T.C. ADNAN MENDERES ÜNİVERSİTESİ AYDIN MESLEK YÜKSEKOKULU DEĞİŞİMİN GELECEĞİ AYMYO YAYINLARI DERS NOTU NO: 00 MALZEME BİLGİSİ

Transkript

1 T.C. ADNAN MENDERES ÜNİVERSİTESİ AYDIN MESLEK YÜKSEKOKULU DEĞİŞİMİN GELECEĞİ AYMYO YAYINLARI DERS NOTU NO: 00 MALZEME BİLGİSİ Hazırlayan Öğr. Gör. Serap KARAGÖZ Makine Resim Konstrüksiyon Programı Aydın 2008

2 1 KONU İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ 7 1. MALZEME BİLGİSİ TANIMLAR MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler MALZEME SEÇİMİ Maddenin İç Yapısı Atomlar Arası Bağlar Atomların Dizilişleri Malzeme Özellikleri İmalat İşlemleri ALAŞIMLAR Katı Eriyikler (Tek Fazlı Alaşımlar) Ötektikler (Çift Fazlı Alaşımlar) ATOMİK DİFÜZYON ERGİME KATILAŞMA ALLOTROPİ FAZ DÖNÜŞÜMÜ DEMİR DEMİR FİLİZLERİ Hematit Magnetit Pirit Siderit Limonit YÜKSEK FIRINDA HAMDEMİRİN ÜRETİLMESİ YÜKSEK FIRINDAN ELDE EDİLEN ÜRÜNLER Hamdemir Yüksek Fırın Gazı Curuf DÖKMEDEMİR DÖKMEDEMİR ÜRETİMİ İÇ YAPI VE GRAFİT OLUŞUMU KATILAŞMA ŞEKİLLERİ DÖKÜM MALZEMELERDE ARANILAN ÖZELLİKLER DÖKMEDEMİR ÇEŞİTLERİ Dökme Çelik Lamel Grafitli Dökmedemir Küresel Grafitli Dökmedemir.. 26

3 2 KONU Sayfa No Temper Dökmedemir Temper Dökmedemir Üretimi Temper Dökmedemirlerin Kullanım Alanı Özel Dökmedemirler (Alaşımlı Dökmedemirler) ÇELİK ÇELİK ÜRETİMİ Bessemer-Thomas Yöntemi Siemens-Martin Yöntemi Oksijen Üfleme Yöntemi Elektro-Çelik Yöntemi Çeliklerin Sınıflandırılması Üretim Yöntemine Göre Kullanma Alanlarına Göre Kimyasal Bileşimine Göre Kaliteye Göre Sertleştirme Ortamlarına Göre KATKI ELEMANLARININ ÇELİĞE KAZANDIRDIĞI GENEL ÖZELLİKLER ÇELİKTE KATKI ELEMANLARI Karbon Silisyum Manganez Fosfor Kükürt Oksijen Azot Hidrojen Bakır Krom Nikel Wolfram Molibden Vanadyum Kobalt Alüminyum ÇELİK STANDARDLARI Çelik Ve Demir-Karbon Alaşımlarının Sınıflandırılması Çelik Ve Demir-Karbon Alaşımlarının Eritme Ve Isıl İşlemleri Alaşımsız Ve Alaşımlı Çeliklerin Sembol Sayıları Çeliklerin Genel Sembol Sayıları İle Gösterilmesi Çeliklerde Garanti Edilen Özelliklerin Tanıtma Sayıları Demir Karbon Malzemelerin Kısa Gösterilme Şekilleri Kütle Çeliği.. 41

4 3 KONU Sayfa No Kalite Çelikleri Otomat Çelikleri Alaşımlı Kalite Çelikleri Alaşımsız Asal Çelikler Takım Çelikleri Alaşımsız Asal Çelikler Makine Yapı Çelikleri Az Alaşımlı Asal Çelikler Yüksek Alaşımlı Asal Çelikler Dökme Çelikler Lamel Grafitli Dökmedemirler Küresel Grafitli Dökmedemirler ÇELİKLERİN ISIL İŞLEMLERİ TANIMLAR ISIL İŞLEMLERİN AMAÇLARI DEMİR-SEMENTİT DENGE DİYAGRAMI TAVLAMA TAVLAMA ÇEŞİTLERİ Normalleştirme Tavı Yumuşatma Tavı Gerilme Giderme Tavı (Temperleme) Islah Etme Menevişleme Difüzyon Tavı Yeniden Kristalleştirme Tavı SERTLEŞTİRME ÇELİKLERİN SERTLEŞTİRİLMESİ SERTLEŞTİRME İŞLEMİNİN AŞAMALARI Ön Isıtma Austenite Dönüştürme Bekletme Isı Emdirme Sertleştirme- Martenzite Dönüştürme SU VERME Su Vermede Kullanılan Sıvılar Su Tuzlu Su Özel Bileşikler Yağlar Ergimiş Tuz ve Metal Banyoları YÜZEY SERTLEŞTİRME Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirerek Yapılan Yüzey Sertleştirme Sementasyon Nitrürasyon Yüzeyin Kimyasal Bileşimini Değiştirmeden Yapılan Yüzey Sertleştirme (Isı Birikimi İle yüzey Sertleştirme) Alevle Yüzey Sertleştirme Endüksiyon Akımı İle Yüzey Sertleştirme 61

