burada uzun zincir moleküller söz konusu olduundan, bu malzemelerin düzenli bir kristal yap oluturmalar çok zordur. Kristalleme ancak bu zincirlerin uygun düzenlenmeleri ile yerel olarak ve en yok yapnn %50 sinde oluabilir. Formüllü Seramikler Yaps: Yaklak olarak hegzagonal bir yapya sahiptir. Kafesin birim hücresinde 30 iyon bulunur. Formüle göre 12 iyon ve 18 iyon olarak ayrlr. Formüllü Seramikler Yaps: Basit kübik, yüzey merkezli kübik ve hacim merkezli kübik yapnn kombinasyonundan olumaktadr. Köelerde, yüzey merkezlerinde ve hacim merkezlerinde iyonlar bulunmaktadr. Her kafes noktasnda ve birim hücre bana 5 er iyon bulunmaktadr ( bir, bir ve üç ) X-I=n Difraksiyonu X nlar yardm ile, bir kristalde atom düzlemleri arasndaki etkileim ve malzemenin kafes parametreleri belirlenebilir. X- nlar difraksiyonu teknii ile ayn zamanda bilinmeyen malzemelerin tanmlanmas veya kafes yaplar belirlenebilir. X nlarnn rastlad her atomdan, ayn dalga boyunda fakat düük iddette ikincil dalgalar saçlr. Küresel olarak yaylan bu dalgalar, aralarndaki giriim sonucu belirli açlarda birbirlerini yok eder veya kuvvetlendirir. Söz konusu kuvvetlendirme yaynan dalgalar arasndaki faz farknn dalga boyunun tam katlar olmas halinde gerçekleir. Bu koul, T dalga boyu, d kafes düzlemleri uzakl ve U geli açs arasndaki Bragg yansma denklemi olarak 15

17 anlan nt = 2dsinU bantsnn salanmas durumunda gerçekleir. Burada n birinci, ikinci, üçüncü, vs. mertebeden difraksiyon dalgalarn tanmlar. U açs genellikle Bragg açs olarak tanmlanr. Buna karn 2U açs difraksiyon açs olarak tanmlanr. 16

18 4. Kristal Yap Kusurlar Kristal yaplar kusursuz deillerdir ve bu kusurlarn varl çou kez malzemelerin davrann belirleyici rol oynarlar Noktasal (0-boyutlu)Kusurlar Kat Çözelti (Kimyasal Kusur) Bir metale ait kafes içinde dier atomlarn varl bir kusur olarak düünülebilir. Bu durum kat çözeltilerin olutuu metal alamlarnda söz konusudur. Yer alan kat çözeltisi: Metal kafesindeki bir atomun yerini farkl bir atomun almasyla oluur. Örnek: Nikel metal kafesinin içinde bakr metalinin çözünmesi. Bu tip bir kat çözeltinin her oranda oluabilmesi (tam çözünürlük) için Hume- Rothery Kurallarnn salanmas gerekir: Kristal kafesler ayn olmaldr Atom yarçaplar arasndaki fark en çok %15 olmaldr Ayn sayda valans elektronlar bulunmaldr Benzer elektro-negatiflik (elektron çekme kabiliyeti) olmaldr Düzenli Kat Çözeltiler: Baz kat çözeltilerde düzenli istiflenme görülebilir (birim hacimdeki atomlarn karm oranlarnn sabit ve kafes içindeki yerlerinin belirli olmas). Örnek: AuCu 3 çözeltisi Metal d& kristal kafeslerde kat çözelti oluumunda (örnein seramiklerde) kat çözelti olumas için (özellikle iyonik bal kafeslerde) bir koul vardr ve çözeltiye yeni atomlarn girmesi durumunda da toplam elektriksel yükün nötr olmas gereklidir. Kafese giren atomun elektriksel yükünün dier atomdan yüksek olmas durumunda yapda boluklar oluabilir. Örnek: MnO kafesi içinde NiO ve Al 2 O 3 çözünmesi Ara yer kat çözeltisi: Metal kafesindeki boluklara farkl atomlarn yerlemesidir. Bunun için atom çaplar arasndaki farkn büyük olmas lazmdr. Örnek: Fe-kafesinde C atomlar 17

19 Bo&yer ve Arayer Kusurlar hareket hz artar. Hz arttkça denge mesafeleri büyür, snan metal genleir. Bo& yer kusuru: Atom olmas gereken yerde, atomun eksikliidir. Ara yer kusuru: Atom olmamas gereken yerde fazladan bir atomun bulunmasdr Frenkel ve Schottky Kusurlar Schottky Kusuru: Ters elektriksel yükte iki iyonun kristal kafesinde olmas beklenen yerde bulunmamasdr. Bu boluklarn çift olmasnn nedeni, elektrik yükündeki nötrlüün korunma gereidir. Frenkel Kusuru: Bir atomun yer deitirerek, bir bo yer ile fazladan bir ara bir yer atomunun oluturduu bir kusurun ortaya çkmasdr. Bir atomun kafes içindeki bir denge konumundan dier bir denge konumuna geçmesi için belirli bir eik enerjisine (q) sahip olmas gerekir. Aada verilen Maxwell-Boltzman Da5lm'na göre malzemenin scakln arttnda yüksek enerjili atom bulunma ihtimali, dolaysyla bu eik deerini aarak kusur oluma ans artar Noktasal Kusurlarn Isl Etkilerle Olu&umu Malzemenin scakl arttkça enerjisi ve atomlarnn denge konumlar etrafnda Örnein: P = Gazlarda ortalama enerjiden 8E kadar daha fazla enerjiye sahip bir moleküle rastlama olas u ekilde ifade edilebilir: 18

20 (Maxwell-Boltzman Dalm) Yani malzeme scakl arttkça atomlarnn hareket hzn ve yüksek enerjili atom bulunma ihtimalini, dolaysyla kusur oluma ansn artrm oluruz. Bir kusurun olumas için atomun gerekli eik enerjisini amas gerekir. Nokta kusurlar bu tür sl titreimler sonucu ortaya çkarlar. Nokta Kusurlar ve Kat Halde Yaynma: Kristal kafesleri içinde de yaynma (atomlarn yer deitirmeleri) söz konudur ve bunun için kafeste bo yer olmas önemlidir. Örnein, metallerdeki noktasal kusurlar malzeme içinde atom yaynmalarn kolaylatrr. Ayrca scakln yüksek olmas bu olayn hzn artrr ve atomlar sl titreimlerle bu hareketi salar. (daha tok) olmasn istenebilir (örnein dili çarklar). Bunun için parça karbon oran düük bir malzemeden üretilir ve daha sonra karbonlu bir ortamda yüzeye karbon yayndrlabilir. Scaklk ve süre kontrol edilerek, karbon atomlarnn dili yüzeyine istenilen miktar ve derinlikte yaynmasn salanabilir. Böylece dili çarkn d yüzeyin istenilen yüksek sertlikte, iç ksmlarnn ise daha tok olmas salanabilir. Yaynma (Fick) Kanunlar: Yaynmadan yararlanarak, kafes içinde farkl atomlarn hareketi salanabilir; örnein demir kafesinin içine karbon atomunun girmesi gerçekletirilir (demir+karbon=çelik). Mühendislikte baz parçalarn yüzeyinin sert (anmaya dayankl), iç ksmlarn ise az karbonlu Fick kanunlar difüzyon kurallarn verir. Bu denklemlerdeki difüzyon katsays sabit olmayp aadaki formüle göre scaklkla artar. D o, çözen ve çözünen atomlarn cinsine bal olan bir sabit bir deerdir. 19

21 Sonuç olarak noktasal kusurun fazla olmas durumunda ve yüksek scaklklarda yaynma hz daha yüksektir. Atomlarn kafes içindeki yaynma hzlar, tane snrlarnda, tane içinde ve yüzeyinde farkldr. Tane içinde yaynma hz en düüktür, çünkü atomlar en iyi orada istiflenmilerdir. Tane snrnda yaynma hz, tane içinden daha fazladr, çünkü tane snrndaki dar bir bölgede amorf yap söz konusudur. Tane yüzeyinde ise yaynma hz en büyüktür. Kenar Dislokasyonu 4.2. Çizgisel (1-boyutlu) Kusurlar Vida dislokasyonu Dislokasyonlar sadece çok ksa bölümlerinde saf kenar veya saf vida karakteri gösterirler. Genellikle bu ikisinin bileimi olan kar&k dislokasyon halindedirler Dislokasyonlar Dislokasyonlar kristal kafes içindeki çizgisel kusurlardr. Bki tür dislokasyon vardr: Kenar dislokasyonu; kafes içinde sona eren ek bir kafes düzleminin varl olarak düünülebilir. Vida dislokasyonu; Kafes düzlemi kendisine dik olan dislokasyon çizgisi etrafna spiral eklini alr. 20

22 Bir dislokasyonu Burgers Vektörü karakterize eder. Dislokasyon çizgisini kapsayacak ekilde bir atomdan balayp saat yönünde ayn admlarla önce yukar, sonra saa, daha sonra aa ve en son olarak sola doru hareket ederiz. Bititen balangca doru bir vektör çizdiimizde ortaya çkan vektör Burgers Vektörüdür. Bu vektör kenar dislokasyonunda dislokasyon çizgisine dik, vida dislokasyonunda ise dislokasyon çizgisine paraleldir. (yani tüm balarn ayn anda kopmas için) çok büyüktür. Oysa deneysel olarak bulunan degerler bu teorik kuvvetlerin çok altndadr. Bunun nedeni dislokasyonlarn adm adm ilerleyerek çok daha düük kuvvetlerle kalc ekil deiimini salamasdr. Kenar dislokasyonu için Burgers vektörü Dislokasyonlar ve Plastik =ekil De5i&imi Dolaysyla kristal yaplarda ekil deiimi için dislokasyonlarn varl çok önemlidir. Dislokasyonlarn hareketi ile bütün balar koparmamza gerek olmadan ile çok daha düük zorlamalar ile ekil deiimleri gerçekleir. Bu hareketi bir solucan ilerlemesine benzetebiliriz. Kristal kafeste kalc (plastik) ekil deiimi için kafesin bir bölümünün, komu atomlarla balarn koparp kayma düzlemi boyunca ötelenmesi gerekir. Bunun için hesaplanan teorik kuvvetler 21

23 Dislokasyon hareketi mekanizmas kristal yapya sahp malzemelerde kalc ekil deiiminin nasl olutuunu açklamaya yardm eder. Malzemeler içinde kusur olarak belirli miktarda dislokasyon bulunur. Ayrca etkiyen gerilmeler altnda yeni dislokasyonlar ortaya çkar. Dardan mekanik bir zorlama olursa malzeme ortaya çkan kayma gerilmeleri dislokasyonlar hareketlendirir ve ekil deiimi oluur. Dislokasyonlar özellikle metal kafeslerinde kolay ilerlerler. Çünkü kafes içindeki tüm atomlar elektronlarn ortak olarak kullandklar için, dislokasyon hareketi sonras kristalin elektrik yükleri bakmndan bir deiime uramas söz konusu deildir. Bir malzemenin kalc ekil deitirmesini zorlatrmak (akma dayanmn artrmak!) için alnmas gereken en etkin önlem, dislokasyon hareketinin güçletirilmeye çalmaktr. Dislokasyon hareketini zorlatran deiik engeller sözkonusudur: Tane snrlar dislokasyonu engeller. Tane snrlar arttkça (taneler küçüldükçe) dislokasyonlarn hareketi zorlar. Bu yüzden dislokasyonlar ince taneli malzemelerde kaba taneli malzemelere göre daha zor hareket ederler ve bu durum dayanm arttrr. Kafes içindeki yabanc atomlar kristal yapy çarplmasna ve dislokasyon hareketlerinin zorlamasna neden olur. Daha önce kalc ekil deiimine uram ve kafesi içinde çok youn dislokasyon bulunan malzemelerde ise dislokasyonlar birbirlerinin hareketini engeller. Kristal yapya sahip metal malzemelerde malzemelerin birçok mekanik davran dislokasyon hareketleri ile kolaylkla açklanabilir: So5uk &ekil vermede pekle&me Çok kristalli metallerde dislokasyon hareketleri çeitli engeller tarafndan ksmen önlenir. Gekil deiimi srasnda ilerleyen dislokasyonlar bu tür engellere gelince durmak zorunda kalr ve arkasndan gelenler ile birlikte bu bölgelerde bir dislokasyon ylmas oluturur. Artan zorlama ile birlikte yeni dislokasyonlar oluur, saylar gittikçe artan dislokasyonlar birbirilerini de engellemeye balarlar. Yani malzemeyi kalc ekil deitirmek için gereken gerilmenin sürekli arttrlmas gerekir. Malzemenin plastik ekil deiimine kar direnci giderek artar. Bu olay pekle&me olarak adlandrlr. Ala&mlama yoluyla dayanm art& Alamlama ile kafesin içine çok sayda arayer ve yeralan atomlarnn gireceinden. dislokasyon hareketi zorlar ve malzemenin akma dayanm artar. Dislokasyonun hareket etmek istedii yön Yüksek scaklklarda pekle&me olmamas Yüksek scakllarda atom hareketlilii ve yaynma artacandan, kalc ekil deitirme sonras bozulan ve çok sayda kusur içeren kristallerde atomlar yeniden düzenlenebilir (yeniden kristalleme) ve dislokasyon younluu düeceinden peklemenin etkisi ortadan kalkar. Kristal yaps karma&kla&tkça &ekil vermenin güçle&mesi Seramikler de kristal yapya sahip olmalarna ramen, seramiklerde dislokasyon hareketleri görülmez ve bu malzemelere kalc ekil vermek imkanszdr. Buna neden hem kafes yaplarnn karmak oluu, hem de düzlemlerin ötelenmesi ile örnein iyonik kristallerde elektrik yüklerinin dalmnda dengesizliklerin ortaya çkmasdr. 22

24 Kayma Sistemleri Kritik kayma gerilmesi bile&eni Dislokasyon hareketi kristal yap içinde kayma gerilmelerinin etkisi ile gerçekleir. Dislokasyonlar atom younluu en yüksek düzlemlerde ve bu düzlemler üzerindeki youn dorultularda kayarlar. Çünkü bu ekide atomlarn kayma için gerekli yer deiimleri azalacandan dolay kaymaya kar dirençleri küçülür ve hareket daha küçük gerilmelerle gerçekleir. Örnein yukarda (b) eklindeki kayma düzleminde dislokasyonlar en rahat ilerler. Kaymann meydana geldii düzleme kayma düzlemi; bu kayma düzlemi içinde kaymann meydana geldii dorultuya da kayma do5rultusu denir. Bu düzlem ve dorultularn meydana getirdii sisteme kayma sistemi denir. Kayma sistemi ne kadar çok olursa plastik ekil deiimi o kadar kolaylar. Dislokasyon hareketleri için kayma gerilmesinin etkimesi gereklidir. Tek eksenli zorlamalarda dahi (çekme, basma gibi) parça içindeki deiik kesit ve dorultularda kayma gerilmeleri oluur (I) ve bu deer yukardaki bant yardmyla hesaplanabilir. Görüldüü gibi en büyük kayma gerilmesi çekme dorultusu ile 45 aç yapan düzlemde ortaya çkmaktadr Düzlemsel (2 boyutlu) Kusurlar?kiz snrlar: Kafeste atom düzlemleri ikiz düzlemlerine göre simetrik olarak düzenlenebilirler. Bu kusur, HMK ve SDH yaplarda mekanik zorlama; YMK yaplarda ise yumuatma tavlamas (sl ilem) sonucu oluur. Bkiz snrlar dislokasyon kaymasn güçletirir ve metallerin akma dayanmn arttrr. 23

25 Malzeme Yüzeyleri: Kristal kafesinde malzemenin yüzeyleri de bir düzlemsel kusur olarak düünülebilir. Tane snrlar: Mühendislik malzemelerinin yaplar tek bir kristalden olumaz. Bu malzemelerde yaplar ayn olduu halde uzay içindeki konumlar birbirinden farkl olan kristal parçacklar (taneler) bulunur. Özel olarak üretilen tek kristaller dnda, normal malzemeler çok tanelidir. Bu nedenle tek kristalde özellikler yöne bal (anizotrop) olmasna karn, çok taneli (polikristal) malzemeler, tanelerinin çok sayda ve konumlarnn rasgele olmas nedeniyle izotrop olarak kabul edilebilirler. Tane snrlar; birbirinden ayran yüzeydir ve atomlarn düzgün yerlemedii dar bir alandr. Büyük açl tane snrlarnda, snr boyuncs atomlar her iki kristale de uyum salayamadndan rasgele dizilmilerdir ve çok dar bir alanda yap amorf olarak düünülebilir. Küçük açl tane snrlar, bitiik kafesler arasnda küçük bir yönlenme bozukluunun oluturduu bir dislokasyon srasdr. Kenar dislokasyonlar tarafndan oluturulan küçük açl tane snrlar eik snrlar, vida dislokasyonunun neden olduu snrlar ise burkulma snrlar olarak adlandrlrlar. 4.4 Kristal Yapda Olmayan Katlarda 2-boyutlu Kusurlar Atomlarn rasgele istiflendii yaplar amorf olarak adlandrlr, Baz malzemelerde ise kristal yap olmasa da baka bir ksa mesafe düzeni bulunabilir. 24

26 4.5. Elektron Mikroskoplar Elektron mikroskoplarnda elektronlarn parçack ve dalga etkileiminden yararlanlr ve elektron n bir cismin görüntüsünü oluturmak için kullanlabilir. Hzlandrlm elektronlar çok ksa dalga boyuna sahiptir, böylece çok daha ksa dalga boylar ile daha fazla büyütme oranlar ve daha iyi ayrma gücü elde edilmesi salanr. Standart bir elektron mikroskobunun ayrma gücü birkaç nanometre seviyesindedir. Elektron mikroskobunda nn geçtii bölge yüksek vakum altndadr ve n hava molekülleri tarafnda saptrlamaz. Elektron mikroskoplar iki çeittir. Transmisyon Elektron Mikroskobu Bu mikroskopta elektron n kalnl çok inceltilmi bir örnee yönlendirilir. Elektron n malzeme içinden geçer (transmisyon), projeksiyon mercekleri gerçek görüntüyü fotoraf gibi film üzerine düürür. Malzeme içindeki kusurlar nn yönünü etkileyeceinden bunlar belirlemek ve izlemek mümkün olur. Transmisyon electron mikroskobunda kullanlan örnekler çok ince olmaldr nm (100 atom kalnl) kadar ince örnekler özel yöntemlerle hazrlanabilir. Tarayc Elektron Mikroskobu Tarayc elektron mikroskobunda malzemenin inceltilmesine gerek yoktur ve elektron nlarnn malzemenin yüzeyinden yansmas incelenir. Elektron n incelenecek yüzeye odaklanr ve yüzeyini taramaya balar. Inn örnek yüzeyini taramaya balamasyla yüzeyden saçlan elektronlar, malzemeye göre pozitif voltajda tutulan anotta toplanr. Yüzeyde bulunan ve elektron n ile uyarlan atomlarn yayd dalga boyu karakteristik bir özelliidir ve her atomun dalga boyu farkldr. Bu özellikten faydalanarak saçlan dalga boylarn belirleyerek incelediimiz malzeme yüzeyindeki elementleri bulabiliriz. Tarayc elektron mikroskobu ile malzeme yüzeyinin topografik görüntüsü de incelenebilir ve mikroskobun ayrma gücü 10nm mertebesindedir. Tarayc elektron mikroskobu Transmisyon elektron mikroskobu Bir metalde krk yüzeyi 25

27 5. Mekanik Özellikler Malzemelerin uygulanan mekanik zorlamalara altndaki davran, mekanik özellikler olarak adlandrlr. Mekanik özellikler esas olarak atomlar aras ba kuvvetlerinden kaynaklanr, ancak bunun yannda malzemenin içyapsnn da büyük etkisi vardr ve iç yapsal deiiklikler yaplarak mekanik özellikler önemli oranda gelitirilebilir. Her malzeme için karakteristik bir gerilme ekil deitirme ilikisi vardr; bu eri genellikle çekme deneyi ile saptanr ve malzemenin mekanik davran ile özellikleri hakknda çok önemli bilgiler içerir Gerilme-ekil Deitirme Tanmlar Gerilme: Herhangi bir kesitte birim alana düen kuvvete gerilme denir. Kuvvet kesite dik ise ve boy deiimlerine yol açyorsa normal gerilme (), kuvvet kesit içinde ise ve aç deiimlerine neden oluyor ise kayma gerilmesinden ( ) söz edilir. Normal gerilmeler art iaretli ise çekme, eksi iaretli ise basma anlamna gelir. Bir parçaya uygulanan kuvvet ve momentler, incelenen kesitin durumuna göre hem normal, hem de kayma gerilmeleri oluturacaktr. ekil Deiimleri: D kuvvetler altnda malzemeler ekil deiimine urarlar. Kuvvetlerin kaldrlmas halinde balangç boy ve biçimine dönülürse, malzemenin urad ekil deiimi elastik, aksi halde plastik (kalc) olarak adlandrlr. Gerilme altndaki parçalarda boy ve aç deiimleri meydana gelir. -L boy deiimi ilk ölçü boyu L o deerine oranlanrsa birim uzama & olarak adlandrlan birimsiz bir büyüklük elde edilir. & = -L / L o Bu deer yüzde olarak verilirse yüzde uzama % 1 = (-L / L o )x100) olarak adlandrlr. 6ekil deiiminin uzama veya ksalma olmasna göre bu deer art veya eksi iaretli olabilir. Tek eksenli gerilme altndaki bir parça uzarken ayn zamanda gerilmeye dik dorultuda da daralr. oran Poisson oran olarak adlandrlr. Elastik ekil deiimindeki Poisson katsays metaller için yaklak olarak 0,3 civarndadr. Kayma gerilmeleri nedeniyle oluan açsal ekil deiimi ise boyutsuz bir büyüklük olan ; (radyan) ile verilir ve birim kayma ; olarak adn alr. Normal ve kayma gerilmeleri Aran MAL201 Ders Notlar 26

28 Elastiklik ve Kayma Modülü E: Elastik alanda gerilme ile birim uzama doru orantldr ve bu bölgede Hooke kanunu geçerlidir. Gerilme-birim uzama erisinde bu bölge görülen dorunun eimi elastiklik modülü olarak adlandrlr. Elastiklik modülü malzemenin yay katsays olarak düünülebilir ve birimi gerilme ile ayndr. E = -?/-1 (bak çekme erisi) Kayma gerilmesi ile elastik birim kayma arasndaki iliki ise G = -@/-; olarak verilir. Burada G kayma modülüdür. Yukarda anlan üç elastiklik büyüklüü (E, G ve v) birbirinden bamsz deillerdir ve aralarnda aada verilen bant vardr, yani ikisinin bilinmesi durumunda üçüncüsü hesaplanabilir. E = 2.(1+v) 5.2. Çekme Deneyi Çekme deneyinde malzemeye yava yava artan darbesiz çekme zorlamalar uygulanr. Uygulanan kuvvet, deney parças eksenindedir ve malzemenin kesitine üniform olarak dalr. Kuvvet parça kesitine dik olduu için normal gerilmeler söz konusudur. Deney srasnda uygulanan kuvvet F ve bu zorlama altnda gerçekleen uzama deerleri -L kaydedilir ve deney kopma oluana kadar sürdürülür. Gerilme deeri Birim uzama deeri de ilk ölçü boyuna oranlanarak birim uzama 1H (veya yüzde uzama) olarak hesaplanr. -L = L - L 0 [mm] Çekme deneyi, bir malzemenin dayanmn ve mekanik davranlarn belirlemek için yaplr ve malzeme deneyleri arasnda en önemlilerden biridir. Karlatrlabilir sonuçlar elde etmek için, çekme deneyleri standartlara uygun olarak yaplr. Türk Standartlarnda bu deneyin yapl ve deney parçasnn hazrlannn ayrntlar TS 138 EN standard ile belirlenmitir. Gerilme ve birim uzamann hesaplanmasnda deney balangcndaki kesit büyüklüü ve balangçtaki ölçü boyunun kullanlmas ile elde edilen bu deerlere mühendislik gerilmesi ve mühendislik birin uzamas ad verilir. Deney srasndaki kesit ve boy deiimlerini dikkate alarak hesaplama Aran MAL201 Ders Notlar 27

29 yaplrsa elde edilen deerler ise gerçek gerilme ve gerçek birim uzama olarak adlandrlr ve ilerde daha ayrntl olarak ele alnacaktr. Çekme makinesinde kaydedilen kuvvet uzama erisi ve yukardaki bantlar yardmyla mühendislik ekme erisi kolaylkla elde edilir,? = f(1). Erinin dorusal olan balangç ksmnda ekil deiimleri elastiktir. Akma gerilmesinin almas ile kalc ekil deiimleri balar. Akma baladktan sonra kuvvetin boaltlmas ile elastik ekil deiiminin geri döndüü ancak kalc birim uzamalarn kald görülür. Poisson Oran v Tek eksenli gerilme altnda bir parçaya gerilmeye dik dorultuda da ekil deitirmek zorundadr, oran Poisson oran olarak adlandrlr. Çekme erisi yardmyla malzemeye ait u özellikler belirlenebilir: Elastiklik E ve Kayma Modülü G (GPa) Hooke kanunu geçerli olduu bu bölgede gerilme ile birim uzama dorusal orantldr. Bu bölgedeki dorunun eimi elastiklik modülü olarak adlandrlr. E = -?/-1 Bu deer atomlar arasndaki ba kuvveti ve kafes yaps ile ilgilidir. Eri ne kadar dik olursa malzeme o kadar rijit, ne kadar yatk olursa o kadar esnek olur. Elastiklik Snr e Bu deer malzemede elastiklik bölgesinin sona erdii ve kalc ekil deiiminin balad gerilme deeridir. Bu deerin eri üzerinde tam olarak belirlenmesi güç olduundan bunun yerine karlatrma deeri olarak belirli bir kalc uzamann olutuu (mesela %0,2) gerilme deeri (akma dayanm) daha yaygn olarak kullanlr. Aran MAL201 Ders Notlar 28

30 Akma Dayanm Belirli bir miktar kalc uzamann olutuu (mesela %0,2) gerilme deeri akma dayanm 0,2 olarak kullanlr. Bu deer elastiklik snrndan çok daha kolay belirlenebilir. Baz özel durumlar için % 0,2 den farkl deerler kullanlabilir. Örnein yüksek scaklklarda ve plastik malzemelerde % 1 alnabilir. Akma dislokasyonlarn hareketiyle balar. Akma dayanm, malzemenin kalc ekil deitirmeden çklabilecek en üst gerilme snrdr. Baz malzemelerde (yumuak çeliklerde) akmann balad gerilme deeri açkca görülebilir (Belirgin Akma Dayanm). Burada alt ve üst akma snrlar söz konusudur. Bu malzemede üst akma snryla alt akma snr arasnda dalgalanmann nedeni, balangçta kafeste bulunan ara yer atomlarnn dislokasyon cephesindeki boluklara yerlemesi ve dislokasyonlarn ilk hareketini güçletirmesidir. Rlk hareket sonras bu engellerden kurtulan dislokasyon hareketlerinin rahatlamas ile bir süre akma daha kolay gerçekleir. 6ekil deiimi görmü bu malzeme akmadan sonra uzun süre bekletilirse, ara yer atomlar dislokasyonlar engelleyen konumlarna geri döner ve malzemede belirgin akma tekrar ortaya çkar. Kalc ekil Deiimi ve Pekleme: Akma snrndan sonra kalc ekil deiimi balar. Kalc ekil deiimi sürdükçe, ekil deiiminin devam etmesi için gerilmenin artrlmas gerektii görülmektedir. Bunun nedeni örnein metalsel malzemelerde artan dislokasyon younluu sonucu, dislokasyonlarn birbirini karlkl engellemesidir (pekleme). Kuvvetin kaldrlmas durumunda boalma, Hooke erisine paralel bir doru boyunca olur ve geriye kalc bir ekil deiimi kalr. Kuvvet yeniden artrlrsa ekil deiiminin boalma erisi boyunca ilerledii ve bir önceki yüklemede gerilmenin boaltld gerilme deerine kadar elastik olarak devam ettii ve bu noktadan sonra kalc ekil deiiminin devam ettii görülür. Yani kalc ekil deitirmi bir malzemenin akma dayanm pekleme sonucu artmaktadr. Çekme Dayanm ç Çekme deneyindeki en büyük kuvvetin F m balangç kesitine S o bölünmesi ile elde edilen maksimum gerilmedir. ç = F m / S 0 Aran MAL201 Ders Notlar 29

31 Maksimum deere ulatktan sonra kuvvetin dümesi, deney parçasnn belirli bir kesitten büzülmeye balamas nedeniyledir, kesitin daralmas nedeniyle ekil deiiminin devam için gereken kuvvet giderek düer ve sonuçta kopma oluur. Üniform Uzama Yüzdesi Deney parçasnda yerel büzülme balayana kadar (max. Kuvvet noktas) gerçekleen uzama miktardr. Buraya kadar uzama üniformdur, yani parçada boy uzar, kesit üniform olarak daralr, ancak biçim korunur. Uzamann üniform olmasn salayan, yani yerel büzülmenin deneyin en balangcnda balamasn engelleyen pekleme olaydr, yani ekil deitiren malzemenin dayanmn artmasdr. Bu sayede deney parçasnn herhangi bir kesiti dierlerinden daha fazla ekil deitirse bile, bu bölge derhal pekleir, dayanm artar ve ekil deitirme dier kesitlerde devam eder. Ancak ekil vermeye devam ettikçe peklemenin etkisi giderek azalr ve bir noktadan sonra bu dengeleme artk salanamaz, yani en zayf kesitteki ekil deiimi devam ederek ekil deiimi (büzülme) ve kopma bu bölgede younlar. Üniform uzama deeri önemli bir malzeme özellii olup, bir malzemeye çekme yoluyla yerel büzülme olmadan üniform olarak ekil verilebilecek üst snr belirler. Kopma Uzamas A ve Kopma Büzülmesi Z: Çekme dayanmna ulalmasndan sonra ekil deiimi devam eder ve sonunda kopma oluur. Kopma uzamas, deney numunesinde oluan toplam kalc ekil deiiminin (L u -L 0 ) balangç boyuna oran olarak verilir. Kopma büzülmesi ise kopma sonrasndaki en büyük kalc kesit deiiminin balangç kesitine So orandr. Kopma uzamas ve büzülmesi deerleri, malzemenin dayanm hesaplarnda çok önemli deildir, ancak malzemenin ekil deitirme kabiliyeti (süneklii) hakknda önemli bilgiler içerir. Rezilyans ve Tokluk: Malzemenin birim hacmi için harcanan ekil deitirme ii, çekme erisinin altndaki alan yardmyla hesaplanabilir. Elastik snra kadar harcanan i, bir malzeme içinde kalc ekil deiimi (akma) balamadan depolanabilecek maksimum elastik ekil deitirme enerjisini verir ve rezilyans olarak adlandrlr. Örnei yay malzemelerinde rezilyansn yüksek olmas arzu edilir. Aran MAL201 Ders Notlar 30

32 Malzemenin kopmasna kadar harcanan enerji ise erinin altnda kalan alann tümüdür ve tokluk olarak adlandrlr. Yüksek tokluk mühendislik malzemeleri için aranan çok önemli bir özelliktir. Süneklik / Tokluk Bir malzemenin kalc ekil deitirme kabiliyetine ise süneklik denir ve bu özellik için kopma uzamas ve kopma büzülmesi ölçüt olarak kullanlabilir. Tokluk için ise malzemenin kopmas için harcanmas gerekli enerji bir ölçüttür, süneklik yannda malzemenin dayanm da tokluk için belirleyicidir. Gevrek Sünek Krlma Kopma kesitinin görünümü de malzemenin ekil deiimi davran hakknda bilgiler içerir. Gevrek malzemeler fazla ekil deitirmeden kuvvete dik bir ayrlma krlmas ile koparlar. Sünek malzemelerde belirgin önemli bir yerel kalc ekil deiimi görülür. Gerçek Gerilme Birim uzama erisi Mühendislik gerilme ve birim ekil deitirme deerleri, deney srasnda kaydedilen kuvvet F ve uzamalarn AL balangç kesiti So ve ilk ölçü boyuna Lo bölünmesi ile hesaplanmtr, yani kesit ve boy deiimleri dikkate alnmamtr. Birçok uygulamada sadece küçük ekil deiimleri söz konusu olduundan çou kaz bu deerler ile çalmak yeterlidir. Ancak büyük ekil deiimlerinin söz konusu olduu (örnein ekil verme) gibi uygulamalarda, balangç kesiti yerine anlk gerçek kesit ve boy deerleri alnarak gerçek gerime ve birim uzama deerleri gereklidir. Her iki eri arasnda özellikle boyun vermenin olutuu noktadan sonra büyük fark vardr. Gerilme - birim uzama bants (çekme erisi) her malzemeye özgü bir karakteristik bir eridir ve malzemelerin mekanik davranlar ile ilgili çok yararl bilgiler içerir. Malzemenin türü ve durumuna bal olarak deiik eriler elde edilir; aada deiik malzeme ait çekme erisi örnekleri verilmitir. Ayrca aadaki tabloda önemli mühendislk malzemelerinin çekme deneyi ile saptanan özellikleri verilmektedir. Aran MAL201 Ders Notlar 31

33 Baz malzemelerin mekanik özellikleri Elastiklik Modülü (GPa) Akma Dayanm (MPa) Çekme Dayanm (MPa) Kopma Uzamas (%) Orta karbonlu çelik Alaml çelik Ostenitik paslanmaz çelik Martenzitik paslanmaz çelik Takm çelii Lamelli Dökme Demir Sfero Dökme Demir Aluminyum 3000 serisi Aluminyum 2000 serisi Magnezyum alam Pirinç Bronz Lehim alam Aran MAL201 Ders Notlar 32

34 5.3. Sertlik Sertlik, malzemelerin sert bir ucun batrlmasna gösterdii direnç olarak tanmlanabilir. Bu deneyde genellikle standart bir uç, sabit bir kuvvetle cisme bastrlr, bu batma ile oluan izin büyüklüü, bu malzemenin plastik (kalc) ekil deitirmeye direncinin bir ölçütü olarak deerlendirilir. Kuvvet uygulanarak uç batrma dnda: yüzeyi çizme, darbe ile uç batrma, parçaya vurulan cismin geriye sçramas gibi yöntemlerin kullanld sertlik deneyleri de vardr. Ölçülen sertlik deerleri sadece karlatrma saylardr, yani elde edilen deerler tasarmlarda dorudan kullanlamaz. Ancak bu deney, kolay yaplabildii ve sadece küçük bir iz brakarak malzemenin dayanm ve anma davran hakknda bilgi salad için özellikle kalite kontrolde yaygn olarak kullanlan bir yöntemdir. Brinell Sertlik Deneyi yumuak ve orta sertlikte malzemeler için kullanlr, örnein sertletirilmi çelikler için Brinell sertlii genellikle tercih edilmez. Rz yüzeyi alannn belirlenmesi için iz çapnn optik olarak ölçülmesi gerekir ve hassas bir ölçüm için malzeme yüzeyi deney öncesinde düzgün ve parlak olarak hazrlanmaldr. Vickers Deneyi: Bu yöntemde kullanlan uç tepe açs 136 o olan bir elmas kare piramittir. Oluan izin köegen ortalamalar alnarak yüzey belirlenir ve Vickers sertlii hesaplanr: Deiik sertlik yöntemleri arasndan malzemenin türü ve sertliine en uygun olannn seçilmesi önemlidir. Metal ve alamlar için kullanlan en yaygn sertlik yöntemleri unlardr: Brinell Deneyi: D çapnda bir çelik bilya, bu çapa uygun olarak seçilmi bir F kuvveti ile malzemenin yüzeyine bastrlr. Standart kuvvet ve bilya çaplar (1,25-10 mm) seçilerek malzemeye uygun deney koullar belirlenir. Ancak farkl bilya çap ve bastrma kuvveti ile yaplan deneylerde sonuçlar arasnda baz farklar görülebilir. Deney sonrasnda iz optik olarak ölçülür ve kuvvet oluan izin yüzey alanna bölünerek Brinell Sertlik Says elde edilir. Standart kare piramit bu uç ile farkl kuvvetler uygulanabilir ve yöntem deiik sertlikte ve kalnlkta malzemeler için kullanlabilir, yani kullanm alan genitir. Çok küçük kuvvetlerle ve mikroskop altnda çalarak malzeme içyapsndaki deiik bölgelerin sertliklerini belirlemek dahi mümkündür. Ancak Brinell deneyinde olduu gibi, iz alannn belirlenmesi için iz boyutunun optik olarak ölçülmesi zaman alr ve malzemenin yüzeyi düzgün ve parlak olarak hazrlanmaldr. Bu yöntemin üstünlüü, ölçülen sertliin deneyde uygulanan kuvvetten bamsz olmasdr. Ancak çok küçük yüklerde elastiklik pay artar, dolaysyla sertlik deeri biraz yüksek çkar. Aran MAL201 Ders Notlar 33

35 Rockwell DeneyF: Bu yöntemde dierlerinden farkl olarak iz yüzeyi deil, iz derinlii ölçülür. Dolaysyla batrlan ucun oluturduu izin kalc batma derinliini, hassas olarak ölçülerek sertlik deeri dorudan belirlenebilir. Rz üzerinde optik ölçümlerin yaplmas gerekmediinden deney daha ksa sürede yaplabilir. Deney srasnda ilk temas salamak ve varsa boluklar gidermek için bir ön yük F o uygulanr. Daha sonra ana yükün F 1 uygulanmas ve kaldrlmas ile kalc bir batma derinlii t b oluur ve bu derinlik ölçülerek malzemenin sertlii dorudan belirlenir. Farkl malzemeler ve sertlikler için kullanlmak üzere deiik Rockwell Sertlik skalalar tanmlanmtr. Batrlan uç elmas koni veya çelik bilya olabilmekte ve deiik batrma kuvvetleri uygulamaktadr. Bunlar arasnda en yaygn kullanlan yöntemler yukardaki tabloda verilmitir. Farkl yöntemlerle belirlenmi sertlik deerleri karlatrma amacyla birbirine dönütürülebilir ve bu amaçla kullanlan dönütürme tablolar vardr. Sertlik - Çekme Dayanm ilikisi Sertlik deeri malzemenin kalc ekil deitirmeye olan direncinin bir ölçütü olduundan, malzemenin akma dayanm ile ilgilidir. Çok basit ve çabuk yaplabilen bu deney yardmyla malzemenin dayanm deeri hakknda çok kaba bir fikir edinilebilir. Aran MAL201 Ders Notlar 34

36 5.4. Vurma (Çentik Darbe) Deneyi Malzemenin gevrek krlma eilimini belirlemek için yaplr. Mühendislik tasarmlarnda malzemelerin yeterli toklua sahip olmalar çok önemlidir. Bu deneyde üzerinde çentik açlm standart deney parças bir sarkaç çekiç yardmyla krlr ve çekicin salnma yükseklii kaybndan ( h > h ) krma için sarf edilen enerji saptanr. Bu ekilde belirlenen krma iinin saysal deeri tasarm hesaplamalarnda saysal bir deer olarak kullanlamaz, sadece malzeme davrannn bir göstergesi olarak deerlendirilir Krlma Mekanii Gevrek-Sünek Geçi Scakl Malzemenin gevrek krlma eilimi oram scaklklna baldr. Özellikle hacim merkezli kübik kafese sahip malzemeler (örnein ferritik ve martenzitik çelikler) keskin bir gevrek-sünek geçi scakl gösterirler; yani belirli bir scakln altnda malzemenin vurma ii çok düer, yani malzeme gevrek davranmaya balar. Bu scakln belirlenmesi için en uygun yöntem deiik scaklklarda vurma deneyi yaparak ekildeki eriyi belirlemektir. Malzemelerin gerilme altnda iki veya daha fazla parçaya ayrlmas krlma olarak adlandrlr. Krlma gevrek ve sünek karakterde olabilir; krlmann nasl olaca malzemeya bal olduu gibi uygulanan gerilmeye, scakla ve deformasyon hzna baldr. Gevrek krlmada kalc ekil deiimi önemsiz düzeylerdedir ve çatlan olumas ile büyümesi büyük bir hzla olur. Aniden ortaya çkan bu krlma türü çok tehlikelidir. Özellikle tokluu düük yüksek dayanml metaller, seramikler ve Aran MAL201 Ders Notlar 35