5 4 KONU Sayfa No 8. KOROZYON KOROZYON ÇEŞİTLERİ Kimyasal Korozyon Elektrokimyasal Korozyon Değme Yoluyla Korozyon Kendi Kendine Korozyon Dış Akımlardan Doğan Korozyon Kristaller Arası Korozyon KOROZYONDAN KORUNMA Alaşım Yaparak Korozyondan Koruma Korozyona Neden Olan Cisimleri Uzaklaştırmak Katodik Koruma Kaplama İle Koruma Madensel Koruyucu Örtüler Organik Koruyucu Örtüler İnorganik Koruyucu Örtüler DEMİR OLMAYAN METALLER BAKIR Bakır Alaşımları Dökme Bakır Alaşımları Dövme Bakır Alaşımları ALÜMİNYUM Alüminyum Alaşımları Dökme Alüminyum Alaşımları Dövme Alüminyum Alaşımları ÇİNKO Çinko Alaşımları NİKEL Nikel Alaşımları KALAY KURŞUN KROM WOLFRAM MOLİBDEN VANADYUM KOBALT KADMİYUM BİZMUT MAGNEZYUM TİTAN SOY METALLER Platin Altın Gümüş. 72

6 5 KONU Sayfa No 10. PLASTİKLER PLASTİKLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ PLASTİKLERİN ÜRETİMİ PLASTİKLERİN SINIFLANDIRILMASI KOMPOZİTLER KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI Tanecik Takviyeli Kompozitler Lif Takviyeli Kompozitler Tabakalı Malzemeler KOMPOZİTLERİN YAPISI KOMPOZİTLER MALZEMELERİN AVANTAJLARI MALZEME MUAYENESİ MALZEME MUAYENELERİNİN SINIFLANDIRILMASI Şekil Bakımından Muayene Tip Bakımından Muayene Amaç Bakımından Muayene MALZEME MUAYENE YÖNTEMLERİ Atelye Deneyleri Görünüşle Belirleme Ses Deneyi Kıvılcım Deneyi Teknolojik Deneyler Bükme Ve Kırma Deneyi Eğme Ve Katlama Deneyi Derinleştirme Deneyi Kaynak Dikiş Kontrolü Boruların Denenmesi Burma Deneyi Darbeli Bükme Deneyi Mekanik Deneyler Çekme Deneyi Basma Deneyi Kesme Deneyi Yorulma Sünme Gevşeme Kayma Kırılma Aşınma Tahribatsız Malzeme Muayenesi.. 86

7 6 KONU Sayfa No 13. TASARIMDA MALZEME SEÇİMİ MALZEME SEÇİMİNDE UYULMASI GEREKEN KURALLAR Malzemenin Bulunabilirliği Fiziksel,Kimyasal, Mekanik Ve Teknolojik Özelikler Ekonomiklik Değeri Korozyon Direnci Üretim İşlemlerine Uygunluk 88 KAYNAKLAR 90

8 7 ÖNSÖZ Makine Resim Konstrüksiyon Programı öğretim programlarına genel olarak bakıldığında, her ders öğrencilerin tasarım becerilerini geliştirmeye yönelik bütünün bir parçasıdır. Makine tasarımında amaç belirli gereksinimi karşılayan, çalışan bir sistem oluşturmaktır. Belirli bir gereksinimi karşılayacak olan sistem önce düşünce olarak ortaya çıkar. Daha sonra çözüm olabilecek düşünceler kâğıda aktarılır. Yani birinci aşama düşünce, ikinci aşama ise çizimdir. Ancak çizim aşamasına geçmeden önce çevresel faktörler göz önüne alınarak bazı koşullar belirlenir. Tasarlanan sistemde koşulları yerine getirecek parçalar ve biçimleri ile, bu biçimleri oluşturacak imalat yöntemleri dikkate alınmalıdır. Sistemlerin işlevlerini yerine getirebilmeleri ve ekonomik ömürlü çalışmaları önemlidir. Bu da sistemi oluşturan parçalar için uygun malzeme seçmekle mümkün olur. Sonuç olarak bir tasarımcının malzeme cinsi, çalışma koşulları ve imalat yöntemi ilişkileri konusunda yeterli bilgiye sahip olması gereklidir. Öğrencilerin doğru malzeme seçimi yapabilmeleri için gerekli bilgileri edinmeleri amacıyla, Malzeme Bilgisi dersi öğretim programına alınmıştır. Bu ders notu Aydın Meslek Yüksekokulu öğrencilerine yönelik olarak hazırlanmıştır. Konular öğretim programına uygun olarak sıralanmış, içyapı ve malzeme özellikleri ile çalışma koşulları ilişkileri göz önüne alınmıştır. Makinecilikte en çok kullanılan malzemeler ve malzeme seçimi ile ilgili genel bilgilere yer verilmiştir. Öğr.Gör.Serap KARAGÖZ AYDIN 2007

9 8 1. MALZEME BİLGİSİ 1.1. TANIMLAR Malzeme: Bir amacı gerçekleştirmek için kullanılan her madde malzeme adını alır. Başka bir ifade ile belirli ön işlemlerden geçerek insanların ihtiyaçlarını karşılayan her maddeye malzeme denir. Maddeler işlenerek malzemeyi, malzemeler de işlenerek eşyaları meydana getirir. Dişli yapımında kullanılan çelik, iletken olarak kullanılan bakır, uçak endüstrisinde kullanılan alüminyum, ısı yalıtımında kullanılan asbest, inşaatta kullanılan çimento vb. maddeler bir amaç için kullanılan malzemelerdir. Atom: Nötron ve protonlardan oluşan bir çekirdek ve çekirdeğin etrafında dönen elektronlardan meydana gelen maddenin en küçük birimidir. Element: Aynı cins atomlardan meydana gelen ve her noktasında aynı özellikleri taşıyan saf maddedir. Bileşik: İki veya daha fazla elementin kimyasal bir tepkime ile birleşerek oluşturduğu maddedir. Karışım: İki veya daha fazla elementin homojen veya heterojen olarak karıştırılması sonucunda meydana gelen maddedir. Saf madde: Bütün özellikleri her noktasında aynı olan maddedir. Saf madde element, karışım veya bileşik şeklinde olabilir. Organik madde: Genellikle karbonun diğer elementlerle yaptığı bileşiklerdir. İnorganik madde: Genellikle karbon dışındaki elementlerin yaptığı bileşiklerdir MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI Metaller Seramikler Polimerler Kompozitler Metaller Demir, alüminyum, çinko, krom, bakır, nikel v.b elementler bu guruba girer. Elementler genellikle tek başlarına kullanılmazlar. İki veya daha fazla element karıştırılıp alaşım yapılarak kullanılabilir hale getirilirler. Metaller genel olarak elektrik ve ısı iletkenliği, dayanım, rijitlik, şekillendirilebilirlik, darbe direnci gibi özelliklere sahiptirler Seramikler Kil ve kaolen gibi malzemelerin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile elde edilen malzemelerdir. Genel olarak metal ve metal olmayan elementlerden oluşan inorganik bileşiklerdir. Cam, tuğla, porselen, taşlar, tuğla gibi malzemeler bu guruba girer. Yapıları kararlı, korozyona ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı, sert, kırılgan, ısı ve elektrik yalıtkanlığı olan, erime sıcaklıkları yüksek malzemelerdir. Malzeme olarak makine sanayine de giren seramikler, örneğin rulmanların yuvarlanma elemanı yapımında kullanılmaktadır. Hibrid rulman da denilen seramik rulmanlar, çelik rulmanlara göre sertlik, ısıya dayanım, elastiklik gibi konularda daha üstün özelliklere sahiptir Polimerler Polimerler genel olarak plastik ve lastik malzemelerdir. Tarım ve petrol ürünlerinin organik moleküllerinden polimerizasyon işlemi ile elde edilir. Genel olarak ısı ve elektrik yalıtkanlığı, düşük dayanım, korozyon direnci ve hafiflik gibi özelliklere sahiptirler.