37 hatta baz plastikler gevrek davran gösterirler ve özellikle yapda çentik oluturabilecek süreksizliklerin (örnein çatlak, mikro gözenek, kalnt vb) bulunduu noktalardan gevrek olarak krlrlar. Gevrek krlmaya neden olabilecek en önemli faktörler unlardr: Bir çentiin varl, Darbeli zorlamalar, Düük scaklklar Malzemelerin krlma davranlarnn bilinmesi güvenli tasarmlar yapabilmek için çok önemlidir ve Krlma Mekanii olarak adlandrlan ayr bir bilim dal olarak ele alnmaktadr. Krlma Mekaniinin temelini Griffith in ideal bir gevrek cisim için ortaya koyduu kriter oluturmutur: Bir çatlan büyümesi ancak bu srada serbest kalan elastik enerjinin yeni bir yüzey yaratmak için gerekli yüzey enerjisine e$it veya daha fazla olmas halinde gerçekle$ebilir Bu kriterden yola çkarak gevrek krlma kritik olan büyüklüün Gerilme iddeti Çarpan K olduu gösterilmitir. K=[.?.. Burada [ boyutsuz geometrik deiken,? krlma noktasndaki gerilme ve a ise çatlak uzunluudur. K deerinin bir malzeme özellii olan Krlma Tokluu Kc deerini amas durumunda krlma oluur. Krlma mekanii esas alnarak yaplan tasarmlarda, parçann herhangi bir zorlama altnda ani ve gevrek krlmamas için K = H.. < K c art salanmaldr. Dolaysyla ani ve gevrek krlma olmamas için: Gerilme belirli ise çatlak boyunun kritik deerden küçük olmas veya Çatlak boyu belirli ise gerilmenin kritik gerilmeden daha küçük olmas gerekir. Malzemenin krlma tokluu K Ic deeri önemli bir özelliktir ve standartlarla belirlenen deneyler yardmyla belirlenir. (K Ic çatlan normal gerilmeler ile açlarak gevrek krlmaya zorland duruma I modu- ait Krlma tokluudur). Krlma tokluu deneylerinde deney parçasnda bir çentik açlr ve bu çentikte dinamik zorlamalar altnda keskin bir yorulma çatla oluturulur. Daha sonra deney parças çekmeye zorlanarak bu çatlan gevrek krlmas için gerekli gerilme deeri bulunarak malzemenin krlma tokluu hesaplanr Yorulma Bir parçaya etkiyen gerilmelerin, malzemenin akma dayanmnn altnda, yani elastik bölgede kalmas durumunda herhangi bir mekanik hasar beklenmez. Ancak bu zorlamalarn yönü ve iddeti dinamik olarak deiiyorsa bu durumda dahi hasar oluabilir ve krlmaya kadar gidebilen bu olay yorulma olarak adlandrlr. Dinamik zorlamalar altnda çalan tüm tasarmlarda malzemenin yorulma dayanm çok önemlidir ve uygulamada oluan hasarlarn çounluu yorulma krlmalardr. Yorulma hasarnn oluumunda iki farkl evre söz konusudur: Çatlak oluumu ve çatlak ilerlemesi. Çatlan balangc genellikle içyapda veya yüzeyde bulunan çok küçük bir kusurda (içyapda kalnt, yüzeyde çentik, çizik vs) gerilme ylmas olumas ve bunun sonucu akma Aran MAL201 Ders Notlar 36

38 dayanmnn yerel olarak almas ile ortaya çkar. Yerel kaymalarn bulunduu bu bölgede yön deitiren ekil deiimleri yüzeyde girinti ve çkntlara, bir süre sonra da bir mikroçatlak oluumuna neden olur. Bu mikroçatlak adm adm ilerleyerek bir makro çatlak oluturur ve bu çatlak yeterli büyüklüe ulatnda yorulma krlmasn ortaya çkar. Yorulma deneyleri sabit bir ortalama gerilme için farkl gerilme genlikleri alnarak yaplr ve yorulma krlmasnn görüldüü krlma çevrim saylar saptanr. Farkl genliklerde yaplan bu deney sonuçlar yardmyla seçilen ortalama gerilme için Wöhler erisi olarak adlandrlan eri çizilir. Wöhler erisinin belirlenmesi için çok sayda deney noktasna gerek duyulur; dolaysyla yorulma deneyleri uzun ve pahal deneylerdir. Bir yorulma krnn karakteristik yüzeyi, üstteki ekilde görülmektedir. Çatlan ilerledii bölgede yaylan dalgalara benzeyen çizgiler dikkati çekmektedir. Bu çizgiler, farkl çatlak ilerleme koullarna tekabül eden bölgeleri ayrr ve duraklama çizgileri olarak adlandrlr. Duraklama çizgileri yardmyla çatlan balad ve ilerledii bölgeler kolaylkla belirlenebilir. Wöhler erisi baz malzemeler için (örnein çeliklerde) bir asimtota yaklar, yani belirli bir gerilme genliinin altnda kalnd sürece yorulma hasar olumaz, yani malzeme sonsuz ömürlü olur. Metallerin ise birçounda bu asimtot görülmez (örnein alüminyum alamlarnda). Aran MAL201 Ders Notlar 37

39 5.7. Sürünme ve Gerilme Gevemesi Uygulanan gerilmeye bal olarak malzemeler önce elastik ekil deiimi gösterirler; eer zorlama deeri akma dayanmn geçmi ise malzeme plastik ekil deiimi gösterir. Malzemenin gösterdii bu ekil deiimleri zamann bir fonksiyonu deildir, yani gerilmenin uzun süre uygulanmas durumunda, ekil deiiminde zamanla bir artma görülmez. Buna karn ortam scakl yeterince yüksek ise, gerilme ve scaklk seviyelerine bal olarak, malzeme zamanla plastik ekil deiiminin devam ettii görülür, yani malzemenin boyu sürekli olarak artar. Bu olayn görüldüü yüksek scaklklar, genellikle malzemenin mutlak erime scaklnn (K olarak) yarsndan daha büyük olan scaklklardr Sabit bir gerilmenin yüksek scaklkta malzemeye etkimesi durumunda malzemenin zamana bal olarak kalc ekil deitirmesine sürünme (creep) ad verilir. Sürünme deneyi sabit scaklk ve sabit gerilme altnda yaplr ve birim uzamann zamanla art sürünme erisi olarak çizilir. Rlk yüklemede, gerilmenin etkisiyle 1 o kadar bir ön ekil deiimi görülür. Daha sonra, sabit altnda malzemenin boyu sürekli olarak artar. Eride 3 farkl bölge dikkati çekmektedir: Sürünme hznn zamanla azald birincil sürünme, Hzn yaklak sabit olduu ikincil bölge (en önemli bölgedir; sürünme hesaplamalar yaplrken bu bölge dikkate alnr). Bu bölgede sürünme hz 1= sabittir ve kararl sürünme hz olarak adlandrlr. Kararl sürünme hz; gerilmeye, scakla ve iç yapnn fonksiyonu olan bir malzeme özelliidir, Hzn zamanla artp krlma ile sonuçlanan üçüncü bölge. Sürünme ekil deiimi yaynmadan (difüzyondan) etkilenir. Dolaysyla, sürünme Arrhenius tipi bantyla scakln kuvvetli bir fonksiyondur. Q deeri (sürünme aktivasyon enerjisi) yüksek ve difüzyon katsays düük olan malzemeler, sürünme ile ekil deiimine, dier bir deile sürünme hasarna kar daha dayanmldrlar. Yani sürünme sl aktive bir olaydr, ve kararl sürünme hznn gerilme ve scaklk ile deiimi aadaki bant ile verilir: Aran MAL201 Ders Notlar 38

40 Mühendislik tasarm hesaplamalarnda kullanlmak üzere, bir malzemeye ait sürünme özellikleri deiik ekillerde verilebilir. Örnein: Sürünme Snr: belirli bir scaklk ve süre için malzemede belirli bir kalc uzamaya neden olan gerilme Sürünme Kopma Süresi: belirli bir scaklk ve süre için malzemenin kopmasna neden olan gerilme (aadaki ekil) Aran MAL201 Ders Notlar 39

41 6. Faz Diagramlar 6.1. Faz Kanunu Bir madde ba kuvvetleri etkisi altnda en düük enerjili denge konumunda bulunan atomlar grubundan oluur. Koullar deiirse enerji içerii deiir, denge bozulur, atomlar daha düük enerji gerektiren baka bir denge konumuna geçerek deiik biçimde dizilir ve sonuçta yeni bir faz oluur. Faz: çyapnn atomsal boyutlarn üzerinde kimyasal ve yapsal olarak homojen ve özellikleri birbirinden farkl olan bölümlerinden her birine faz ad verilir. Faz kavram sadece fiziksel durum (kat, sv veya gaz) ile eanlaml deildir. Örnein metal alamlarnda ayn anda birden fazla kat faz mevcut olabilir. Bileen: Bir alamn oluturan kimyasal elementlere o alamn bileenleri ad verilir. Faz içindeki bileenlerin deriiklii genellikle arlk yüzdesi olarak verilir. Saf metaller tek fazldr, içyaplar çok taneli olsa bile, taneler farkl olmadndan ayr faz saylmaz. Çeliklerde karakteristik bir içyap olan perlit ise, yukardaki ekilden görüldüü gibi ferrit ve sementit fazlarnn lamelli olarak düzenlenmesi ile oluur. Serbestlik Derecesi: Fazlarn says sabit kalmak kouluyla birbirinden bamsz olarak deitirilebilecek durum büyüklüklerinin saysdr. (Scaklk, basnç, bileim ) Gibbs Faz Kanunu: Dengede olan çok fazl bir sistem için aadaki gibi gösterilir: S = B F + 2 B: Bileen Says F: Faz Says S: Serbestlik derecesi Teknikte genelde atmosfer basncnda çalldndan, basncn sabit olmas durumunda Gibbs Faz Kanununda serbestlik derecesinin says 1 azalr (1 atm sabit basnçta) S = B F Faz Diyagramlar Fazlarn oluumunda ve dönüümünde ana etken enerji içeriidir, bu içerii deitiren üç ana etken scaklk, basnç ve bileimdir. Faz (Denge) Diyagramlar yardm ile belirli bir malzemede sisteminde scaklk ve bileime bal olarak oluacak fazlarn türleri, bileimleri ve miktarlar hatta iç yaplar da belirlenebilir. Tek bileenli, yani deriikliin sabit olduu saf su için faz diyagram aada verilmektedir, bu diyagramda scaklk ve basnca bal olarak fiziksel durum deiimleri görülmektedir. Benzer ekilde saf demire ait faz diyagram da verilmitir. Aran MAL201 Ders Notlar 40

42 Faz diyagramlar yardmyla bir maddeye ait faz durumlar, scaklk T, basnç p ve deriiklik c ye bal olarak belirlenebilir. Malzeme biliminde en yaygn olarak yararlanlan faz diagramlar, sabit atmosfer basnc için alamlara ait ikili faz diyagramlardr (B=2, p=st.). ki bileenli olan faz diyagramlarnda yatay eksende bileim (deriiklik), düey eksende ise scaklk bulunmaktadr. Bu diyagramlar, verilen her scaklk ve bileim için denge durumundaki fazlarn gösterirler. kili Diyagramlara Örnekler: a) Kat Durumda Tam Çözünürlük: Diyagramda görüldüü A ve B bileenleri sürekli olarak, yani her oranda tek fazl bir yap (SS kat çözeltisi)oluturmaktadrlar. Yani düük scaklklarda her iki atom ortak bir kafes içinde birbiri içinde her oranda çözünmektedirler (tam çözünürlük). Bunun dnda yüksek scaklklarda sv faz ve ayrca kat ile sv fazlarn birlikte bulunduu bir bölge vardr. Tam çözünürlük, alamlarda yaygn bir durum deildir. Tam çözünme durumuna verilebilecek bir örnek Bakr ve Nikel alamdr. Tam çözünürlük durumunun olumas için bileenlerin Hume - Rothery koullarna uygun olmas gerekir (bak. 4.1). Bu tür faz diyagramlar souma diyagramlar yardm ile elde edilirler. Birbirini içinde kat durumda tam olarak çözünen iki bileenli bir sistem olan Cu-Ni sisteminin faz diyagramnn elde edilii aada görülmektedir. Aran MAL201 Ders Notlar 41

43 b) Çözünmezlik Durumunda Ötektik Reaksiyon Faz diyagramlar yardmyla iki fazn birlikte bulunduu bölgede belirli bir scaklktaki fazlarn deriikliklerini bulmak mümkündür. Yukardaki diyagramda da gösterildii gibi, önce iki fazl bölgede liküdüs ve solidüs erilerini kesecek ekilde bir doru çizilir (ba çizgisi). Bu yatayn, erileri kestii noktalar yukarda da görüldüü gibi, fazlarn bu scaklktaki deriikliklerini verir (ba çizgisi kural). Aadaki diyagramda ise tam çözünürlük için belirli bir bileimdeki sistemin, svdan itibaren sourken içyapsnn oluumu incelenmitir. Atomlarn amorf düzende bulunduu sv faz soumaya baladnda sv içinde kristaller çekirdeklenmeye ve taneler olumaya balar (KÇ1). Soutulma ilemine devam edildiinde ve solidüs erisine ulald anda katlama tamamlanm ve taneli bir yap ortaya çkm olur. Yukardaki diyagram A ve B atomlarna ait kafeslerin dier atomu kendi kafesine almad (tam çözünmezlik) durumunu göstermektedir. Düük scaklklarda içyapda bu iki faz ayr ayr bulunmaktadr (A + B). Diyagrama adn veren ötektik nokta, souma srasnda sv fazn sabit scaklkta iki kat faza dönütüü noktadr. Bu noktann scaklna ötektik scaklk, bu bileimine de ötektik bileim denir. Her iki fazn bir arada olumas nedeniyle, ötektik içyaplar ince taneli içyaplardr ve fazlar sk istiflenmi olarak yan yana bulunurlar. Örnein bir fazn içinde dieri kürecik veya lamel eklinde dalabilir. Bu tür içyaplarn mekanik özellikleri iyidir. Malzemenin bileimi ötektik bileimden farkl ise, kristalleme sabit scaklkta deil belirli bir scaklk aralnda olur ve ötektik scakla inildiinde bir miktar sv mevcuttur. Artan bu sv ötektik bileim oranna sahip olacandan, iki ayr kat faza ayrlarak ötektik yapda katlar. Aran MAL201 Ders Notlar 42

44 c) Snrl Çözünürlük Durumunda Ötektik Reaksiyon Malzemelerde tam çözünmezlik durumuna deil, daha çok snrl çözünürlük durumuna rastlanr, yani her iki bileen belirli oranlarda dier elementi kafesi içinde çözebilir. Aada snrl çözünürlük için bir ötektik diyagramn için hali görülmektedir. Burada >-faz, A atomunca zengin olup içinde belirli bir miktar B atomu bulunan bir kat çözeltidir.?-faz ise, B atomunca zengin olup içinde belirli bir miktar A atomu çözmütür. Diyagramda görüldüü gibi ötektik bileimde ve sv fazdan soutularak elde edilen içyap, tam çözünmezlik durumundan farkl deildir. Ancak bu noktann sana ya da soluna gittiimizde sv içinde yukarda da anlatld gibi birincil kristallemeler olduu görülür. Baz bileimlerde ötektik reaksiyon görülmeyebilir ve oda scaklnda dorudan >-faznn bölgesine inildiinde tek fazl çok taneli bir kat çözelti sözkonusudur, ayn ey? faz için de geçerlidir. Sv ve katnn birlikte bulunduu bölgelerden geçerek ortaya çkan içyaplarda, birincil kristallerin dnda son kalan svnn katlamasda ötektik içyap da ortaya çkar. d) Ötektoid Reaksiyon Ötektik reaksiyona benzer ekildedir; burada bir kat çözelti sabit scaklkta iki farkl faza ayrmaktadr.(ötektikte sv faz, iki kat faza ayrr) Aran MAL201 Ders Notlar 43

45 e) Peritektik Reaksiyon Sabit bir scaklkta, biri sv olan iki faz reaksiyona girerek yeni bir kat faz oluturur. Fazlarn arlk oranlar. f) Peritektoid Reaksiyon Peritektoid reaksiyona benzer ekilde iki faz reaksiyona girerek yeni bir kat faz oluturur. (Peritektikte balangç fazlarndan biri svdr) g) Allotropi : Bileimi sabit kalan bir malzemenin scaklkla birlikte kafes yapsnn deimesine allotropi ad verilir. Aada görüldüü gibi saf demir, atmosfer basncnda scaklkla kafes yapsn deitirmektedir. Örnein yukardaki diyagramda verilen scaklk ve bileim (% 40 B) için ba çizgisi çizilirse, > ve? fazlar bulunmaktadr. Ba çizgisinin iki ucundan inilen düeyler bu fazlarn bileimlerini vermektedir (%20 ve 77). Bu fazlarn arlk yüzdeleri ise kaldraç kural ile kolaylkla hesaplanr (Kaldraç kuralna göre, Y noktasnda desteklenmi bir kaldracn dengede olabilmesi için X ve Z noktalarna aslmas gereken arlklarn hesapland düünülebilir). çyaplarn Oluumuna Örnekler (yava so-uma): Fazlarn a-rlk orannn hesaplan (Kaldraç Kural): Faz diyagramlar yardmyla herhangi bir bileim ve scaklk için elde edilebilen bilgiler unlardr: Hangi fazlarn bulunduu, Fazlarn bileimleri ve Aran MAL201 Ders Notlar 44

46 Aran MAL201 Ders Notlar 45

47 Baz Önemli kili Faz Diyagramlar: Fe Fe3C Sistemi Demir-Karbon alamlar mühendislikte yaygn olarak kullanlan çelikler ve dökme demir malzemelerin esasn oluturur. %2 nin altnda karbon içeren alamlar çelik, %2 nin üstünde karbon içeren malzemeler ise dökme demirlerdir. Çeliklerin iç yapsndaki karbon, teknikte geçerli souma hzlarnda ayr bir faz olarak deil, demir karbür (sementit) içinde bulunur. Bu nedenle yukardaki diyagram Fe-Fe 3 C olarak verilmitir. Aran MAL201 Ders Notlar 46

48 Pb Sn Sistemi (örne-in lehim malzemeleri) Bu diyagram yardmyla,bileiminde %1,1 C bulunan bir çeliin içyapsnn nasl saptanaca bir örnek olarak yukarda gösterilmektedir. Svdan katlaarak %100 ostenit (g) olarak oluan içyapdan, scaklk dütükçe (h) tane snrlarnda sementit ayrmaktadr, a eklinde tane snrlarnda ayran bu sementitin dnda içyapda ostenit bulunmaktadr. Ötektoid scakln hemen üstünde ötektoid bileime sahip olan ostenit, ötektoid dönüümün tamamlanmasndan sonra perlite (ferrit + sementitin lamelli karm) dönümektedir. Bu tür bir içyapnn mikroskop altnda gerçek görünümü aada verilmektedir. Cu- Zn Sistemi (örne-in pirinçler) Aran MAL201 Ders Notlar 47

49 7. Kinetik ve Isl lemler Faz diyagramlarnn bir dier ad denge diyagramlar dr ve herhangi bir scaklkta denge durumundaki içyaplar verir, yani söz konusu fazlarn olu"umu için gerekli yaynma sürelerinin var olduu kabul edilir. Dolaysyla soumann yava" gerçekle"tirildii ve scakln her an dengenin sürdürülebilecei yava"lkta dei"tirildii varsaylr. Pratikte ise bu durum farkl olabilir, souma hzl olabilir ve zaman çok önemli bir faktör haline gelebilir. Gerekli yaynma süresi var olmad için, faz dei"imi için ko"ullarn ayn olmasna ramen, soutma hznn farkl olduu durumlarda çok farkl yaplar ortaya çkabilir. Yani istenilen içyaplara ula"mak için scaklk yannda zaman da önemlidir. Bu amaçla faz diyagramlarna zaman boyutunun da eklendii ZSD (zaman scaklk dönü"üm) diyagramlar geli"tirilmi"tir. (/ngilizce TTT: time - temperature - transformation). Zaman- Üçüncü Boyut: scaklklarda faz dei"imi süreci daha uzun iken, belli bir scaklk aralnda bu dönü"üm çok hzl gerçekle"mektedir. Bu nedenle erinin ortasnda bir burun olu"maktadr. Bu erinin neden bu "ekilde olu"tuunu açklamak için baz temel kinetik kurallarn bilinmesi gerekir. Faz Dönüümü: Katla"mada Çekirdeklenme ve Büyüme A"amalar Sv içinde bir kat fazn olu"umunu örnek alalm. Önce svnn içinde kristal düzeninde kat faz olu"umu ba"lar (çekirdeklenme), daha sonra bu çekirdekler büyür ve tüm svy kaplar. Çekirdeklenme Hz: Örnein; yukardaki diyagramda T 1 scanda herhangi bir x noktasndaki fazlarn dönü"ümünün tamamlanmas için gerekli süre t 1 süresidir. Diyagram üzerinde her bir scaklkta gerekli dönü"üm için süreler açkça görülür ve her scaklk için faz dei"im süresi farkllk göstermektedir. Çok yüksek ve dü"ük Aran MAL201 Ders Notlar 48

50 Sv içinde kat faz çekirdeklerinin olu"masn etkileyen en önemli etken scaklktr. Scaklk, faz diyagram ile belirli olan likidüs scaklnn altna indiinde, atomlar kat faza ait kristali olu"turmak isterler ve bu katla"ma istei scaklk dü"tükçe artar. Yani scaklk dü"tükçe sv fazn dengesizli(inin katks ve birim zamanda olu"an çekirdek says artar. Öte yandan dü"ük scaklklarda çekirdeklerin olu"mas için gerekli olan atom hareketlilii (yaynma) dü"üktür, atom hareketlilii scaklk yükseldikçe artar, yani çekirdek olu"umu için gerekli olan yaynmann katks yüksek scaklkta daha fazladr. Bu iki etki yukarda grafik olarak gösterilmi"tir ve bunlarn toplanmas sonucu ortaya çkan net çekirdeklenme hznn belirli bir optimum scaklkta en yüksek olduu görülmektedir. Büyüme Hz Olu"an bu çekirdeklerin büyümesi için de atomlarn yaynmas gereklidir ve büyüme hz yüksek scaklklarda daha yüksektir. Bu "ekilde büyüyen çekirdekler taneleri olu"turarak tüm sv katla"r. Toplam dönü"üm hzn, çekirdeklenme ve büyüme hzlar belirler ZSD Yaynmal Dönüümler Belirli bir scaklkta faz diyagramnda görülen bir fazn olu"mas için belirli bir süreye ihtiyaç vardr. Ayrca dönü"ümün gerçekle"tii scaklk olu"an içyapy da belirleyici rol oynar ve farkl scaklklarda farkl içyaplar ortaya çkabilir. Ostenit Perlit (<-Fe Fe 3 C) ötektoid dönü"ümü buna bir örnektir. Otektoid bile"imdeki bir çelik için bu dönü"üme ait ZSD-diyagram a"ada verilmektedir C aras dönü"ümlerde kaba perlit, C aras ince perlit, 400C nin altnda ise beynit içyaplar olu"maktadr. 400 C nin altnda olu"an beynit, ferrit ve sementitin lamel olu"turamadan birlikte bulunduu ince taneli bir mikroyapdr. Katla"ma reaksiyonu için ZSD diyagram Ötektoid Çeliin ZSD-Diyagram Aran MAL201 Ders Notlar 49

51 Yava So(uma >> Kaba Perlit Yaynmasz Dönüümler (Martenzitik) Beynit: Ostenit ve sementitin en ince yaps Souma hz, faz dei"imi için mevcut süreleri belirler ve bu hz yüksek olursa denge fazlarnn olu"umu dahi gerçekle"emeyebilir Örnein çeliin ötektoid reaksiyonunda ostenit ve ferrite dönü"mektedir. Bu iki fazn kafesleri farkldr: ostenit yüzey merkezli kübik kristal yapya (ymk), ferrit ise hacim merkezli kübik yapya sahiptir. Faz dönü"ümü srasnda bu kristal yap dei"imi küçük ötelenmelerle gerçekle"tirilir. Örnein yüzey merkezli kübik birim hücrelerin arasnda hacim merkezli tetragonal bir birim hücrenin var olduunu dü"ünebiliriz. /"te bu tetragonal birim hücre boyca ksalarak hacim merkezli kübik kafese dönü"ür. Ancak kafeste karbonun arayer atomu olarak bulunmas durumunda, ymk kristal yapnn merkezine yerle"mi" olan karbon arayer atomu, hmk yapya dönü"ümde, hmk tetragonal yapnn bir kenarnda kalr ve eer ba"ka konumlara yaynacak zaman bulamaz ise, tetragonal kafesin kübik kafese dönü"mesini engeller ve birim hücrenin ksalarak tam kübik kristale ula"amasna engel olur. Yüksek soutma hzlarnda ortaya çkan, bu farkl faza martenzit denir. Martezitin iç gerilmeler içeren tetragonal bir kafesi vardr. Dislokasyon hareketlerinin engellendii gevrek, akma dayanm ve çekme dayanm çok yüksek bir fazdr. Ötektoidüstü Çeliin ZSD-Diyagram Aran MAL201 Ders Notlar 50

52 7.1. Çeliklerin Isl lemi Suverme ve Temperleme: Martenzit dayanm yüksek, ancak buna kar"n çok gevrek ve krlgan bir fazdr. Temperleme i"lemi ile, suverme sonras olu"an martenzitik içyapya sahip çelik daha az krlgan ve tok yaplabilir. Temperleme ötektoid dönü"üm scaklnn altnda uygulanan bir sl i"lemdir. Eekilde görüldüü gibi çelie önce ostenit scaklndan martezite dönü"ecek bir hzda suverilir. Daha sonra ötektoid scakln altnda bir scaklkta tutularak temperlenerek çelik içyapsndaki martenzit, ferrit faz içinde demir karbür parçacklarndan olu"an bir yapya dönü"türülerek yumu"atlr. Böylelikle gevrek martenzit daha tok hale getirilerek onun dayanmndan yararlanlr. Martemperleme: Suverme gibi hzl soutmalarda parçann farkl bölgeleri arasnda souma hz farkndan dolay scaklk farkllklar ve yüksek iç gerilmeler olu"ur ve bunlar çatlaklara neden olabilir. Örnein suvermede merkez ile yüzey arasndaki scaklk fark çok yüksektir. Yüzey daha dü"ük scaklkta olaca için daha fazla büzülmek ister, merkez ile büzülme farkndan dolay yüzeyde çekme gerilmeleri ortaya çkar. Sonuç olarak yüzeydeki içyap gevrek bir martenzit ise, suverme çatlaklar meydana gelebilir. Bunu önlemek için suverilen malzeme yukardaki grafikte görüldüü gibi martenzit dönü"üm scaklnn hemen üstünde bir süre bekletilir ve yüzey ve merkez scaklklarnn dengelenmesi salanr. Daha sonra yava" souma ile dahi gerçekle"en martenzit dönü"ümü srasnda çarplma ve çatlamalarn olu"mas söz konusu deildir. Ostemperleme: Karbon çeliklerinde beynit yaps elde etmek için yaplan bir sl i"lemdir. /"lem baz çeliklerde tokluk ve süneklii artrmak için, su verme ve temperleme yerine kullanlr. Çelik önce ostenit hale getirilir daha sonra martenzit dönü"üm scaklnn hemen üstündeki bir scaklkta sabit scaklkta tutulur (örnein erimi" tuz banyosunda), burada bekletilerek ostenit > beynit dönü"ümünün tamamlanmas beklenir. Daha sonra Aran MAL201 Ders Notlar 51

53 havada su verilir. Elde edilen son içyap beynittir. Ostemperlenmi" beynitik çelikte iyi dayanm özellikleri yannda yüksek tokluk da elde edilir. Sertleme kabiliyeti Jominy Deneyi: Çeliin sertle"me kabiliyeti, malzemede su verme sonrasnda meydana gelen sertliin derinliini ve dalmn belirten bir özelliktir. Sertle"me kabiliyeti Jominy deneyi ile belirlenir. Jominy deneyinde normalize edildikten sonra ostenit scaklna çkarlm" numunenin bir ucuna hzla su püskürtülür. Numune boyunca farkl souma hzlar ve farkl sertlikler olu"ur. Jominy Deneyi verilen uçtan uzaklkla (farkl souma hzlar) bal olarak sertlik deerleri ölçülür ve grafie ta"nr. De(iik çelikler için Jominy Deneyi Sonuçlar Yukardaki grafikte dei"ik çelikler için sertle"me kabiliyetleri veren Jominy erileri görülmektedir. Bu çeliklerin hepsinde karbon yüzdesi ayndr (%0,4); ancak örnein 4340 çeliinde su püskürtülen yüzeyden uzakla"tkça sertlikteki dü"me sadece 13 HRC iken, 8640 çeliinde ise bu fark 35 HRC dir ve 8640 çeliklerinin yüzey sertlikleri ayndr (53 HRC); fakat 4340 çelii, dü"ük souma hzlarnda dahi sertle"tirilebildii için 8640 çeliine göre sertle"me kabiliyeti daha iyidir. Yani sertlik deeri ile sertle"me kabiliyeti birbirinden tamamen farkl kavramlardr. Jominy Deneyi souma hznn dei"imi Jominy Deneyinde numune içindeki souma hz, su püskürtme ucundan uzakla bal olarak dei"ir. Deney sonrasnda numune yüzeyi ta"lanr, su 7.2. Çökelme Serlemesi (Yalandrma). Bu sl i"lemde dayanm yüksek olan bir ikinci faz, içyapda küçük parçacklar halinde çökeltilir. Çökelen parçacklar dislokasyon hareketlerine engel olarak malzemenin dayanm artrr. Çökelme sertle"mesinin uygulanabilmesi için, bir faz içinde ikinci faz olu"turacak ala"m elementinin çözünürlüünün scaklk dü"tükçe azalmas gerekir. Aran MAL201 Ders Notlar 52

54 Örnein yukarda verilen Cu-Al faz diyagramnda, aluminyumca zengin K kat çözeltisinde, scaklk 550 den a"a dü"erken, Cu çözünürlüünde bir azalma olmakta ve normal ko"ullarda bu souma srasnda tane snrlarnda N faz olu"maktadr. Ancak N fazn tane içlerinde ve daha ince olarak çökeltmek ve bu "ekilde dislokasyon hareketlerini engelleyerek dayanm art"lar salamak mümkündür. Bunun için a"adaki çökeltme (ya"landrma) sl i"lemi yaplabilir. Ar Yalanma: Çökeltme (ya"landrma) i"leminde tutma süresi ile sertliin dei"imi a"ada görülmektedir. Grafiin ba"lad nokta a"r doymu" kat çözeltiyi temsil eder daha sonra çökelmelerin ba"lamas ile sertlik (ve dayanm) artar. Maksimum sertlik için optimum bir ya"landrma süresinin olduu görülmektedir. Burada ala"mn içindeki çökeltiler en uygun boyutta ve en iyi dalmdadr. Malzemenin daha uzun süreler bu scaklkta tutulmas halinde sertliin azalmaya ba"lad görülmektedir, bu durumda ala"mn içindeki çökeltiler irile"ir ve çökeltilerin dayanm artrma etkisi giderek azalr. Çökelme sertle"mesi üç temel basama: Çözeltiye alma: Malzeme 550 C scakla çkarlp gerekli süre tutulur ve bakrn tümü çözündürülür. Su verme: Malzeme hzla oda scaklna soutulur, soutma ortam genellikle sudur. Yaynma imkan bulamad için kendi fazn olu"turamayan Cu atomlar, kat çözelti içinde a"r doymu" olarak kalr. Yalandrma: A"r doymu" bu yapya, uygun scaklk ve süreler sl i"lemi uygulanarak ve N faznn ince dalm" olarak çökelmesi salanr Yeniden Kristalleme: Aran MAL201 Ders Notlar 53

55 Souk "ekillendirme uygulanm" metallerde (örnein haddeleme i"lemi sonrasnda) malzeme içyapsnda büyük "ekil dei"imleri olu"ur: taneler deforme olur, dislokasyon younluu ve kafes kusurlar artar. Malzeme pekle"ir, dayanm artar, ve süneklii dü"er. Bu durumdaki bir malzeme, atomsal yaynmalarnn mümkün olduu yüksek scaklklarda tutulursa (tavlama), içyapda yeni düzenlemeler gerçekle"ir. Tavlama srasnda scakla bal olarak; Toparlanma veya Yeniden kristalle"me görülür. Toparlanma: Çok yüksek scaklklara çklmayan toparlanma srasnda dislokasyonlar ve dier kusurlar küçük ötelenmeler ile daha uygun konumlara hareket ederler. Sertlik az da olsa dü"er, süneklik biraz artar ve ancak en belirgin etki elektrik iletkenliinin artmasdr (kafes içinde elektronlarn hareketi kolayla"r). Yeniden Kristalleme(Rekristalizasyon): Ayn malzeme daha yüksek scaklklara çkarldnda, içyapnn tümüyle yenilenmesi, yani yeni ve gerilmesiz tanelerin çekirdeklenerek büyümesi ile malzemenin "ekil verme öncesi içyapsna kavu"mas mümkün olur. Yeniden kristalle"menin mümkün olabilmesi için: Malzemenin souk "ekil dei"tirmi" ve içyapsnn yüksek oranda kusur içermesi, Yaynmann kolaylkla mümkün olduu bir scaklkta yeterli süre tutulmas gereklidir. Yeniden kristalle"meye etki eden faktörler: Metalin daha önceki biçim dei"tirme miktar, scaklk, zaman, ba"langçtaki tane büyüklüü, ala"mn bile"imidir. Malzemenin önceden gördüü "ekil dei"tirme miktar arttkça yeniden kristalle"me için gerekli scaklk dü"er ve çok sayda noktadan çekirdeklenme ba"layaca için yeniden olu"an tanelerin boyutlar küçülür. Tavlama scaklnn art" ile malzemede souk "ekil verme sonras olu"an pekle"menin etkisi azalr. Sertliin hzla dü"tüü scaklklar, yeniden kristalle"menin olduu scaklklardr. Metallerin yeniden kristalle"me scakl, malzemenin erime scakl ile ilgilidir. Yeniden kristalle"me scakl, Kelvin olarak ifade edilen erime scaklnn 1/2si ile 1/3 ü arasndadr. Tane irilemesi: Kristalle"me i"lemi srasnda malzeme, gereinden daha yüksek scaklklarda ve gereinden daha uzun süreler tutulur ise tane irile"mesi meydana gelir. Tane irile"tikçe malzemenin dayanm dü"er. Aran MAL201 Ders Notlar 54

56 8. Metal ve Alamlar Metaller ve alamlar mühendislikte en yaygn olarak kullanlan malzemelerdir ve genellikle demir esasllar ile dierleri olmak üzere iki grupta ele alnrlar Demir Esasl Mühendislik Malzemeleri Kullanlan metalsel malzemelerin %90 demir esasldr. Demir esasl malzemeler karbon içeriine göre çelikler ve dökme demirler olmak üzere ikiye ayrlrlar: Çelikler % C 0,05-2 Dökme demirler % C 2-4, Çelikler Çelikler esas olarak Fe-C alamlardr. Ancak bileimlerinde sadece karbonun bulunmas durumunda (karbon çelikleri) bu çeliklerin baz özellikleri yetersiz kalr: Gevreklie yol açmadan 700 MPa üzerindeki dayanmlara sahip olamazlar, Sertleme kabiliyetleri düüktür, Korozyon dirençleri zayftr, Gevrek-sünek geçi scaklklar yüksektir. Bu nedenle çeliklerde karbon dnda Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, Al gibi deiik elementlerle alamlama yaplr: Alamlama ile çeliklerin kullanm özelliklerinin (Dayanm, Süneklik, Tokluk, Anma Dayanm, Sertleebilme Kabiliyeti, Tane Küçültme Etkisi, Korozyon Dayanm, Yüksek Scaklk Dayanm, Elektriksel, Manyetik Özellikler vs) ve imalat özelliklerinin (Souk >ekillendirilebilirlik, Scak >ekillendirilebilirlik, Talal?malata Elverililik, Dökülebilirlik, Kaynak Kabiliyeti, Nitrürlenebilirlik vs) gelitirilmesi mümkündür. Çelikler deiik standartlara göre snflandrlr ve kodlanr. Örnein AISI(ABD) normlarna göre snflandrma ve kodlama aadaki ekildedir. Snf Alam Elementleri Yaygn Örnekler 10XX C 1020, 1040, XX C,S (Otomat) XXX Ni XXX Ni + Cr XXX Mo + Cr + Ni 4140, XXX Cr XXX V XXX W XX Ni + Cr + Mo 8620, XX Si 9260 Çelik Türleri a. Yap Çelikleri: Profil, lama, çubuk, boru, vb.. Fe 37, Fe 42, Fe 50 (çekme dayanmna göre kodlama- Avrupa) USA 1010, 1020 vb. Yass ürünler Fe10 Siyah sac Fe12 DKP sac (Tufal alnm) Fe13 ve Fe14 Derin çekme kalitesinde sac Teneke, Galvaniz sac, Gemi saclar vb b. Islah Çelikleri Su verme / temperleme ilemleri ile özellikleri düzenlenebilir çeliklerdir. Basit karbonlu veya alaml türleri vardr. c. Sementasyon Çelikleri Yüzeye karbon yayndrlarak, iç ksmlar tok, yüzeyleri ise sertletirilmi parçalarn imalat için kullanlan çeliklerdir. Düük karbonlu veya düük alaml malzemelerdir. Aran-MAL201 Ders Notlar 55