10 Kompozitler Kompozitler çok fazlı malzemelerdir. Birbirlerinin zayıf yönlerini yok edecek şekilde maddeler bir araya getirilerek iyi özellikler kazandırılmış bileşiklerdir. Bileşenler gözle görülebilecek niteliktedir. Beton, kontrplak, cam fiber, oto lastiği kompozit malzemelerdir. Hafif, sağlam, yüksek sıcaklıklara dayanıklı, sert darbelere dayanımlıdırlar MALZEME SEÇİMİ Makine parçalarının uygun yöntemlerle şekillendirilmeleri ve kendilerinden beklenen sürede görevlerini yapabilmeleri içyapı ve özellikleri ile ilişkilidir. Bir teknik elemanın doğru malzemeyi seçebilmesi için malzemelerin içyapısı ve özellikleri ile imalat yöntemleri konusunda bilgi sahibi olması gerekir. Yapı, özellik ve şekillendirme biçimi birbirini doğrudan etkileyen üç faktördür. Bir tanesinin değişikliği diğer iki faktörü dolayısıyla sonucu etkiler. Bu nedenle malzeme seçimi bu üç faktör ve ilişkileri göz önüne alınarak yapılmalıdır Maddenin İç Yapısı Malzemelerin özelliklerini öğrenmek için atomik yapıyı bilmek gerekir. Doğada bulunan bütün elementler atomlardan meydana gelmiştir. Atom çekirdekteki nötron ve protonla, çevredeki elektronlardan oluşur. Bir atomun elektron ve proton sayıları eşittir. Eşitlik bozulup, atomun elektron ve proton sayıları farklı olursa iyon adı verilir. Atomda protonlar (+) yüklü ve nötronlar yüksüz (nötr) olup merkezde, elektronlar ise (-) elektrik yüklü olup çekirdek etrafında bir yörüngede sonsuz hızla hareket ederler. Çekirdek merkezdeki güneş, elektronlarsa güneşin etrafında dönen gezegenlere benzetilebilir. Elektronlar çekirdek etrafında kabuk (yörünge) olarak adlandırılan yerlerinde sonsuz hızla dönerler. Bir atomda en dış kabukta bulunan elektronlara valans elektronları adı verilir. Elektronların dizilişi malzemenin kimyasal özelliklerini, atomlar arası bağ kuvvetini, atom büyüklüğünü, elektrik ve ısı iletkenliğini, optik özelliklerini ve daha başka özelliklerini etkilemektedir. Cisimler doğada gaz, sıvı ve katı halde bulunurlar. Gazlarda atomlar arası mesafe çok fazla, atomlar arası bağ kuvveti zayıf olduğundan atomlar serbestçe hareket edebilir ve bu nedenle sıkıştırılarak hacimleri küçültülebilir. Sıvılarda atomlar arası mesafe yok denecek kadar azdır, ancak aralarındaki bağ zayıf olduğundan birbirleri ile temas halindeki atomlar serbestçe hareket ederler ve bir şekle sahip olamazlar ve sıkıştırılamazlar. Katı cisimlerde ise durum farklıdır. Katıların atomları arasında kuvvetli bir bağ vardır ve atomlar birbirlerine sıkıca bağlıdır. Bu nedenle katılar belirli bir şekle sahiptir ve bu şekli bozmak için (biçim değişikliği sağlayabilmek için) büyük kuvvetler gereklidir Atomlar Arası Bağlar Maddelerin atomları arasında belirli bir çekim gücü (bağ) vardır. Bu bağ malzemelerin dayanımı, sertlik v.b. özelliklerini belirler. Bağ kuvvetleri yüksek ve zayıf olmak üzere iki gurupta toplanabilir. Yüksek kuvvetli bağlar; Metalik Bağ İyonik Bağ Kovalent (Valans) Bağ Zayıf kuvvetli bağ ise Van Der Waals Bağıdır. Atomlar arası bağı kuvvetli olan maddeler şekillendirmeye dirençli, ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşmesi düşük malzemelerdir.

11 10 Metalik Bağ Metal atomlarını bir arada tutan bağ türüdür. Metal atomlarının elektronları dış kabukta maksimum sayıda olmadığından çekirdeğe bağlı olarak kabul edilmezler. Dış kabuktaki bu elektronlar (Valans elektronları) metal içerisinde serbestçe hareket ederler ve belirli bir atoma ait değillerdir. Başka bir deyişle, düşük valanslı metal elementler valans elektronlarını bırakarak bir elektron bulutu oluştururlar. Serbest hale geçen valans elektronları tek bir atomla değil birçok atomla ilgili olurlar. Çekirdekler (+) yüklü merkezlerdir ve sonsuz sayıdaki (-) yüklü elektronlarla aralarında bir çekim gücü oluştururlar. Sonsuz sayıdaki + yüklü çekirdekle, sonsuz sayıdaki yüklü elektronun birbirini çekmesi metalik bağ ı meydana getirir (Şekil 1.1). Şekil 1.1 Metalik bağ (Erdoğan, 1998) Bir metal eğilmeye zorlandığında elektronların durumu nedeniyle atomlar arası bağ kırılmaz sadece yer değiştirir. Bu da metallerde elastikiyet ve biçimlendirme kolaylığı sağlar. Metaller elektriği iyi iletirler. Metalik bağlı malzemelerde uygulanan bir gerilim etkisi altında valans elektronları, hareket ederek devrenin tamamlanmasına dolayısıyla akıma neden olurlar. İyonik Bağ Katı cisimlerde iyonik bağ iki ayrı cins atomda valans elektronlarının alışverişine bağlı olarak oluşur. Bir atom valans elektronlarını vererek diğer atomun dış kabuğunu doldurur (Şekil 1.2). Elektron veren element + yük kazanırken alan element yük kazanır. iyon adı verilen bu + ve yüklü atomlar birbirini çeker ve bu çekim gücüne de iyonik bağ denir. Şekil 1.2 İyonik bağ (Erdoğan, 1998) İyonik bağlı yapıya bir kuvvet uygulandığında, metalik bağdaki gibi elektronların hareket rahatlığı olmadığından iyonlar arasındaki elektriksel denge bozulur. İyonik bağlı malzemeler genellikle bu nedenle gevrek ve kırılgandırlar. Örneğin seramikler iyonik bağlı malzemelerdir. Bir iyonik bağlı malzemeye gerilim uygulandığında akımın akışını sağlamak için iyonların hareket etmesi gerekir. Oysa iyonların hareketi yavaş olduğundan bu tür malzemelerin genellikle elektrik iletkenliği zayıftır.