57 d. Nitrürasyon Çelikleri Yüzeye azot yayndrarak yüzey sertlii salanan çelikledir. Orta karbonlu ve nitrür yapc element içeren malzemelerdir. e. Otomat Çelikleri Çok iyi talal imalat özellikleri vardr. Genelde kükürt ile alaml çeliklerdir. f. Paslanmaz Çelikler: Alam elementi olarak yüksek oranda Cr ve Ni içeriren pahal çeliklerdir. Paslanmaz çeliin bileiminde en az %12 Cr bulunmas halinde yüzeyde koruyucu bir oksit tabakas oluur. Deiik türleri vardr. Cr içeren ferritik paslanmaz çelikler görece olarak daha ucuzdur (410, 430). Ostenitikler ise Cr ve Ni içerir. Bu tür çeliklerin korozyon direnci daha iyidir ve daha kolay ekillendirilebilirler (304, 316). Suverilerek slah edilebilen martenzitik paslanmaz türleri de vardr. (420, 440) g. Yay Çelikleri Bu tür çelikler iyi sertleebilme kabiliyetine sahiptir. Genellikle orta karbonludur ve elastik snrlar yüksektir. h. Cvata Çelikleri Souk ekil vermeye (ovalamaya) uygun, basit karbonlu veya alaml çeliklerdir. i. Yüksek Scaklk (Boru-Kazan) çelikleri Yüksek scaklk kullanmlar için düünülmütür. Kaynak kabiliyeti iyidir ve yüksek iletme scaklklarnda grafitleme (sementitin grafit ve ferrite fazlarna dönümesi) eilimi düük çeliklerdir. j. Düük Scaklk Çelikleri Çok düük scaklklarda bile yüksek tokluklarn koruyan genellikle Mn veya Ni ile alamlandrlm çeliklerdir. k. Supap Çelikleri Yüksek scaklk dayanm ve erozyona dayanm yüksek çeliklerdir, motorlarda kullanlr. l. Takm Çelikleri: Deiik imalat yöntemlerinde takm malzemesi için düünülmü çeliklerdir. Scak 4 Çelikleri Scak ekillendirme ve döküm kalplarnda So5uk i çelikleri: souk ekillendirmede Kesme takm çelikleri: Talal imalat takmlar için kullanlr. m. Rulman Çelikleri Sertlik açsndan yüksek karbonlu, yorulma dayanm açsndan ise metallujik olarak temiz (kalntlar az) kalite çelikleridir. n. Elektrik Çelikleri Si oran yüksek çeliklerdir. Bu tür çeliklerde manyetik kayp azdr. Transformatörler ve elektrik motorlarnda kullanlr. o. Ostenitik Çelikler (manyetik de5il) Deformasyon sertlemesine çok duyarl malzemelerdir, oda scaklnda ostenit faz elde etmek için Mn ile alamlama yaplmtr. p. Yüksek Dayanml Düük Alaml Çelikler (HSLA Steels) Bu çeliklerde yüksek dayanm ve ekillendirilebilme kabiliyeti, mikro alamlama ile ekonomik olarak salanr (Ti, Nb, V gibi). Bu malzemelerde özellikler etkili bir alamlama ve kontrollü sl / mekanik ilemlerle gelitirilir. Bu mazemeler özellikle otomotiv sektöründe sac kaporta malzemesi olarak kullanlr. Yüksek dayanmlar hafif tasarmlara imkan salar, ayrca imalat kolaylndan dolay da tercih edilirler. r. Maraging Çelikleri: Çok yüksek çekme dayanmlarna sahip çeliklerdir( mpa). Ayrca yüksek scaklk dayanmnlar da yüksek Aran-MAL201 Ders Notlar 56

58 olduundan stratejik malzemelerdir.?ki ayr dayanm artrma mekanizmas birlikte vardr: martenzit dönüümü ve yalandrma. Günümüzde birçok stratejik uygulama için (örnein askeri amacl) gerekli çeliklerdir. s. Süperalamlar: 1000 C üzerindeki scaklklarda dahi yüksek dayanml ve kararl çeliklerdir. t. Dökme Çelikler: Çeliin dökülebilme kabiliyeti çok iyi deildir. Bu nedenle sadece plastik ekil verme (dövme gibi) yöntemleriyle imalatn zor olduu (çok büyük parçalar) ve dökme demirlerin dayanmnn yetersiz kald durumlarda kullanlrlar Dökme Demirler Dökülebilme özellikleri çok iyi olan Fe C- Si alamlardr. Dayanmlar çeliklere oranla düük ve gevrek malzemelerdir; buna ramen ekonomikleri ve baz imalat özellikleri nedeniyle yaygn olarak kullanlrlar. Dökme demirlerde sv fazdan souma yeterince yava olur ise, ve bileimde grafitin ayr bir faz olarak ayrmasn salayan elementler (Si gibi) bulunursa, içyapda grafit faz oluur. Hzl souma >> Sementit + Perlit (Yar Kararl) Yava souma >> Grafit + (Perlit veya Ferrit) (Kararl) Dökme Demir Türleri: Bileimdeki karbonun hangi faz içinde bulunduu ve bu fazn içyapdaki dalm geometrisine göre snflanan deiik dökme demir türleri vardr. Bunlarn kimyasal bileimleri arasnda önemli bir fark yoktur. a. Beyaz Dökme Demir Yüksek hzda souma neticesi tüm karbon içyapda sementit içinde bulunur, grafit faz yoktur. Beyaz dökme demirin bu ekilde adlandrlmasnn nedeni krlma yüzeyinin beyaz veya parlak kristalsi bir yapda olmasdr. Beyaz dökme demirler Aran-MAL201 Ders Notlar 57

59 yüksek sertlik ve krlganla sahiptir ve çounlukla mükemmel anma ve ypranma dirençleri için kullanlmaktadr. Ancak beyaz dökme demirlerin talal olarak ilenmesi imkanszdr. b. Lamel Grafitli (Kr) Dökme Demir içindedir. Temper dökme demiri elde etmek için beyaz dökme demirler yüksek scaklkta ve uzun süreli bir sl ileme tabi tutularak sementit içindeki karbonun küçük parçacklar halinde grafite ayrmas salanr. Ferritik ve perlitik tipleri vardr. Perlit oran ile dayanm artar. Grafitin lameller halinde bulunmamas ile dayanm ve toklukta önemli iyilemeler salanr. d. Küresel (Sfero) Dökme Demir Karbon içyapda lamel eklinde grafit faz içinde bulunur. Koullara bal olarak karbonun bir ksm perlit içinde de (sementit olarak) bulunabilir: Çok yava souma hz (Ferrit + Lamel grafitler), dayanm düük Daha hzl soutma ile (Perlit + Lamel Grafitler), Karbonun bir ksm sementit içinde olduundan dayanm göreceli olarak daha yüksek Gevrek ve çekme dayanmlar düük malzemelerdir. Ancak döküme çok uygun ekonomik malzemelerdir. Grafitin yalayc etkiye sahip olmas nedeniyle, snrl bir yalama gerçekleir vee anmaya dirençleri yüksektir. Talal imalat özellikleri çok iyidir. Grafit lamellerinin olumlu bir etkisi malzemeye titreim sönümleme özellii kazandrmasdr. c. Temper Dökme Demir Temper dökme demirin balangç malzemesi beyaz dökme demirdir. Beyaz dökme demirde karbon tümüyle sementit Ferritik ve Perlitik Sfero Demirler Küresel grafitli dökme demirler kr dökme demirin üretim üstünlükleriyle çeliin mühendislik üstünlüklerini birletirir. Bunu salayan grafit faznn küresel olarak bulunmasdr. Sv metale yaplan alamlama ile katlama srasnda grafitler küresel olarak olutuundan, temper dökme demirlere göre imalat süreci çok daha kolaydr. Küresel grafitli dökme demir iyi bir akkanla, mükemmel talal ilenebilirlie ve iyi anma direncine sahiptir. Ayrca bu tür dökme demirin yüksek dayanm tokluk süneklik scak ilenebilirlik ve sertleebilirlik gibi çelie benzer özellikleri de vardr. Kullanm özellikleri bakmndan en gelimi dökme demir türü olarak kabul edilirler. Aran-MAL201 Ders Notlar 58

60 Dökme Demir Türleri, Sembolleri ve Kullanm Yerleri DD Türü Beyaz DD Sert Kabuklu Kr DD Temper DD Sfero DD Kullanm Yerleri Ö5ütücüler, Temper Dökme Demir için balangç malzemesi Tekerlekler, zincir dilileri, Motor bloklar, kompresör silindirleri, tezgah gövdeleri, motor ve pompa gövdeleri,. Güç aktarma organlarna ait parçalar, direksiyon mafsallar, ba5lama elemanlar, fittingler Valf ve pompa gövdeleri, dili taslaklar, miller, krank milleri, yüksek dayanml otomotiv parçalar.. Elektrik ve s iletkenlii çok iyidir. Gevrek-sünek geçi scakl olmadndan dolay, aniden çok souk ortama girdiinde dahi gevreklemez. Oksidasyon ve korozyona dayankldr. Yüzeyinde koruyucu oksit tabakas bulunur, çizilse bile hemen tekrar oluur. Oksit tabakasnn bileimi ayarlanarak farkl renkler almas salanabilir. Sertlii ve anma dayanm düüktür. Yüksek scaklklarda özellikleri iyi deildir. Aluminyum alamlarnda deiik dayanm artrma yöntemleri seçilebilir, ancak en etkin dayanm artrma yöntemi, çökeltme sertlemesidir (yalandrma) Demird Metal ve Alamlar Baz metal alamlar ve bunlarn çelikler ile karlatrlmas (ba5l) Alüminyum alamlar dövme ve döküm alamlar olarak iki gruba ayrlr Aluminyum ve Alamlar Younluu 2,7g/cm 3 tür. Çelikten sonra kullanm alan en yaygn olan metalsel mühendislik malzemesidir ve hafiflii nedeniyle özellikle uçak uzay sanayinde tercih edilir. Elastiklik modülü 70GPa dr (Çelik 200 GPa); yani çelikten daha az rijittir ve ayn zorlama altnda çelie göre 3 misli daha çok esner. Özgül dayanm iyidir (birim arlk bana dayanm). Ayn yükü çelie göre daha hafif malzemeyle tar. Malzemelerin sl ilem durumlar temper gösterimleri ile ifade edilir. Aluminyum alamlarnn baz temper gösterimleri aadaki gibidir. Örnein: 2024 T6 (yapay yalandrlm bir Al-Cu alam) Aran-MAL201 Ders Notlar 59

61 Magnezyum ve Alamlar Younluu sadece 1,74 g/cm 3 dir. Hafifliin önemli olduu yerlerde kullanlr. Elastiklik Modülü düüktür (45 GPa) Yaygn kullanlan mühendislik malzemeleri arasndaki rijitlii en az olan malzemelerden biridir. SDH kafes yapsndan dolay, gevrek ve ekillendirilmesi güç bir malzemedir. Yüksek scaklklarda oksijenle hzla tepkimeye girer ve tutuur. Bu durum imalatta ve kullanmda sorunlar yaratr. Tuzlu sulu ortamlar dnda korozyona dayankldr Bakr ve Alamlar Younluu yüksektir, 8,9 g/cm3. Elektrik ve s iletkenlii mükemmel bir malzemedir Dier demird metallere göre sertlik, anma dayanm ve yorulma dayanm daha iyidir. YMK kafese sahip olduundan, kolay ekillendirilebilir. Dier birçok imalat yöntemli için de uygundur. Korozyon dayanm iyidir. Bileimine göre deiik renkler alabilir. Süs eyas ve madeni para imalinde kullanlr. Deiik yöntemlerle dayanm artrlabilir.(bak aadaki tablo). En yüksek dayanmlar yalandrlm Cu- Be alalarnda elde edilir. En Önemli Bakr Alamlar: Pirinçler Cu Zn Bronzlar Cu Sn (kalay bronzu), (Mn-, Al-, Si- bronzu) Di5erleri Berilyum ve Alamlar Younluu sadece 1,85 g/cm3 dir. Elastiklik Modülü 280 GPa (çelikten yüksek! ) Rijitlik ve hafifliin önemli olduu yerlerde kullanlr (örnein uzay sanayi konstruksiyonlarnda) Elektromanyetik geçirgen bir malzemedir. Çok pahal, toksik, ve reaktiftir. Nikel ve Alamlar Korozyon dayanm ve yüksek scaklk özellikleri iyidir. Nikel, ostenitik paslanmaz çeliklerin ana alam elementlerinden biridir. YMK kafese sahip olduundan kolay ekillendirilebilir Monel olarak adlandrlan Ni+Cu alamlar, korozyon dayanm çok yüksek malzemelerdir. Süperalamlarn ana alam elementlerinden biridir. Kobalt ve Alamlar Anmaya ve vucut svlarna dayankl bir malzeme olduundan, vücut protezlerinde tercih edilir. Aran-MAL201 Ders Notlar 60

62 Titanyum ve Alamlar Mekanik ve korozyon özellikleri iyidir. Younluk sadece 4,5 g/cm3 dir. Akma dayanm, yorulma dayanm bakmndan çelik ile karlatrlabilir ve daha hafif bir malzeme olduundan örnein uçak-uzay sanayinde tercih edilir. Kymetli Metaller Altn, gümü, platin Korozyon dayanmlar çok yüksektir. Altn elektrik sanayinde, platin ise otomotiv sanayinde egzos filtresi olarak kullanlr. Çinko ve Alamlar Erime scakl düüktür. Korozyona dayankldr Basnçl döküm yöntemine uygun bir malzemedir. Saçlarn galvanizlenerek korozyondan korunmasnda kullanlr. Kurun ve Alamlar Erime scakl düüktür, oda scaklnda yeniden kristalleir. Yüksek younlukludur ve n geçirgenlii düün olduu için radyasyondan korunmada kullanlr. Lehim alamlarnda ana alam elementlerindendir. Az miktarda antimon ile alamlandrlarak dayanm yükseltilebilir. Toksik olmas kullanm alanlarn snrlar Akü plakalar, imalinde kullanlr. Refrakter Metaller Molibden, Niyobyum, Renyum, Tantal, Volfram Çok yüksek scaklklarda özelliklerini kaybetmeyen malzemelerdir. Yüksek scaklklarda süper alamlardan daha dayankldrlar. Metalik malzemelerin pahal olduu veya kullanlamad yerlerde tercih edilir. Aran-MAL201 Ders Notlar 61

63 9. Polimerler Küçük molekül birimlerinin (mer) uzun zincirler halinde birleerek oluturduu zincir moleküllerinden (polimer), ikincil veya çapraz balarla birbirlerine balanarak oluturduu malzemelerdir. Mühendislik uygulamalar$ için daha yüksek s$cakl$klarda kullan$labilen türleri gelitirilmitir. Termosetler: Molekül zincirleri çapraz alarla balanm$ ve rijit 3 boyutlu bir yap$ ortaya ç$km$t$r. Merlerin birlemesi ile polimerlerin oluumu Çapraz balanma tamamland$ktan sonra malzeme rijitlik kazan$r ve bu ilem geri çevrilemez. Yüksek s$cakl$klarda yumuama ve erime olmaz, malzeme yanar. Geri kazan$lmas$ çok güçtür. Elastomerler: Az say$da çapraz bal$ zincirlerdir. Yap$ rijit deildir, 9.1. Polimer Türleri Polimerler termoplastikler, termosetler ve elastomerler olmak üzere üç ana gruba ayr$l$r. Termoplastikler: %kincil van der Waals balarla bal$, lineer polimer molekülleridir. Polimer zincirleri, uygulanan kuvvet ile birbiri üzerinde kaymazlar, ama çapraz balar kopmadan malzeme esneyebilir (lastik gibi). Yay gibi davranabilen moleküller, uygulanan kuvvet kald$r$ld$$nda çapraz balar sayesinde eski konumlar$n geri dönerler. VanderWaals balar$ yakla$k 100 o C da zay$flar ve malzeme yumuar. Kolayl$kla ekil verilebilir. Geri kazan$larak tekrar kullan$labilir Polimerizasyon Monomer birimlerinden balayarak polimer zincirlerinin elde edilmesine yol açan reaksiyonlara polimerizasyon denir. Aran MAL201 Ders Notlar 62

64 Polimerizasyon reaksiyonlar$ iki türlü olabilir: Ekleme Polimerizasyonu, Youma Polimerizasyonu (polikondenzasyon) Ekleme Polimerizasyonu: Bu tip polimerizasyonlarda molekülün çift ba$ aç$l$r ve herhangi bir yan ürün olumadan iki ayr$ ba ba$ oluturur. Etilen ve vinil-klorit karm Youma Polimerizasyonu (Polikondenzasyon): Burada ba oluumu reaksiyonu s$ras$nda polimer zincirine girmeyen bir molekül aç$a ç$kar. Bu genellikle H ² O, HCI ve CH ³ ÔH gibi basit bir moleküldür. Fenol-formaldehid in polikondenzasyonla oluumu (bir su molekülü aç$a ç$kar) Polietilende Ekleme polimerizasyonu (OH-serbest radikali) Kopolimerizasyon: Molekül zincirleri genellikle sadece tek bir tür mer içerir, ancak plastik teknolojisinin ilerlemesiyle 2 veya daha fazla mer eklenerek yap$lan polimerlerin daha üstün fizik özelliklere sahip olduu görülmütür. Bu ekildeki yap$lara kopolimer denir ve metallerdeki kat$ çözeltiye benzetilebilir. Polikondenzasyon sonucu ortaya ç$kan üç boyutlu a molekül yap$s$ Etilen / vinil-klorür kopolimeri Baz$ durumlarda ise, malzeme iki farkl$ zincir molekülün kar$$m$ndan oluur Polimerlerin Yapsal Özellikleri Polimerizasyon derecesi, n: -(C 2 H 4 )- n Polimerizasyon derecesi, zincirdeki mer say$s$ n ile ifade edilir. Molekül a$rl$$ veya uzunluu ile de verilebilir. Polimerizasyon derecesi molekül türüne ve Aran MAL201 Ders Notlar 63

65 polimerizasyon ekline bal$d$r. Polimerizasyon derecesi ne kadar büyük olursa zincirler o kadar zor hareket eder ve malzemenin yüksek s$cakl$k dayan$m$ ile rijitlii artar. Polimerizasyon derecesi dolayl$ olarak vizkozite veya $$k saç$lmas$ ile de ölçülebilir. Bir polimerde molekül uzunluklar$n$n da$l$m$ aa$daki ekildedir. Molekül zincirlerinin deiik yaplar: Deiik Atom Düzenleri: Dallanma: Ana zincir dallan$r. Dallanma sonucu moleküllerin birbirine kenetlenir ve hareketleri zorla$r (yüksek dayan$m ve rijitlik) Polimerizasyon derecesinin etkileri: Polimerizasyon artt$kça rijitlik ve akma dayan$m$ artar Molekül yap$s$ karma$klat$kça yüksek s$cakl$k dayan$m$ ve erime noktas$ yükselir Molekül yap$s$ karma$klat$kça kristalleme oran$ düer. Molekül zincirleri aras$ zay$f vanderwaals balar$ çapraz balar ile güçlendirilebilir. Çapraz Balanma: Komu zincirler çapraz ba görevi yapan bir molekül veya atom yard$m$yla balan$r. Böylece zincirlerin kayma hareketleri önlenir. Çapraz balanman$n olmas$ için zincirde polimerizasyon sonunda doymam$ C atomlar$n$n bulunmas$ gerekir ve balama bu noktalarda gerçekleir. Çapraz bal$ (vulkanize) lastik Aran MAL201 Ders Notlar 64

66 Polimerlerde Kristalleme: 9.4. Termoplast Polimerlerin Mekanik Davran Scakln yap ve özelliklere etkisi Polimer molekülleri k$smen kristal düzene sahip olabilir. Ancak malzemenin %100 kristallemesi mümkün deildir, kristallemi bölgeler amorf yap$ içinde da$l$r. Vizkoelastik 3ekil Deiimi Polimer Katklar Polimerlerin görünülerini, imalat özelliklerini ve kullan$m alanlar$n$ geniletmek için deiik katk$lar kullan$l$r. Yumuatc: Düük molekül a$rl$kl$ bir polimer ile kar$t$r$l$r. Dolgu: Zincir hareketliliini k$s$tlayarak dayan$m$ art$r$r. Boyut kararl$l$$ ve ekonomiklik salar. Takviyeler: Polyesterin cam lifler ile takviye edilmesi gibi... Stabilizatör: Zamanla özelliklerin olumsuz yönde deimesini (oksidasyon, $s$l, ultraviyole vs etkilerle) önler Ayr$ca alev geciktirici ve renklendiricilerden yararlan$l$r. Bir termoplastikte (%50 kristallemi) elastiklik modülünün s$cakl$kla deiimi (Tg geçi s$cakl$$, Tm erime s$cakl$$) Aran MAL201 Ders Notlar 65

67 Polimerlerde Çekme Erisi Termoplastiklerde kristalleme ile mekanik davran$lar$n$n deiimi Termosetlerlerde çapraz balar bulunduu için zincirler üç boyutlu bir rijit bir a oluturur; zincirler hareket edemez ve süneklik çok düüktür. Malzemenin rijitlii ve dayan$m$ yüksektir. Termoplastiklerde ise akma s$n$r$na kadar elastik ekil deiimi görülür, bu noktadan sonra molekül zincirlerinin birbiri üzerinde kaymas$ ile plastik ekil deiimi balar. Zincirler birbiri üzerinde kayar ve polimer zincirleri çekme dorultusunda düzenlenirler. Elastomerler kuvvet etkimesi ile aç$l$rlar ve az say$da çapraz ba eski konumlar$n$n kaybolmas$n$ önler, ve zorlaman$n kald$r$lmas$yla eski boylar$na geri dönerler. Elastomerlerin 3ekil Deiimi Artan çapraz balar$n rijitlie etkisi Elastomerler kopma olumadan %1000 e kadar uzama kapasitesine sahiptirler. Hekilde görüldüü gibi çekme gerilmeleri alt$nda molekül zincirleri aç$lmaktad$r ve gerilme kalkt$$nda çapraz balar sayesinde eski konumlar$na dönmektedirler. Elastomerlerde lastiksi bölge genitir Aran MAL201 Ders Notlar 66

68 artt$kça van der Waals balar$ zay$flamakta ve Elastiklik modülü dümekte, Çekme dayan$m$ dümekte, Süneklik artmaktad$r. Yaygn Kullanlan Polimerlere Örnekler Bir elastomerin gerilme-birim uzama erisi (dorusal olmayan elastiklik) Elastomerlerde zincir moleküller aç$ld$kça ve çekme dorultusunda düzenlendikçe, zincirlerin daha fazla aç$lmaya devam etmesi güçleir ve malzemenin rijitlii (elastiklik modülü) artar. Yani malzeme dorusal olmayan (Hooke kanununa uymayan) bir elastik davran$a sahiptir. Scakln Etkisi: Bir mühendislik termoplastiinin deiik s$cakl$klar için gerilme-birim uzama erilerinden görüldüü gibi, s$cakl$k Aran MAL201 Ders Notlar 67

69 10. Seramik ve Camlar Seramikler, bir veya birden fazla metalin, metal olmayan elementler ile birlemesi ile oluan inorganik malzemelerdir. Kullanm çok eski olan ve ortam etkilerine en dayankl malzeme grubudur. Günümüzde seramikler, çömlek, tu!la ve porselenleri içeren klasik seramik tanmna göre daha geni bir malzeme grubunu içermekte ve özelliklerinin gelitirilmesi için en aratrmaclarn çok yo!un çalt! bir malzeme grubunu oluturmaktadr. Seramiklerin karakteristik özellikleri: Genellikle bir metal ile ametalin bilei!idir; ba!lar tamamen iyoniktir veya iyonik ile kovalent kombinasyonu karakterindedir. Dislokasyon gibi her hangi bir kalc ekil de!itirme mekanizmas olmad! için sert ve çok gevrektir. Genellikle elektrik ve sl yaltkandr Saydam, yar-saydam veya opak olabilirler Camlar ise genellikle silikat esasl amorf malzemelerdir ve seramiklerin alt grubu olarak ele alnrlar. Bu bölümde incelenecek malzemeler u ekilde snflandrlabilir: Seramikler (kristal yapl) Camlar Cam seramikler 10.1 Seramikler Seramiklerde kendi aralarnda üç ayr grup altnda ele alnrlar. Silikatlar Silikat olmayan oksit seramikler Oksit olmayan seramikler Silikatlar: Do!ada bol miktarda bulunan silikatlar, seramik malzeme üretiminde yaygn olarak kullanlr. Beton, tu!la, kiremit, cam ve porselen gibi yap malzemelerinin temel bileenleri silikatlardr. Yer kabu!unda bulunan elementler Silikat olmayan oksit seramikler: Silikat seramiklerden daha pahaldr; nükleer yakt (uranyum oksit), elektronik ve manyetik seramikler olarak de!iik uygulama alanlar vardr. Oksit olmayan seramikler: Silisyum karbür (stma eleman, andrc), silisyum nitrür (kesme takm) bu gruba giren malzemelere örnek olarak gösterilebilir Camlar - Amorf Malzemeler Camlar da genellikle silikat esasldr ve silikat a! içine uyumlu di!er oksitlerin de katlmas ile elde edilir. Camlar amorf malzemelerdir ve belirli bir scakl!nn altnda rijit kat gibi davranrlar; bu halde ar so!utulmu sv olarak düünülebilirler. Silikat esasl camlar, Si ve O elementlerinin yerkabu!unda çokça Aran MAL201 Ders Notlar 68

70 bulunmas dolaysyla maliyet açsndan avantajldr. A! oluturan silikat içine eklenen di!er katyonlar, tetrahedral a! kesintiye u!ratrlar ise malzemenin erime scaklkl! düer; böylece cama biçim vermek kolaylar (Na 2 0 gibi). Baz oksitler ise (TiO 2, Al 2 O 3 ) silikann yerine geçer ve a!n bir parças olurlar. Bor Cam: Cam biçimlendirici olarak S=O 2 den baka Bor içeren oksit B 2 O 3 bulunur. Laboratuvar ve mutfak eyas Pencere Cam: %30 katk içerir Emaye: Metalleri korozyondan korumak amacyla kullanlrlar. (DERS KTABI) Silikat esasl olmayan camlar reaktif olduklarndan ticari önemleri daha azdr. Genellikle silikat camlara katk olarak kullanlrlar. Bazlar ise elektronik ve optik uygulamalarda kullanlrlar Cam - Seramikler Cam olarak biçimlendirilip, daha sonra kristalletirilerek seramik malzemeye dönütürülürler. Böylece hem camn kolay biçimlendirilebilme özelli!inden, hem de serami!in üstün kullanm özelliklerinden yararlanlr. Isl oka dayankl, genleme katsays düük hatta negatif olan (Li 2 O. Al 2 O. 3 SiO 2 gibi) gibi türleri vardr. Yaygn kullanlan camlar: Vitray silika: %100 e yakn SiO 2 içerir o C ye kadar dayanabilir. Örnek: Frn ve Pota camlar Mekanik Özellikler Seramik ve camlar gevrek malzemelerdir. Bu malzemelerde çatlak genellikle mevcut süreksizliklerden ve çekme gerilmelerinin etkisi ile balar. Dolaysyla bu gruba giren malzemelerin basma dayanmlar, çekme dayanmlarnn yaklak 10 katdr. Bu nedenle mühendislik tasarmlarda seramik ve camlar, genellikle basma zorlamalar altnda kullanlrlar. Aran MAL201 Ders Notlar 69

71 Çekme ve Basma Gerilmeleri Altnda Gevrek Krlma Seramik benzeri gevrek malzemelerde çekme deneyi yapmak güç oldu!undan, mekanik özellikleri saptamak için üç noktadan e+me deneyi yaplr. Isl Genlemenin Snrlanmas Nedeniyle Oluan Isl Cok Isl Yaynmann Snrl Olmas Nedeniyle Oluan Isl Cok 10.5 Isl.ok Seramiklerin yüksek scaklk kararllklar ve s yaltkanlklar yüksektir. Bu nedenle yüksek iletme scakl!nda çalan uygulamalarda: örne!in frn ve ocaklarda, uzay meki!inin atmosfere girite sürtünme nedeniyle ar snan d kaplamas gibi yerlerde kullanlrlar. Öte yandan çok gevrek olan bu malzemelerin s iletimleri düük, sl genlemeleri yüksek oldu!undan, Isl genlemenin engellendi!i durumlarda ve hzl so!uma srasnda oluabilecek scaklk farkllklar nedeniyle yüksek gerilmeler ortaya çkar ve sl ok hasar meydana gelir Camlarn Viskoz.ekil De+i1imi Kristal yapya sahip seramiklerde dislokasyon hareketleri veya vizkoz ak gibi mekanizmalar sözkonusu olmad!ndan, biçimlendirilebilmeleri çok güçtür. Ancak camlar amorftur ve vizkoz ak1 mekanizmas ekil de!iimini kolaylatrr. Amorf camlar düük scaklklarda ar so!umu svlar olarak düünülebilirler. Geçi scakl!nn (Tg) altnda rijit ve gevrek bir kat gibi davranrlar; geçi scakl!nn üstünde ise yumuak viskoz bir malzemeye dönüen cama kolaylkla ekil verilebilir. Erime scakl!nn üstünde ise cam, artk bir svdr. Aran MAL201 Ders Notlar 70

72 Camlara uygulanan i1lemler: Tavlama: Hzl so!uma srasnda scaklk dengesizliklerinden kaynaklanan iç gerilmeleri giderir.ekillendirme yumuama scakl!nn üstünde yaplr. Temperleme: Cam yüzeyinde basma iç gerilmeleri oluturarak, malzemeyi çatlak oluumuna kar duyarsz hale getiren bir sl ilemdir. Seramik ve camlarda scaklkla hacmin de!iimi izlenerek yapsal dönüümler belirlenebilir Viskozite (3): Kristal olmayan vizkoz bir malzemenin ekil de!iimine kar direnci vizkozite (E) olarak adlandrlr. Düük vizkoziteli malzemeler kolay akarlar. Camlarn viskozitesi scaklkla de!iir ve malzeme davranlarnn farkl oldu!u de!iik bölgeler ortaya çkar. Camlarda viskozitenin scaklkla de!iimi Temperlenmi cam imalinde scaklk ve gerilme profilleri Malzeme cams duruma geçi scakl!nn üzerine stlr; daha sonra yüzeyi hava akmnda veya ya! banyosunda hzla so!utulur. Parçann iç ve d ksmlar arasndaki scaklk farklar ortaya çkar. Daha so!uk olan d yüzey büzülmek ister, ancak hala scak olan scak iç ksm bunu engellemek ister ve sonuçta, d yüzeyde çekme, iç ksmda basma iç gerilmeleri oluur. Aran MAL201 Ders Notlar 71

73 So!umann bu ilk evrelerinde hala yumuak olan iç ksmda etkiyen basma gerilmeleri sonucu viskoz ak mekanizmas ile ekil de!iimi (ksalma) gerçekleir ve iki bölge arasndaki d ksmn önceden büzülmesinden kaynaklanan boy farklar dengelenir. So!uma devam etti!inde bu kez so!uyan iç bölgeler büzülmeye çalr, ancak bu oda scakl!na önceden so!umu ve kat durumda bulunan d yüzey buna engel olmaya çalr. Yani d ksm iç ksmn büzülmesini engellemek (onu eski boyunda tutmak) için iç ksma çekme gerilmeleri uygular; iç ksm ise büzülmeye çalrken d ksmnda kendisiyle birlikte boyunun ksalmasn sa!lamak için d ksma basma gerilemeleri uygular. Sonuçta d yüzeyde basma, iç yüzeyde ise çekme iç gerilmeleri oluur. Gevrek malzemelerde çatlak oluumu için çekme gerilmeleri daha etkin oldu!undan, yüzeyinde basma iç gerilmeleri bulunan bu malzeme krlmaya kar daha az duyarldr (Temperlenmi Cam) Optik Özellikler Baz malzemelerde optik özellikler (! yanstma, krma, yutma, geçirme gibi özellikler) mekanik özelliklerden daha önemlidir. Örne!in birçok optik uygulamada (pencere camlar, mercekler gibi) kullanlan camlar, bu gruba giren malzemelerdendir. Ik, bir ortamdan di!erine geçerken krlmaya ve yansmaya u!rar. I!n dütü!ü düzlemin normali ile gelen ve yansyan!n yapt! açlar eittir; ancak krlmayla oluan aç gelme açsndan krlma indisine ba!l olarak büyük veya küçük olabilir. Krlma indisi n, malzemeye özgü bir özelliktir; krlma indisi büyük olan malzeme,! normale yaklatrarak krar. Her malzemenin krlma indisi n = v vakum /v faz = sini i /sini r eklinde tanmlanr. Krlma indisi n- de!eri büyük olan malzemeler iyi yanstcdrlar. Örne!in cam emaye kaplamalarda yanstclk istenen bir özelliktir, lenslerde ise k kaybndan dolay istenmeyen bir özelliktir. Yansmay azaltmak için yüzey kaplamas kullanm Yansmay azaltan yüzey kaplamalar: Mikroskop merceklerinde ve gözlük camlarnda uygulanr. Örne!in ¼ K kalnl!nda bir kaplama yansmay azaltr. Kaplama malzemesinin krlma indisi, fazlarn indislerinin arasndadr, kaplamann üst ve alt yüzeyinden yansyan birincil ve ikincil yansma nlarn giriimi sonucu yansma yok edilmi olur. Sonuçta yansma azalr, ancak krlp geçen nn güçlendi!i söylenemez. Krlma ve Yansma Aran MAL201 Ders Notlar 72

74 Yüzey pürüzlülü!ünün yansmaya etkisi Yüzey pürüzünün yansmaya etkisi: Ortalama yüzey ile gerçek yüzeyin paralel olmamas pürüzlülük oluturur. Ortalama yüzey dndaki gerçek yansmalar sonucu oluan da!nk yansma, yüzey pürüzlülü!ü ile artar. Saydamlk, Yarsaydamlk ve Opaklk: Malzemeler k geçirgenliklerine göre saydam, yarsaydam ve saydam olmayan eklinde snflandrlabilir. Camlarda opaklk, saçlma mekanizmasyla açklanabilir. Yap içindeki gözenek veya taneciklerden dolay!n saçlmas gerçekleir. Bunlarn boyutunun görülebilir k dalga boyundan çok küçük olmas durumunda saçlmay etkilemezler. Dalga boyuna yakn tanecikler veya gözenekler saçlmay maksimuma yaklatrr. Saydaml! önleyen gözenekler ve tanecikler saçlma merkezleri olarak da adlandrlrlar. Bir gözenekte!n saçlmas Renk olu1umu: Bu durum belirli dalga boylarnn malzeme tarafndan emilmesi ile ilgilidir. Yansyan veya geçen farkl nlarn de!iik dalga boydaki karmlar gözümüz tarafndan alglanarak renk oluur. Beyaz k görünür spektrumdaki tüm dalga boylarndaki nlarn karmdr. Ancak krmz dalga boyunun çok emilmesi bir durum ortaya çkarsa, mavi k ön plana çkar ve maviye yakn bir renk alglamas olur. Cama uygun iyonlar katlarak, belirli dalga boylarnn emilmesi ve malzemede renk ayarlamas yaplmas mümkündür. Yarsaydam bir cam levhadan!n yansmas ve geçii %1 kobalt içeren camn emme e!risi Aran MAL201 Ders Notlar 73

75 11. Kompozitler Bilindi i gibi mühendislik malzemeleri genellikle metaller, seramikler ve polimerler olmak üzere üç ana grupta ele alnmaktadr. Bu gruplara ait malzemelerin en karakteristik özellikleri birbirinden çok farkldr. Yo unluk, dayanm, tokluk, sl kararllk gibi özellikler, malzemenin kullanm özellikleri; biçimlendirme, birle#tirme gibi özellikleri ise imalat özellikleridir. Baz malzemelerin imalat özellikleri, bazlarnn ise kullanm özellikleri iyidir. Örne in; metallerin tokluklar iyi, seramiklerin ise oldukça kötüdür. Polimerlerin biçimlendirilmesi sünek olduklarndan dolay kolay iken, dayanmlarnn dü#ük olmas dezavantaj olu#turur. Seramiklerin sl kararllklar iyidir, fakat biçimlendirme, birle#tirme gibi imalat özellikleri genelde kötüdür. Tüm özellikler dikkate alnd nda, metallerin özellikleri en uygunudur, dolaysyla (yanl# yapma ihtimali en az oldu u için) mühendisler uzun yllar malzeme seçiminde genellikle metalleri tercih etmi#lerdir. Bu üç gruba ek olarak birden çok malzemenin birle#tirilmesiyle olu#turulan kompozitler dördüncü malzeme grubu olarak de erlendirilmektedir.,ki veya daha fazla malzemenin uygun olan özelliklerini tek malzemede toplamak, veya yeni bir özellik ortaya çkarmak amacyla makro düzeyde birle#tirilmesi ile geli#tirilmi# malzemeler, kompozit (karma malzeme) olarak adlandrlr (örne in cam takviyeli plastik, beton, ah#ap vb.). Kompozitlerde Gelitirilen Özelliklere Baz Örnekler: Rijitlik,Dayanm: Polimer matrise elyaf takviye ile dayanm ve rijitlik artrlr. Krlma tokluu: Kerpiç, balçk içine saman lifleri katlarak yaplan ve asrlardr kullanlan bir yap malzemesi türüdür. Saman katlarak kerpiçin toklu u, yani parçalanmas için gereken enerjiyi artrlr. Elektrik iletkenlii: Enerji nakil hatlarnda elektrik tellerinin dayanmlarnn yüksek, iletkenli inin de iyi olmas gerekir. Bunun için d# bakr (alternatif akm yüzeyden iletilir), içi ise dayanm yüksek çelikten meydana gelen teller üretilebilir. Anma dayanm: A#nma dayanmn artrmak amacyla; malzeme yüzeyleri sert (a#nmayan) bir malzemeyle kaplanr. Korozyona dayanm: Malzeme yüzeyine ortam etkilerine daha dayankl bit tabaka kaplanr. Çökelme sertle#mesi uygulanm# aluminyum ala#mlarnn (örne in Al-Cu) korozyon dayanm dü#ük oldu u için, yüzeylerine saf aluminyum ( mikron kalnl nda) giydirilir Kompozit Türleri Kompozitler matris malzemesine göre Plastik Matrisli, Metal Matrisli ve Seramik Matrisli olarak snflanr. Matris; takviyeyi ta#yan esas malzemedir. Kompozitlerde matrisin görevi #unlardr: d# zorlamalar takviye malzemelerine aktarr, onlar darbelerden ve ortam etkisinden korur, baz durumlarda malzemenin toklu unu artrr (örne in, matrisin metal olmas tokluk sa lar). Polimer Matrisli Kompozitler Polimer Matrisli Kompozitlerde polimer matrise takviye taplarak rijitlik ve dayanm kazandrlr. Genel olarak matris olarak termosetler seçilir. Termoset sv halde kullanlarak, takviye yaplr ve matris içerisinde çapraz ba lar olu#turacak sertle#tirici katlr. Yani, üretimi kolaydr. Aran Mal201 Ders Notlar 74

76 Polyester Epoksi Fenolik Naylon66 Baz plastik matris malzemeleri Polikarbonat Polistiren TERMOSETLER Genel amaçl yaplar (genellikle dokuma elyaf takviyeli) Yüksek dayanm Yüksek scaklk uygulamalar TERMOPLAST*KLER Termoplastiklerin kullanm yaygn de ildir, ancak yüksek toklu un gerekti i durumlarda tercih edilir Kompozitler takviye türüne göre de snflanabilir: Takviye, matrisin özellikle mekanik özelliklerini geli#tirir. Elyaf Takviyeli Kompozitler Parçack Takviyeli Kompozitler Tabakal Kompozitler Elyaf Takviyeli Kompozitler (ETK) Metal Matrisli Kompozitler Metal matrisler dayanm daha yüksek malzemelerdir, tokluklar ve kullanm scaklklar daha yüksektir. Ancak erime scaklklar yüksek oldu undan, üretimleri daha güçtür. Bu nedenle takviye olarak her malzeme kullanlamaz. Seramik Matrisli Kompozitler Çok yüksek scaklklar için uygundur, dayanmlar yüksektir ancak gevrek malzemelerdir. Seramiklerde genellikle elyaf takviye katlarak tokluk artrlmaya çal#lr (kerpiç örne i). Bu tür kompozitlerde, matristen dayanm bakmndan önemli bir beklenti yoktur. Matris lifleri yerinde tutar, ortam etkilerinden korur ve kuvvetleri liflere iletir; kuvvet ise tümüyle elyaf tarafndan ta#nr. Dayanm ve rijitli i yüksek olan elyaf lifleri takviye olarak kullanlr. Kuvvet tümüyle elyaf tarafndan ta#nr. Sürekli veya süreksiz elyaf ile takviye yaplabilir. Bu malzemelere örnek olarak cam takviyeli plastikler (fiberglas) gösterilebilir. Aran Mal201 Ders Notlar 75