12 11 Kovalent Bağ Valans bağı da denilen bu bağ türünde atomlar valans elektronlarının bazılarını ortak kullanırlar. Ortak kullanılan (-) yüklü elektronlarla (+) yüklü çekirdek arasında valans bağı oluşur (Şekil 1.3). Şekil 1.3 Kovalent bağ (Erdoğan, 1998) Bu şekilde bağlı maddeler esnek değildir ve elektriği iyi iletmezler. Kovalent bağlar çok sağlam bir yapı oluşturur. Bağın kırılması için büyük kuvvetler gerekir. Elektrik iletkenliği de zayıftır. Çünkü bir elektronun akım taşıyabilmesi için hareket etmesi gerekir. Bağ kuvvetli olduğundan bu çok zordur. Örneğin doğadaki en sert malzeme olan elmas kovalent bağlı bir maddedir. Van Der Waals Bağı Asal gazlarda moleküllerinin birbirlerini bağlayabilmesi için serbest elektronları yoktur. Bu tip moleküller ancak çok zayıf bir elektrik yükü ile birbirlerini çekerler. Bu zayıf elektrik yükü de moleküllerdeki + ve yüklü merkezlerin birbirlerini çekmesine neden olarak bir bağ oluşturur ki bu bağa Der Waals bağı adı verilir. Birçok plastik, seramik, su gibi maddelerin molekülleri guruplaşarak bazıları pozitif, bazı moleküller ise negatif yüklenirler. Bir molekülün pozitif yüklenmiş kısmı ile diğer bir molekülün negatif yüklenmiş kısmı arasında meydana gelen çekim moleküller arasında zayıf bir bağ oluşturur. Van der Waals bağları ikincil bağlardır. Molekül içerisindeki atomlar birbirlerine kovalent veya iyonik bağ ile bağlanırlar. Örneğin su kaynama noktasına kadar ısıtılırsa moleküller arasındaki Van Der Waals bağı kırılır. Ancak molekülü oluşturan hidrojen ve oksijen atomları arasındaki kovalent bağı kırmak için büyük sıcaklıklar gereklidir (Şekil 1.4). Şekil 1.4 Van Der Waals bağı (Erdoğan, 1998)

13 Atomların Dizilişleri Atomlar kristal, moleküler ve amorf olmak üzere üç farklı diziliş gösterirler. Kristal Kafes Yapısı Tüm metallerin, seramik malzemelerin çoğunluğunun, plastik malzemelerin de bazılarının atom ve moleküllerinin, diziliş şekli ve bulundukları konum, düzgün geometrik şekiller meydana getirir. X ışınları ile yapılan araştırmalar bu malzemelerde atomların bulundukları noktaların birleştirilmesiyle 14 değişik düzgün geometrik şekle sahip olduklarını göstermiştir. Bu geometrik yapıya kristal kafes denir. Metallerin oluşturduğu kafes yapısına da faz adı verilir (Şekil 1.5). Şekil 1.5 a) Hacim merkezli kübik kristal kafesine sahip metaller; Demir (α,β,δ), molibden, wolfram, vanadyum b)yüzey merkezli kübik kristal kafesine sahip metaller; Demir γ, alüminyum, bakır, nikel, kurşun, gümüş altın.c)hekzagonal sıkı dolgulu kristal kafesine sahip metaller; Titan, Magnezyum, kobalt, çinko, kadmiyum. 1-Basit monoklinik 2-Uç merkezli monoklinik 3-Triklinik 4-Hekzagonal 5-Rombohedral 6-Basit orthorombik 7-Hacim merkezli orthorombik 8-Uç merkezli orthorombik 9-Yüzey merkezli orthorombik 10-Basit kübik 11-Hacim merkezli kübik 12-Yüzey merkezli kübik 13-Basit tetragonal 14-Hacim merkezli tetragonal (Baydur, 1979) Katılaşma sırasında, her bir kristal yapı kendi karakterine uygun kristal düzenini oluşturur. Her bir birim hücre diğerine bağlanır. Bunu bir ağacın dallarına benzetebiliriz. Bu yapıya dentrik denir. Dışarı doğru gelişen dentritler diğerleri ile birleşerek taneleri oluşturur. Birleşen dentrit sınırlarına tane sınırları adı verilir. Yavaş soğutma ile kaba, hızlı soğutma ile ince taneli bir yapı oluşur (İpek, 1999). Şekil 1.6 Dentrik oluşumu a) Katılaşmanın başladığı çekirdek b) dentrik dallanma c) dentrik kolların birleşmesi d) taneler ve sınırları (İpek, 1999)