77 Takviye olarak kullanlan elyaf biçimleri (a) sürekli elyaf (Bu tip bir takviyede, liflere paralel do rultuda dayanm yüksek olur. Yani, özellikler kuvvetin yönüne ba mldr (anizotropik). (b) krplm# elyaf (örn. Keçe) (c) dokuma (örn. Kevlar) Cam, karbon, kevlar ve bor elyaf çe#itlerine baz örneklerdir.,stenilen kompozitin özelliklerine göre uygun bir elyaf seçilerek kompozit olu#turulur. Cam liflerin dayanmlar yüksektir, ancak elastiklik modulu ancak Al kadardr. Karbon, kristal ya da amorf yap içinde bulunabilir. Kristal #eklinde bulunmas yüksek rijitlik sa larken, amorf yapya dahip iken dayanm yükseltir. Kevlar, yo unlu u çok dü#ük, daha az rijit, fakat karbona göre daha ucuz bir takviye malzemesidir.,malat özellikleri iyi oldu undan, skça kullanlr. Bor; rijitli i yüksek bir takviye türü olup, metal matrise uygun bir malzemedir. (Örne in; aluminyum matrisli bir kompozit yaplacaksa, yüksek scaklklarda aluminyumu eritip içine takviyeyi koymak lazmdr. Bu nedenle matris için yüksek scaklklara dayanabilecek bir malzeme uygun olur. Bu tür kullanmlar için bor uygundur, ancak di er elyaf çe#itlerine öre çok daha pahaldr. Elyaf Takviyeli Kompozitlerin Baz Malzemeler ile Kar#la#trlmas Elyafn yönlendirilerek kullanlmas halinde özellikler yöne ba ml (anizotropik) olur. Baz Elyaf Türleri ve Özellikleri: Elyaf Yo unluk, g/cm3 Çekme Dayanm, MPa Elastiklik Modülü, GPa Cam 2, Karbon 1, Kevlar 1, Bor 2, Aran Mal201 Ders Notlar 76

78 MALZEME Yo unluk (g/cm 3 ) Çekme Day. (Mpa) Elast. Mod. (Gpa) Özgül Çekme Day. (Mpa) Özgül Elast. Mod. (Gpa) Ala#msz çelik 7, Aluminyum 2, Al ala#m , SiC(parç.)- Al KM 2, Ah#ap (kayn) 0, Kemik 1, Plastik Malzeme 1, ,5 Karbon-Epoksi KM 1, Kevlar-Epoksi KM 1, Cam-Epoksi KM 1, Parçack Takviyeli Kompozitler a. *ri Parçack Takviyeli: Yükü matris ve elyaf birlikte ta#rlar. Özellikler izotropik malzemelerdir. Örnekler: b. Küçük Parçack Takviyeli: Genellikle metal matrisli malzemelerde kullanlr. Kuvvetler matris tarafndan ta#nr. Parçacklar dislokasyon hareketlerini engelleyerek dayanm artrrlar. Özellikler izotropiktir. Tabakal Kompozitler Beton: çakl + kum + çimento.,ri ve küçük parçacklarn belirli bir hacmi doldurmas,stifleme geometrisi özellikleri belirler. Sermet: WC/Co, Sert wolfram karbür parçacklarnn, toklu u yüksek kobalt matris içinde bulundu u kesici uçlar. Sandviç Paneller:,ki yüzey tabakas arasna bal pete i #eklinde bir tabakann birle#tirilmesi ile meydana gelir. Bu tür kompozitler basmaya ve e meye dayankldr, ayrca hafif olmas da bir avantajdr. Aran Mal201 Ders Notlar 77

79 11.2. Elyaf Takviyeli Kompozitlerin (ETK) Mekanik Özellikleri: ETK malzemelerin özellikleri, homojen ve izotrop (örne in metaller gibi) malzemelerden çok farkldr. Bu malzemelerde, malzemeyi olu#turan bile#enlerin özellikleri (elyaf ve matrisin) ve bunlarn geometrik düzeni belirleyicidir. Elyaf ve matris özellikleri verildi inde malzemenin yeni mekanik özelliklerini inceleyen bilim dalna mikromekanik ad verilir. ETK larn özelliklerine etki eden faktörlerin ba#lcalar #unlardr: Bile#enlerin hacim oranlar, biçim ve büyüklükleri Bile#enlerin geometrik düzenleni#i Bile#enlerin özellikleri Bile#enler arasndaki arayüzeydeki ba larn özellikleri Sürekli Elyaf Takviyeli Kompozitlerde Elastik Modülün Bulunmas: Takviye Dorultusunda Yükleme Kuvvetleri gerilme ve alanlar cinsinden yazarsak bulunur. Burada e#itli i geçerlidir. Elyaf sürekli oldu undan hacim oranlar için v m = A m / A c v m + v e = 1 v e = A e / A c e#itlikleri geçerlidir. Dolaysyla yukardaki denklemi A c ye ve birim uzama de erine bölersek bulunur ve gerekli ksaltma düzenlemeler ile E c = v m.e m + v f.e f elde edilir. Yani bu kompozitin takviye do rultusundaki elastiklik modülü her bir bile#enin hacim oran ve elastiklik modülünün çarpmlarnn toplamdr. Bu tarz bir hesaplama KARIIMLAR KURALINDA PARALEL TOPLAMA olarak adlandrlr. Sürekli elyaflar tek yönde düzenlenmi# bir karma malzemeye takviye do rultusunda kuvvet uyguland nda elyaf (f), matris (m) ve kompozit (c) ayn miktarda uzayaca ndan: yazlabilir (e uzama durumu). Kompozitin ta#d kuvvet ise, elyaf ve matrisin ta#d kuvvetlerin toplamdr. Aran Mal201 Ders Notlar 75

80 Burada dikkat edilmesi gereken, bulunan E de eri malzemenin takviye do rultusundaki elastiklik modülü oldu udur. Bu denklemin geçerli olmas için: takviye sürekli olmal ve elyaf matris ba tam olmaldr. Bu denklemin herhangi bir di er kompozit özelli i için genel ifadesi a#a daki #ekildedir: E c = F v i.ö i Burada v i, i bile#eninin hacim oran, Ö i ise i bile#eninin özelli idir. Örne in kompozitler için yo unluk da bu #ekilde hesaplanabilir. Takviye Dorultusuna Dik Yükleme Sürekli elyaflar tek yönde düzenlenmi# bir karma malzemeye takviye do rultusuna dik kuvvet uyguland nda elyaf (f), matris (m) ve kompozit (c) ayn gerilmeler altnda kalaca ndan Bu durumda malzemenin uzamas Gh c = Gh m + Gh f olur. Öte yandan Gh c = H c. h c, Gh m = H m. h m, Gh f = H f. h f oldu undan H c. h c = H m. h c. v m + H f. h c. v f I c /E c = I m /E m. v m + I f /E f. v f ve gerilmeler e#it oldu undan a#a daki denklem elde edilir. yani kompozitin takviyeye dik elastiklik modülü her bir bile#enin hacim oran ile elastiklik modülünün bölümlerinin toplamdr. Bu tarz bir hesaplama KARIIMLAR KURALINDA SER TOPLAMA olarak adlandrlr. A#a da e# uzama ve e# gerilme durumlar için de i#ik hacim oranlarnda kompozitin elastiklik modülünün de i#imi gösterilmektedir., E# uzama durumunda elyaflarn elastiklik modülüne katks e# gerilme durumundakinden daha ciddidir. yazlabilir (e gerilme durumu). Kompozitin uzamas ise elyaf ve matrisin uzamalarnn toplamdr.,#lem yaparken kolaylk sa lamas açsndan toplam lif alanna sahip tek bir lif varm# gibi dü#ünülebilir Bu denklemin herhangi bir di er kompozit özelli i için genel ifadesi a#a daki #ekildedir: E c = < (v i /Ö i ) Burada v i : i bile#eninin hacim oran, Ö i ise i bile#eninin özelli idir. Aran Mal201 Ders Notlar 76

81 Taneleri Üniform Dalm Parçackl Bir Kompozit Takviye-Matris Arayüzeyinin Dayanm: Bir kompozitte hasar olu#umu a#a daki biçimlerde olur: 1) Matris takviye araba güçlü ise krlma birlikte olur, malzeme rijit ve gevrektir. rlr 2) Ara yüzey ba zayf ise matris krlr, tam hasar olu#umu için liflerin matristen çekilmesi gerekir. Malzemenin tok olmas için liflerin matrise çok sk ba l olmamas gerekir, bu durumda liflerin çekilmesi için sürtünmeye kar# enerji harcanacaktr. Bu tür malzemelerin elastiklik modülü hesaplanrken e# uzama ve e# gerilmede kullanlan e#itliklerin genelle#tirilmi# hali kullanlr E k n = v m x E m n + v e x E e n Denklemdeki n de eri, e# uzama durumu için +1, e# gerilme durumu için - 1 dir.yüksek elastik modüllü parçack ve dü#ük elastik modüllü matris oldu unda n=0,elastik modülü dü#ük parçack ve elastik modülü yüksek olan matrisler için n=½ alnr. Aslnda bunlar bize kesin sonuç vermemekle beraber malzeme hakknda fikir sahibi olmamz sa lar. Aran Mal201 Ders Notlar 77

82 BAZI KARAILAATIRMALAR: Kompozit malzemelerin özgül dayanmlarnn klasik malzemelerle kar#la#trlmas Seramik matrislerde süreksiz elyaf takviyesi ile toklukta önemli art#lar sa lanr. Aran Mal201 Ders Notlar 78

83 12. Ortamn Etkileri Korozyon Korozyon metallerin ortam ile kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyonu sonucu, özelliklerinin olumsuz yönde etkilenmesidir. Kimyasal Korozyonda metalin genellikle elektron verdii bir reaksiyon oluur. Elektrokimyasal Korozyonda konum olarak çounlukla farkl yerlerde oluan iki ayr reaksiyon vardr. Bunlar arasnda elektrik yüklerinin karlkl deiimi söz konusudur Kimyasal Korozyon Metal ve alamlarnn, elektrik iletkenlii olmayan, gaz ortamlar içindeki korozyonudur. Metal genellikle elektron verir ve reaksiyon oluur. Dier element genellikle oksijen olduundan metal elektronu oksijene verir ve reaksiyon sonucu yüzeyde metal oksit tabaka oluur. Oksidasyon reaksiyonu özellikle yüksek scaklklarda belirgindir ve bu durumda oluan korozyon ürününe tufal denir. 2 Mg + O2 >> 2MgO Pilling Bedwoth oran malzemenin oksitlenmeye olan direncini belirler. Bu deer oluan oksit hacminin, yerini ald metalin hacmine oran olarak hesaplanr. M. d P B = a. m. D M = Oksitin molekül arl d = Metalin özgül arl m = Metalin atom arl D = Oksit içindeki metal atomu says Bu deer 1 den küçük ise gözenekli bir oksit tabakas, çok büyük ise yüzeye tutunamayan ve dökülen bir oksit tabakas oluur. Her iki durumda da oksit tabakas koruyucu deildir. Yüzeye tutunan koruyucu oksit tabakalarnda P-B oran genellikle 1 ile 2 deerleri arasndadr. Oksit Tabakalar Oksit tabakalar deiik özelliklerde olabilir: a) Yüzeye tutunan, ancak gözenekli b) Yüzeye tutunan, gözeneksiz ve koruyucu c) Yüzeye tutunmayan ve dökülen Aran Mal201 Ders Notlar 79

84 çökelir (galvanik yüzey kaplama!). Anotta (+) ise metal atomlar elektron vererek reaksiyona girerler. D bir elektrik akm kayna olmasa dahi her metalin farkl bir elektrolitik çözünme eilimi vardr. Bu özellik elektrokimyasal gerilim deeri ile verilir. Her malzemenin standart bir elektroda göre elektod gerilimini aada görülen yarm pil hücresi ile ölçülebilir.eer E 0 sfrdan büyük ise bakr standart elektroduna göre katodiktir. Oluan metal oksidin yüzeye tutunmas ve koruyucu karakterine göre oksit tabakasnn kalnl parabolik veya dorusal olarak artar. - Lineer (dorusal) karakter (koruma özellii kötü): y 1 = c 1.t + c 2 - Parabolik karakter (koruma özellii iyi) y 2 = c c Elektrokimyasal Korozyon Elektrokimyasal korozyonda konum olarak farkl yerlerde oluan iki reaksiyon vardr (anot ve katot). Elektrokimyasal korozyonun her iki kimyasal reaksiyonunda da elektrik yüklerinin karlkl deiimi zorunludur. Bu deiim metallerde elektron iletimi yoluyla olur, metalin dnda ise akm elektrolit üzerinden salanr. Elektrolitler çounlukla sv çözeltiler olmakla birlikte, toprakta ve tuz eriyiklerinde de iyon iletimi mümkündür. Elektrokimyasal Gerilim Deerleri Katotta (-) elektrolit içindeki pozitif iyonlar yönelir ve burada elektron alarak Aran Mal201 Ders Notlar 80

85 Farkl elektrokimyasal gerilim deerine sahip metallerin yanyana getirilmesi ve bir elektrolit üzerinden temas halinde bir korozyon pili (galvanik hücre) oluur. Bu metallerden göreceli olarak asal olmayan metal anot olarak elektrolite metal iyonlar verir. Galvanik hücre, iki metalin elektrolit içine daldrlmas ve elektrotlarn birbirine balanmasyla oluan yapdr. Bu metallerden biri daha asaldr, yani anottur, dieri katottur. Korozyon anotta meydana gelir, katota bir ey olmaz. Korozyon çatla: Mekanik zorlamalar altnda çatlak uçlarnda. En tehlikeli korozyon biçimi olup, noktasal korozyon gibi çok zor fark edilir. Taneleraras ve taneleriçi olabilir. Elektrokimyasal Korozyon Türleri Temas korozyonu: Farkl malzemeler temas sonucu ortaya çkar. Cvata ile bunun baland ana malzemelerin farkl olmas gibi gibi, makro temas pili Korozyon Türleri Biçimsel Snflama Bu tür temas pilleri (galvanik hücreler) mikroskopik düzeyde de oluabilir. Örnein farkl içyap bileenlerinin bulunmas (alfa-beta pirinci), tane snrnn tane içinden farkl olmas (taneleraras korozyon) gibi.. Genel korozyon: Tüm yüzeyde etkindir, üniform ve yava ilerler. Korozyonun neden olduu maddelerden ötürü kolaylkla farkedilerek önlem alnabilir. Noktasal korozyon: Yerel çukurlar oluur veya yüzeyin alt oyulur. Zor fark edilir; oluacak hasar, korozyon hasarnn kendisinden çok daha ardr. Taneleraras korozyon: Tane snrna yakn amorf bölgelerde veya baz alam elementlerindeki farkllklar nedeniyle (örnein paslanmaz çeliklerde tane snrnda krom karbür çökelmesi) ortaya çkar. Aran Mal201 Ders Notlar 81

86 Aralk korozyonu: Dar aralklarda veya szdrmazlk yüzeylerinde oluan aralk korozyonu da farkl havalandrma nedeniyle oluur. &ekil deitirme farkllklar nedeniyle oluan elektrokorozyon, örnein bükülmü bir çivide souk ekil deitirmi bölgeler. Oksijen Deriiklii Pili: Elektrolit içindeki oksijen giriinin çeitli bölgelerde farkl olmas nedeniyle oluan havalandrma pili nedeniyle korozyon oluabilir. Örnekler: Mekanik zorlamal korozyon türleri: Gerilme korozyonu: Gerilme korozyonu elektrolit içinde bulunan ve bir çatlak balangc tayan parça üzerine çekme gerilmelerinin etkimesi ile ortaya çkar. Hidrojen gevreklii: Gerilme, elektrolit ve çatlak gibi üç eleman mevcuttur. Ancak hasar mekanizmas dier korozyon türlerinden farkldr. Burada hidrojenin malzeme içine yaynmas ve daha sonra malzeme içi mikro boluklarda hidrojen molekülünü meydana getirirken iç basnçlara, gerilmelere ve dolaysyla çatlaklara yol açmas söz konusudur. Korozyon yorulmas: Korozyon oluum nedenleri benzerdir, yalnz burada çatlak yorulma sonucu oluur. Mekanik zorlamal korozyon türleri arasnda iki kat maddenin sürtünmesi sonucu ortaya çkan sürtünme korozyonu, akan svlar içinde oluan erozyon korozyonu ve kavitasyon korozyonu da sralanabilir. Aran Mal201 Ders Notlar 82

87 12.3 Korozyondan Korunma Korozyondan korunmak için deiik yöntemler uygulanabilir: Uygun Malzeme Seçimi Uygun Tasarm Aktif Korunma Pasif Korunma Aktif korunma Katodik koruma: Kurban anot kullanarak korunacak malzeme katot haline getirilir, örnein çinko kaplama (galvanizleme) D elektrik potansiyeli uygulanmas ile de korozyon reaksiyonlar azaltlabilir, örnein toprak altndaki boruya doru akm uygulanr. Bu sayede boru katot durumuna gelir ve korunmu olur. Çinko ve kalay kapl çeliklerin korozyonu Katodik korumaya bir dier örnek, suyun içinde veya toprak altnda kalan metallerde korozyonu engellemek için bu metallere temas edecek ekilde asal olmayan reaktif bir metal yerletirilmesidir. Kurban elektrot gövdenin malzemesinden daha anodik yapda olacak ekilde seçilir. Bu sayede kurban elektrotta korozyon meydana gelir ve bu kurban elektrot bitene kadar gövde korozyondan korunmu olur Pasif korunma: Bu yöntemlerde elektrolitin etkinliini azaltlmaya çallr Elektrolitin deitirilmesi: Hnhibitör denilen kimyasal maddeler eklenebilir, kapal devre sistemlerde akkan oksijence fakirletirilebilir.. Kalorifer suyuna iyon hareketini yavalatan tuzlar katmak bu yönteme örnek olarak verilebilir. Korunacak metalden elektroliti uzak tutan her türlü önlem anlalr. Organik (ya, balmumu, plastik), metal olmayan inorganik (oksitler, fosfatlar, seramikler, emaye) ve metal yüzey koruma kaplamalarndan yararlanlr. Farkl malzemeler arasnda korozyon pili olumas için ara yaltkan tabakalar ile engellenebilir. Yani galvanik hücre oluumu engellenmeye çallr. Malzemede iç gerilmenin olduu bölgelerde anodik davranma eilimi vardr (örnein souk ekil deitirmi bölgeler). Homojenletirme, yeniden kristalleme, gerilme giderme tav sl ilemlerle bu gerilmeleri gidermek korozyonu azaltr. Tasarm tedbirleri alnabilir. Örnein; cvataya plastik pul koyma, boyama, emaye kaplama, metal birletirmelerde aralk brakmama ve son çare olarak da malzemenin ömrünün biraz daha uzamas için anot yüzey alann büyük seçmek. Aran Mal201 Ders Notlar 83

88 12.2. Anma Deiik anma türleri vardr: Adhezif anma Abrazif anma Erozyon Kavitasyon Adhezif anma Adhezif anmada iki yüzey birbiri üzerinde kayar. Pürüzler yüksek basnç altnda temas eder, ksmen kaynar ve koparlar. Archard Anma Katsays Birbiri üzerinde hareket eden bir malzeme çiftinin anma dayanm Archard Katsays k A ile ifade edilir. Birim kayma uzunluu bana yüzeyden kaybedilen malzeme hacmi, anma hz W olarak tanmlanr. Archard Anma Katsays k A, birbiri üzerinde sürtünen malzeme çiftinin anmaya direncini temsil eden bir deerdir. Abrazif anma Bu tür anmada araya giren andrc sert parçacklar vardr. Bu durumdan imalatta da yararlanlr (talama, zmparalama vb.) W = k A A p Burada A: yüzey alan, p: basnç, k A : Archard anma katsaysdr. Aran Mal201 Ders Notlar 84

89 13. Elektriksel ve Manyetik Özellikler letkenlik Malzemeler içindeki elektrik iletimi, uygulanan bir elektriksel alann etkisiyle malzeme içindeki yük tayclarn hareketleri ile oluur. Elektronlar, elektron boluklar, anyon (-) ve katyonlar (+) balca yük tayclardr. Metallerin elektrik iletkenli$inin iyi olmas, kafes içinde valans elektronlarnn serbestçe hareket edebilmesi ile ilgilidir. Bir iletkenin elektrik direnci R, iletkenin geometrisi ve malzemenin özgül direncine ba$ldr R = *. L / A Burada * özgül direnç(ohm.cm), L direncin uzunlu$u(cm), A ise direncin kesit alandr (cm 2 ). Bu de$erin tersi olan / de$eri ise özgül iletkenlik olarak tanmlanr (/ = 1 / *; ohm -1.cm -1 ) Özgül iletkenlik ve özgül direnç malzemenin ayrt edici özelliklerindendir. Elektrik iletkenli$i tayc saysyla, yük miktaryla ve taycnn hareketliili$i ile orantldr. / ~ n. q. µ n: yük tayc says q: tayc bana yük µ: tayc hareketlili$i Metaller için tayc hz önemli iken yaltkan ve yar iletkenler için tayc says önemlidir. Çünkü metallerde tayc elektron sayca boldur, daha çok taycnn hz ve tayclarn engellerle karlap karlamad$ önemlidir. Yaltkanlarda ve yariletkenlerde ise tayc says az oldu$undan saylar önem kazanmaktadr. Metallerde tayc eleman elektronlardr. Yar iletkenlerde ise elektronlar ve elektronlarn oluturdu$u boluklar elektrik iletimine katkda bulunur. Tayclarn hz atomik ba$a, kafes kusurlarna, mikro yapya, iyonik bileenlere ve difüzyon oranna ba$ldr. Bütün bu etkilerden dolay malzemeler çok farkl iletken özelliklere sahiplerdir. De$iik malzemelerim iletkenlik de$erleri aa$da görülmektedir. Aran Mal201 Ders Notlar 85

90 Enerji Bantlar Modeli Elektriksel iletkenli$i elektronlarn enerji band modeli ile açklanabilir. Bir atomda elektronlar tanmlanm enerji seviyelerinde bulunabilirler, ayn konumda spin yönleri ters olan bir çiftten fazla elektron bulunamaz (Pauli prensibi). Atomlar bir kat içinde yan yana bulunduklarnda, aralarndaki uzakl$a ba$l olarak birbirleri ile giriimde bulunurlar ve tek atom için belirlenmi enerji seviyesinde de$il, birbirine çok yakn enerji seviyesinin yer ald$ belirli enerji bantlar içine yerleirler.?letkenlik için en d bantlar önem tar, örnek olarak sodyum kristalindeki enerji seviyelerini alrsak: Enerji bantlarnn atomlararas uzaklk ile de$iimi Valans band: Ksmen veya tamamen dolu en yüksek enerji band, letim Band: Ksmen dolu veya bo enerji band.?letim bu enerji seviyesindeki elektronlar ile gerçekleir. Yar dolu bir valans band ayn zamanda iletim banddr. Bu bantlar arasnda elektronlarn bulunamayaca$ yasak enerji seviyeleri bulunabilir. Yaltkan ve Yariletkenler Tek bir sodyum atomunun enerji seviyeleri Sodtum kristalinde 3s enerji seviyesi yar dolu bir bant eklinde olumu Elektrik iletkenli$i, yani bir elektronun serbest hale gelerek hareket edebilmesi için bulundu$u düzeyin üstünde bo bir enerji seviyesine yükseltilmesi gerekir. Yar iletkenlerde ve yaltkanlarda valans band tam doludur, bo üst seviyeler yoktur; yani daha fazla elektron alamaz, dolaysyla iletim normal koullarda mümkün de$ildir. Bu malzemelerde valans band ile iletim band ile arasnda bo bir yasak bölge vardr, iletim için elektronlarn üst enerji seviyesine çkmas ve bu bölgeden atlamas gerekir. Bu durum örne$in yüksek Aran Mal201 Ders Notlar 86

91 scaklklarda sl aktivasyondan ile sa$lanabilir. Yariletkenlerde bu atlama oda scaklklarnda dahi mümkün olabilir; bir elektronun iletim bandna atlamas halinde valans bandnda geriye bir boluk (art yük) kalr. Bunlarn yük tayc olarak kullanlmas ile iletim mümkün olur. Yaltkanlarda ise bu yasak bölge aral$ aralk daha fazladr (>2 ev) ve atlama imkanszdr. Metallerde ise valans band tam dolu de$ildir veya iletim band ile örtüür. Dolaysyla elektronlar üst enerji seviyelerine kolaylkla çkarak iletimi sa$layabilirler. 0 K scakl$nda yar dolu bir valans bandnda enerji seviyeleri (Ef: Fermi enerjisi) letkenlik ve atomsal ban ilgisi: Yaltkanlar: Genellikle elektronlarn atomlara ba$l oldu$u iyonik (ve ksmen kovalant) ba$lar Yariletkenler: Genellikle zayf kovalent ba$lar letkenler: Elektronlarn serbestçe hareket edebildi$i metaller T > 0 K için yar dolu bir valans bandnda enerji seviyeleri Valans band tam dolu ise, en üst enerji düzeyi iletim bandna atlayabilecek seviyeye yükselebilir. Fermi enerjisi Elektronlar enerji bandnn en alt düzeyinden balayarak band doldururlar. 0 K de en üst enerji düzeyine Fermi enerjisi ad verilir. Scaklk arttkça sl aktivasyonla baz elektronlar Fermi enerjisinin üstüne çkar ve arkalarnda bo düzeyler oluur. Örne$in yar dolu valans bantarnda sl aktive olmu elektronlarn seviyesi yükselir, Fermi de$erinin üzerine çkar. Aran Mal201 Ders Notlar 87

92 letkenlie etki eden dei"ik faktörler: Elektrik iletkenli$i malzemenin içyapsna da duyarldr. Metallerde kafes kusurlarnn varl$ özgül direnci artrr:. Örne$in ticari bakrn direnci saf bakrdan daha yüksektir, bunun nedeni ticari bakrn içinde bulunan katklarn birer kafes kusuru olarak elektron hareketlili$ini düürmesidir. Az miktarda katlan elementlerin bakrn özgül direncine etkisi Ayrca so$uk ekil de$itirerek peklemi malzemede dislokasyon yo$unlu$u yüksektir ve bu kafes kusurlar direncin artmasna neden olurlar. Baz letken Malzemeler: Gümü": Çok iyidir, ancak pahaldr Bakr: en yaygn kullanlan, ancak dayanm düük.tür (dayanm artrmak için pekleme veya çökelme sertlemesi, mesela Cu-Be alamlar) Aluminyum: Hafifli$in önemli oldu$u yerlerde kullanlr Istma elemanlar: Yüksek özgül dirence sahiplerdir, Ni-Cr alamlar Öte yandan metallerde, scaklk arttkça kafesteki atomlarn sl titreimleri artaca$ndan, elektron hareketi zorlar ve direnç artar. Scaklk artkça özgül direnç do$rusal olarak artar (sl titreimler). * = * os [1+K(T-Tos)] os: oda scakl$ Isl Çiftler (Termokupl termoeleman) Fermi enerji seviyesi scakl$a duyarldr, yani iletken bir telin scak ucunda so$uk ucuna göre daha yüksek enerji seviyelerinde elektronlar bulunur ve bu elektronlar kar uca giderek, scak uç (+), so$uk uç ise (-) yüklü olur. Bu tür duyarll$ farkl olan iki malzemeden (A ve B metalleri) oluturulan bir sl çift sayesinde scaklk ölçümleri yaplabilir. E$er voltmetreyi ba$lad$mz telle, di$er teli ayn malzemeden kullanrsak Aran Mal201 Ders Notlar 88

93 voltmetrenin iki ucu arasndaki gerilim 0 olacaktr. Bu yüzden farkl teller den oluan bir sl çift (termokupl) kullanrz. Çünkü farkl tellerin sl duyarll$ de farkldr Yariletkenler Yariletkenlerde iletim band bo, valans band ise doludur, ancak yasak bölge dar oldu$undan (<2eV), örne$in yüksek scaklklarda elektronlar valans bandndan iletim bandna atlayabilir. En önemli yariletkenler peryodik cetvelin IV. Grubnda olan Si, Ge ve Sn dir. Yariletkenler, Has ve Katkl olmak üzere iki ayr gruba ayrlr. Has Yariletkenler: Bu malzemelerde yasak bölge aral$ dar oldu$undan sl ve benzer etkilerle elektronlar iletim bandna geçebilirler. A ve B metallerinden oluan bir Isl Çift Baz sl çiftlerde oluan gerilimin scaklkla de$iimi?letim bandna geçen bir elektron valans bandnda bir boluk (art yük) brakr. Elektron ve boluklarn says ayndr. Bir elektriksel alan uygulanr ise elektronlar ve boluklar ters yönde hareket ederek iletime katkda bulunurlar. Örne$in Si da oda scakl$nda (Eg=1,1eV) 1013 atomdan sadece bir tanesi iletim bandna geçer. Scaklk arttkça has yariletkenlerde iletkenlik artar (normal metallerin tersine!). Aran Mal201 Ders Notlar 89

94 Katkl Yariletkenler: Has yariletkenin iletkenlik özelikleri, malzemeye kafes yapsna uygun katklarla (doping) de$itirilir. n-tipi ve p- tipi olmak üzere iki türü vardr. Bu katk difüzyon veya ion implantasyonu gibi yöntemlerle çok düük düzeylerde yaplr. Katlan yeralan atomlarnda, valans elektronlar says yariletken malzemeden farkldr. Örne$in fosfor gibi 5 valans elektronuna sahip bir element 4 valans elektronlu Si kafesine katlrsa, beinci elektron zayf bir ba$la kalr ve kolaylkla iletim bandna atlayabilir. Bu tip katklarla n-tipi yariletken elde edilir. Yariletken Kullanmna Örnek: Diyot n- tipi yariletken Valans elektron says matris malzemesinden daha az olan bir katk yapld$nda (mesela 3 valans elektronlu Al), valans bandnda bir boluk oluur (+ yük tayc). Bu tip katklara akseptör denir ve yariletken p-tipi olarak anlr. Bir p-n diyodunda uygulanan gerilimin yönüne ba$l olarak, arayüzey iletken veya yaltkan olur. Yani p-n diyodu sadece bir yönde akm geçmesine izin verir. p- tipi yariletken Aran Mal201 Ders Notlar 90

95 13.3. Dielektrik Malzemeler Kapasitörler Kapasitörde elektronlarn kutuplanarak elektriksel yükü elektrik alann içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanlr. Burada iki metal tabaka arasna bir yaltkan malzeme yerletirilir. Bir elektrik ve elektronik devre eleman olan kapasitörler yük depolamak amacyla kullanlr ve genelde paralel iki plakadan oluurlar. Bir kapasitörün s$as C = Q / V, gerilim birimi bana depolayabildi$i yük miktardr. Artan gerilim plakalar arasnda dearja yol açabildi$inden, araya dielektrik malzeme konulur. Böylelikle kapasitörün plakalarna, ayn gerilim düzeyi için daha fazla elektriksel yük konulabilir ve kapasitörün s$as arttrlm olur. olur. Bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yetene$i dielektrik (yaltkanlk) sabiti ad verilen katsay ile ölçülür ve bu katsay her malzemede farkl de$er alr. Hesaplama kolayl$ açsndan her malzemenin dielektrik katsays, bolu$un dielektrik katsaysna göre oranlanr ve ortaya çkan yeni katsayya ba$l dielektrik (yaltkanlk) sabiti ad verilir, ksaca vakumun yaltkanl temel alnarak dier malzemelerin yaltkanl buna göre kyaslanr. Vakumun dielektrik sabiti 1 dir; hava ve di$er birçok gazn 1 ise yakndr. Ancak plakalar arasna bir baka malzeme yerletirilirse kapasite belirgin olarak artar. Elektrik alan içinde olan malzeme yapsndaki düzenleme polarizasyon olarak adlandrlr ve kapasitörün elektrik yük yo$unlu$unun artmasnn nedenidir. Polarizasyon mekanizmalar (dipol olu"umu/yönlenme) De$iik polarizasyon mekanizmalar vardr:?ki paralel iletken plaka +Q, Q ile yüklenirse, plakalar arasnda bir elektrik alan oluur. Paralel plakal kapasitör için, kapasite de$eri C, plakalarn geometrisine ve plakalar arasndaki dielektrik malzemeye ba$ldr. C = Y r. Y o. A / L = Y. A / L A plakalarn yüzey alan, L plakalar aras açklk, Y ise ortamn dielektrik sabitidir. Y o vakumdaki dielektrik sabiti (8.85x10-12 F/m2), Y r ise malzemenin ba$l dielektrik sabitidir. Yaltkan dielektrik malzemelerin içinde depolayabilece$i yük miktar o malzemeye özgü bir karakteristiktir, yani farkl malzemelerin ayn koullarda depolayabilecekleri yük miktar da farkl Elektronik polarizasyon: Uygulanan elektrik alan negatif elektron bulutlarn positif çekirde$e göre kaydrr. Tüm malzemelerde görülür. yonik polarizasyon: Tüm iyonik malzemelerde görülür. Uygulanan elektrik alan katyon ve anyonlar ters yönlere öteler. Aran Mal201 Ders Notlar 91

96 13.4. Manyetiklik Moleküler polarizasyon: Baz malzemeler kalc electrik dipollere sahiptir (H 2 O gibi). Elektrik alan olmadan dipoller rastgele da$lr, uygulanrsa yönlenirler. Dielektrik dayanm Çok yüksek elektrik alanlar uygulanrsa (>108 V/m) dielektrik malzeme içindeki elektronlar iletim bandna zorlanrlar ve elektrik boalm olabilir (dielektrik dayanm, bozulma veya ykm gerilmesi). Dielektrik dayanm, yaltkan malzemelerin karakteristikleri arasndadr ve bir malzemenin yaltkanl$n yitirip bozuldu$u gerilim, yaltkanlar için önemli bir göstergedir. Kondansatörlere belirtilen snr gerilimlerden daha yüksek bir gerilim kesinlikle uygulanmamaldr, çünkü bu ekilde kondansatör iletken haline gelir ve ilevsiz kalr Piezoelektriklik Baz seramik malzemelerde, d kuvvetlerin uygulanmas ile oluan ekil de$iimi sonucu bir polarizasyon ve elektrik alan ortaya çkar. Bunun tersi de olabilir, yani bu malzemelere gerilim uyguland$nda ekil de$iiklikleri ortaya çkar. Piezo elektrik malzemeler olarak adlandrlan bu malzemeler yardmyla, mekanik biçim de$iiklikleri elektrik sinyallerine (mikrofonlar, uzama ölçer, sonar sensörler) veya elektrik sinyalleri mekanik biçim de$iikliklerine dönütürülebilir Bu malzemelere örnek olarak baryum titanat BaTiO 3, kurun zirconat PbZrO 3, kuvarz gösterebilir. Atomlar yörüngelerinde dönerken, her elektron çifti, bir manyetik kutup çifti oluturur. Ayn enerji seviyesinde spinleri ters olan iki elektron oldu$undan, bu alanlar birbirini yok eder. D yörüngedeki valans elektronlar ise giriim halinde olduklar için manyetik kutuplar rastgele yönlendi$inden toplam etkileri ihmal edilebilir. Ancak atomda dolmam bir valans alt düzeyi varsa, burada bulunan tek atomun kutup çifti atomun manyetik davrann belirler. Tranzisyon elemanlarnda (Fe, Ni vs) dolmam enerji düzeyleri bulundu$undan, manyetiklik açsndan farkl özelliklere sahiptirler ve nitekim bu kutup çiftleri yönlenerek makro düzeyde bir manyetik moment yaratabilirler.?çinden akm geçen bir iletkenin çevrasinde manyetik alan oluur. Bir bobinde bu manyetik alann iddeti H = 0,4 ^ n I / L olarak ifade edilir. Bobin içine manyetiklik özelli$i olan bir malzeme yerletirilirse alan iddeti artar. Manyetik ak hem uygulanan alan iddetine, hem de bu malzemeye ba$ldr. B = µ. H Aran Mal201 Ders Notlar 92

97 kutup çiftleri dönerek yönlenirler. Paralel hale gelerek manyetik aky çok yükseltirler. Manyetik alan kalknca tekrar da$nk hale gelir. Baz malzemelerde ise bu yönlenme kalc olur, bunlara sert manyetik malzemeler denir. Ferrimanyetik Malzemeler: Baz karmak seramiklerde farkl manyetik momentlere sahiptir ve ters yönde paralel dizilmitir. Manyetik alan etkisiyle az da olsa ferromanyetiklere benzer davranlar gösterirler. Uygulanan manyetik alan etkisi ile malzeme içindeki kutup çiftleri yönlenerek manyetik ak belirli bir doyum seviyesine kadar artar. µ malzemenin ba$l manyetik geçirgenli$idir ve boluktaki de$eri 1 dir. Demir için bu de$er yaklak 5000 dir. Malzemeler manyetik alana gösterdi$i tepkilere göre snflanabilir: Diamanyetik Malzemeler: Valans alt düzeyeri tam doludur. Uygulanan alan mevcut elektonlarla etkileerek zayflar. Bu tür malzemeler Cu, Ag, Zn vs. Paramanyetik Malzemeler: Dolmam valans alt enerji düzeyleri vardr. Mevcut manyetik kuvvet çiftleri rastgele da$nktr. Net bir manyetiklik zayftr, Al, Ti gibi. Ferromanyetik Malzemeler: Bu malzemelerin manyetik geçirgenli$i çok büyüktür. Dolmam enerji seviyelerindeki Malzeme Alan etkile"imi Histerizis Manyetik alan yön de$itirirse kutup çiftleri yön de$itirirler. Baz malzemelerde bu srada çok enerji harcanr, iç sürtünmeler malzemenin Histeriiz içinde kalan alan çevrim boyunca kaybolan enerjidir. Aran Mal201 Ders Notlar 93

98 snmasna neden olur. Ayrca kutup çiftleri dönerken ba$ boylar de$iir ve bir vnlama duyulur (magnetostriksiyon). Malzemeler sert ve yumuak manyetik malzemeler olmak üzere ikiye ayrlr. Yumu"ak Manyetik Malzemeler: Hizterisiz kayb çok az Trafolar, (transformatörlerde kullanlr, örne$in %3 civarnda Sil içeren trafo saçlar). Sert Manyetik Malzemeler: Histerizis kayb büyüktür, manyetik alan kaldrlsa dahi kalc manyetikliklik vardr, (Mknatslar, AlNiCo alamlar) Enerji kayplarn azaltmak amac ile trafo yapmnda kullanlmak üzere, taneleri yönlenmi çelik saçlar gelitirilmitir. Taneleri yönlenmi trafo saclar Manyetiklie Etki Eden Faktörler: Kutup çiftleri yönlenmi bir mknatsta, scaklk arttkça kutuplar rastgele yönlenmeye balar. Kalc manyetiklik azalr ve belir bir scaklkta kaybolur (Curie scakl$). Metal içindeki kafes kusurlar (mesela dislokasyonlar) kutup çiftlerinin dönmesini güçletirir Saf ve tavlanm demir en yumuak malzemedir. Manyetik yönlenme kristallografik do$rultuya da ba$ldr. Aa$daki ekilden görüldü$ü gibi hmk demir kafesinde malzeme [100] do$rultusunda en yumuaktr, yani bu do$rultuda yönlenmi bir malzemede histerizis kayplar en azdr. Baz demir esasl malzemelerin manyetiklik özellikleri Aran Mal201 Ders Notlar 94