14 13 Moleküler Yapı Birbirlerine bir kuvvetle bağlı atom gruplarına molekül adı verilir. Moleküllerin iç bağları kuvvetli ancak moleküller arası bağlar zayıftır. Bu nedenle Van Der Waals bağı olarak da adlandırılırlar. Moleküller arası bağın zayıf olması moleküllere bir ölçüde serbest hareket yeteneği sağlar. Bu nedenle bu yapıdaki malzemelerin ergime ve kaynama sıcaklıkları düşüktür ve katı halde bile yumuşaktırlar. Küçük moleküllere manomer denir. Manomerlerin bir araya gelerek belirli koşullarda bağlanması polimerleri meydana getirir. Bu olaya polimerizasyon adı verilir. Polimerlerin bir diğer ve yaygın olarak bilinen ismi plastiklerdir. Şekil 1.7 Moleküler yapı (Erdoğan, 1999) Amorf Yapı Kristal yapıda olduğu gibi düzenli dizilmiş bir yapısı olmayan atomlardan oluşan yapıya amorf yapı denir. Gazlar, sıvılar, hızlı soğumuş metaller, cam v.b. malzemeler bu yapıdadır. Atomlar arası mesafe maddenin özelliğine göre eşit veya farklı olabilir. Örneğin gazlar moleküler yapıda olmasına rağmen, moleküller birbirlerinden uzak ve bağımsızdırlar. Sıvıların ise gazlar gibi akışkan ve düzenli bir kristal yapıları yoktur. Ancak içyapı bakımından yarı düzenlidirler. Atomlar arasındaki mesafe birbirine büyük oranda eşittir. Sıvı haldeki metallerin de atomlar arası mesafesi genellikle eşit, ancak düzenli bir yapıları yoktur. Şekil 1.8 Amorf yapı (Erdoğan, 1998)

15 Malzeme Özellikleri Malzemelerin özellikleri mekanik özellikler ve fiziksel özellikler olmak üzere iki guruba ayrılarak incelenebilir. Mekanik özellikler, malzemelerin yükler ve gerilmeler karşısında gösterdikleri davranışlardır. Dayanım, süneklik, sürtünme hızı, aşınma, yorulma, elastiklik, uzama v.b. özellikler mekanik özelliklerdir. Kimyasal yapı, elektrik iletkenliği - yalıtkanlığı, manyetiklik, ısı karşısındaki davranışları vb. ise fiziksel özellikleridir İmalat İşlemleri Sıcak ve soğuk, talaşlı ve talaşsız şekillendirme gibi, makinelerin ve makine parçalarının üretilmeleri sırasında kullanılan tüm yöntemler imalat işlemleridir. Malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri hem imalat işlemleri, hem de üretilen parçanın görevini yapması açısından önemlidir. Malzemenin içyapısı özelliklerini belirler. Özellikler ise imalat yönteminin seçimi için önemlidir ALAŞIMLAR Genellikle metaller, tek başlarına kullanılmazlar. Endüstriyel amaçları karşılamak için alaşım yapılarak kullanılırlar. İki veya daha fazla metalin veya en az birisi metal diğeri metal olmayan malzemenin bir arada ergitilmesi ile oluşturulan yeni malzemeye alaşım denir. Bir başka şekilde alaşım, yeni özellikler kazandırmak amacıyla bir metale başka maddeler karıştırılarak elde edilen yeni malzeme olarak tanımlanabilir. Alaşımlar, alaşım tipine bağlı olarak kendisini meydana getiren elemanların özelliklerini taşıyabildiği gibi, kendisini meydana getiren elemanların özellikleri ile hiç ilgisi olmayan yepyeni bir malzeme olarak da ortaya çıkabilirler. Metaller belirli bir kafes yapısına sahiptir. Metallerin kafes yapısına faz adı verilir. Saf metallerde tek tip faz vardır. Alaşımlarda ise tek tip faz olabildiği gibi iki ve daha fazla tipte faz olabilir. Fazların meydana gelmesinde alaşımı oluşturan metallerin bileşimi ve sıcaklık faktörleri etkilidir. Alaşımların özellikleri, alaşımı meydana getiren elemanların fazları arasındaki ilgiye bağlıdır. Alaşımlar iki şekilde meydana gelir. 1- Katı Eriyikler 2- Ötektikler Katı Eriyikler (Tek Fazlı Alaşımlar) Bu tip alaşımlarda alaşım elemanlarının kafes sistemlerinde bir değişim olur ve elemanlardan birinin kristal kafesinde her iki elemanında atomları yerleşir. Bir tek faz (yapı) meydana getirirler. Sonuç olarak yeni özelliklerde bir malzeme (alaşım) oluşur. Tek Fazlı alaşımlara katı eriyik adı verilir. Bu alaşımlarda yalnız bir kafes şekli vardır. Bu kafeste alaşımı meydana getiren elemanların atomları bulunmaktadır. Kafesteki sayının az olduğu alaşım elemanının atomlarına erimiştir, kafeste sayısı fazla olan alaşım elemanı atomlarına da eritmiştir denir. Alaşım elemanlarının atomları büyüklüklerine göre kafeste iki şekilde bulunabilirler. Yerine geçme yoluyla oluşan katı eriyikler Araya sıkışma yoluyla olan katı eriyikler (Şekil 1.9) Şekil 1.9 Katı eriyiklerin kafes yapıları (Baydur, 1979)

16 Ötektikler (Çift Fazlı Alaşımlar) Bu tip alaşımlarda alaşımı meydana getiren elemanların kafes sistemlerinde bir değişim olmaz. Elemanlar alaşımda kendi kafes sistemlerini aynen korurlar. Bu tip alaşımlarda alaşım oranına bağlı olarak homojen bir yapıda her iki fazında özelliği görülür. Bu nedenle bu tip alaşımlar üstün özellik göstermez ve sınırlı özellik değişimi gösterebilir. Alaşımdaki elemanların oranlarına bağlı olarak her iki elemanın ortak özelliklerini veya alaşımda oranı fazla olan elemanın özelliğinin etkin olduğu özellikler gösterirler. Çift fazlı alaşımlara ötektik denir. Mekanik karışım adı da verilen bu tip alaşımlarda alaşım elemanlarının ortak özelliklerine sahip bir alaşım elde edilir. Ötektik alaşımlarda mutlak homojenliğin sağlandığı oran ötektik oran, sıcaklık da ötektik sıcaklık olarak isimlendirilir. Ötektik sıcaklık her iki alaşım elemanının da ergime sıcaklıkları altındaki bir değerdir. Şekil 1.10 da kadmiyum ve bizmut metallerinin oluşturduğu ötektik yapı görülmektedir. Şekildeki denge diyagramında saf haldeki iki metal ile 9 farklı alaşım oranının zaman sıcaklık koordinatlarındaki eğrilerine bakıldığında saf metaller birer, alaşımlarda ise ikişer durak noktası olduğu görülmektedir. Durak noktalarının birleştirilmesi ile de yanda sıcaklık alaşım oranları diyagramı elde edilmiştir. E noktası ötektik oranı ve ötektik sıcaklığı göstermektedir. AEB noktaları arasındaki eğri sıvılaşma eğrisi, CED eğrisi ise katılaşma eğrisidir. Sıvılaşma ve katılaşma eğrileri arasındaki iki bölge ise katı ve sıvı fazların birlikte olduğu bölgedir. Ötektik orandaki alaşıma ötektik alaşım denir. Ötektik alaşımların saf metaller gibi bir tek ergime ya da katılaşma sıcaklığı vardır ve aynı metallerin diğer oranlardaki alaşımlarına göre en düşük ergime katılaşma sıcaklığına sahiptirler. Bunun nedeni farklı metal atomlarının birbirlerinin kristal kafes oluşturmasına engel olmasıdır. Sıcaklık katılaşma sıcaklığına düştüğü zaman, her ikisi de aynı anda kristal kafeslerini oluşturmaya başlarlar. Şekil 1.10 da görüldüğü gibi kadmiyum ve bizmut alaşımı için ötektik oran %40 kadmiyum %60 bizmut şeklindedir. Ötektik alaşımlar ergime derecesi düşük ve kendini çekme oranı az olduğundan, döküme elverişlidirler. Ayrıca iri taneli yapıları nedeniyle iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Şekil 1.10 Ötektiklerin oluşumu (Erdoğan, 1999)

17 ATOMİK DİFÜZYON Katı cisimlerde atomlar bulundukları yerde bir salınım (titreşim devinim) hareketi yaparlar. Bu salınım hareketi cismin sıcaklığına ve üzerindeki enerjiye bağlıdır. Bir katı cisme ısı verildiği zaman, ısının kinetik enerjiye dönüşmesi sonucu atomların yapmakta oldukları titreşim hareketi şiddetlenir. Titreşimin artması atomların daha fazla yer kaplamalarına ve dolayısıyla hacimlerinin büyümesine neden olur ki bu olaya ısıl genleşme denir. Metallere verilecek olan ısıyı daha da artıracak olursak atomların titreşim hareketi daha fazla artar. Titreşimin atomları birbirine bağlayan kuvveti yenecek seviyeye ulaşması ile bazı atomlar serbest hareket etme yeteneğine kavuşur. Isı etkisi ile bazı atomların aradaki bağ kuvvetini yenecek bir enerji kazanarak serbest hareket etmesi olayına atomik difüzyon denir. Atomik difüzyondan endüstride geniş ölçüde yararlanılmaktadır. Sementasyon, nitrürasyon, siyanürleme, borlama işlemleri atomik difüzyon uygulamalarıdır. Atomik difüzyon ile serbest hareket yeteneği kazanan atomlar, yerlerini terk ederek; 1- Başka bir kristal kafeste yer bulup yerleşebilir. 2- Kristal sınır çizgilerinde yer bulur yerleşebilir. 3- Metal içerisinde uygun bir yer buluncaya kadar serbest hareket etmeye devam edebilirler (Şekil 1.11). Şekil 1.11 Atomik difüzyon (Erdoğan, 1998)

18 ERGİME KATILAŞMA Metale ısı vermeye devam edilirse, atomik difüzyon şiddetlenir ve yerlerini terk ederek serbest hareket eden atom sayısı artar. Sıvılarda atomlar serbestçe hareket ettiklerine göre, katı atomları da serbestçe hareket ediyorsa katı sıvı hale geçmiş demektir. Ergime; metallerde atomik difüzyonun şiddetlenmesi sonucunda atomları bir arada tutan bağın ortadan kalkması ve buna bağlı olarak kristal kafes yapısı düzeninin bozulması olayıdır. Metallere verilen ısı başlangıçta metal atomlarının titreşimlerini artırmaya harcanırken sıcaklık yükselmesi olur. Ancak atomlarda difüzyon şiddetlenip, atomlar serbest harekete başladığı andan itibaren bütün metal kütlesi ergiyinceye kadar sıcaklık yükselmesi görülmez. Çünkü ergime başlangıcından, ergime bitinceye kadar verilen ısı metallerde kristal kafeslerin bozulmasına ve serbest kalmasına harcanır. Katılaşma sırasında ise olay tersine işler. Ergiyik metalin katılaşması için ısı etkisinin ortadan kalkması gerekir. Yüksek ısı azaltıldığında ya da ortadan kaldırıldığında kristal kafes yapısı oluşmaya başlar. Yani atomlar arası bağ oluşur ve atomlar belirli bir düzenle kristal kafesleri oluşturur. Uygulanan ısı düştükçe atomların titreşimi azalır, aralarındaki bağ kuvvetlenir. Ancak dıştan uygulanan ısı yok edilse bile katılaşma başlangıcından bitişine kadar metalde sıcaklık düşmesi görülmez. Çünkü kristal kafeslerin oluşması sırasında doğan enerji sıcaklık düşmesini önler ve sıcaklık sabit kalır. Kristal kafesler oluşup metal katı şeklini aldıktan sonra ısı düşmesi tekrar başlar ve ortam sıcaklığına ulaşıncaya kadar devam eder (Şekil 1.12). Ergime Katılaşma Şekil 1.12 Ergime Katılaşma davranışları (Baydur, 1979)

19 ALOTROPİ FAZ DÖNÜŞÜMÜ Metallerin ısıl eğrilerini çizerken, ergime ve katılaşma noktalarında bir duraklama görülmektedir. Bu noktalarda ısı iletimi sürdüğü halde sıcaklık değişmemektedir. Bazı metallerde ergime katılaşma noktalarının dışında da duraklamalar görülür. Bu sırada bir süre sıcaklık değişmez ve incelenirse söz konusu noktalarda o metalin özellik ve yapıları değişmektedir. Metallerde ergime noktası dışında meydana gelen özellik ve yapı değişimine alotropi ya da faz değişimi denir. Bu metallere de alotropik metal denir. Demir, manganez, kobalt, titanyum alotropik metallere örnek gösterilebilir. Şekil 1.13 de demirin faz değişimleri görülmektedir. Şekil 1.13 Demirin alotropisi (Baydur, 1979)

20 19 2. DEMİR En çok kullanılan metallerin başında gelen demir, yer kabuğunun %5.6 sını oluşturmaktadır. Yumuşak, kolay biçimlendirilebilen, yoğunluğu 7,88 gr/cm 3, ergime sıcaklığı 1535 C, sertliği 67 BSD (Brinell sertlik değeri), uzaması %40 olan, mıknatıslanabilen, elektrik ve ısıyı iyi ileten gri renkli bir metaldir. Saf demirin, laboratuarlarda araştırma amaçlı kullanımı dışında manyetik donanım, vakum tüpü imalatı gibi çok kısıtlı kullanım alanı vardır. Demiri, endüstrinin en önemli metali haline getiren içerisindeki karbondur. Değişik oranlarda karbon ve diğer metallerle yaptığı alaşımlarla istenen özellikler kazandırılan demir çok geniş bir kullanım alanına sahiptir DEMİR FİLİZLERİ Doğada demire sahip pek çok filiz vardır. Ancak demir, içerisindeki demir miktarı ve elde etme kolaylıkları bakımından en çok Hematit, Limonit, Siderit ve Pirit den elde edilmektedir Hematit Kimyasal bileşimi Fe2O3 demir oranı %70 civarında olan, dünya demir üretiminin en fazla yapıldığı filizdir Magnetit Kimyasal bileşimi Fe3O4 demir oranı %72,4 olan rengi kurşuniden siyaha kadar değişen bir filizdir. İçerisindeki demir oranı hematite göre daha fazla olmasına rağmen mıknatıslanma özelliği nedeniyle ergitilmesi sırasında sorun yarattığı için demir üretiminde çok fazla tercih edilmemektedir Limonit Kimyasal bileşimi 2Fe2O3xH2O - Fe2O3 3 H2O3, demir üretiminde hematitten sonra en çok kullanılan, içerisindeki demir oranı %50-60 olan demir filizidir Siderit Kimyasal bileşimi FeCO3 demir oranı %48,2 olan demir karbonatlı filizdir. Temel maddeleri demir ve nikel olan bu filiz göktaşı olarak da bilinir. İçerisinde bulunan karbonat bileşimi nedeniyle demir üretimi sırasında fazla kireç taşı gerektirmemesi nedeniyle üretimi ekonomik hale getirir Pirit Kimyasal bileşimi FeS3 demir oranı %46,6 olan kükürtlü demir filizidir. İçerisindeki kükürt nedeniyle çelik üretiminde kırılganlık özelliği kazandırması nedeniyle demir üretiminde en son sırada tercih edilen filizdir.