1. MALZEMELER VE ÖZELLİKLERİNİN MALZEME SEÇİMİNDEKİ ÖNEMİ. Mühendislik Malzeme Aile sini aşağıdaki gibi bir arada toplayabiliriz.

Transkript

1 1. MALZEMELER VE ÖZELLİKLERİNİN MALZEME SEÇİMİNDEKİ ÖNEMİ Mühendislik Malzeme Aile sini aşağıdaki gibi bir arada toplayabiliriz.

2 1.1 METALLER Genel olarak metaller deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir. Çelikler Dökme demirler Al ve alaşımları Cu ve alaşımları Zn ve alaşımları Ti ve alaşımları Mg ve alaşımları

3 Aynı veya benzer tür atomların karışımından meydana gelen metallerde metalik bağ vardır. Kütle içinde bulunan serbest elektronlar nedeni ile termal ve elektriksel iletkenlikleri yüksektir. Serbest elektronlar üzerlerine düşen ışığı yansıtırlar. Bu nedenle saydam olamazlar. Metaller parlatılarak yansıtıcı (reflektör) olarak kullanılmaya elverişlidirler. Koordinasyon sayıları büyük olduğundan (KS < 8) özgül ağırlıkları yüksektir, genellikle 7 gr/cm 3 den fazladır. Sürekli elektron bulutu içinde bulunan atomların çevreleri benzerdirler ve kuvvet etkisinde yer değiştirebilirler. Dolayısıyla metaller, genellikle plastik şekil değiştirme yeteneğine sahiptirler. Metallerin elastisite modülleri ve mukavemetleri nispeten yüksektir. Saf halde iken çoğu metal sünektir ve kolayca deforme edilebilirler. Ayrıca alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemle sertlik ve mukavemetleri arttırılabilir. Bazı yüksek mukavemetli alaşımların süneklikleri %1 in bile altındadır (yay çelikleri gibi). Bu gibi alaşımlar uzayarak şekil değiştirmeksizin kırılan gevrek malzemelerdir. Ama metallerin çoğu kırılmazdan önce oldukça fazla miktarda kalıcı şekil değişimine maruz kalırlar ki bunlar da tok malzemelerdir.

4 Metallerin genel özellikleri aşağıdaki gibidir. Korozyona dirençleri düşüktür Yüksek sıcaklıklarda sürünme ye uğrarlar Her metal malzemenin kendine has özelliği var dır. Yüksek muk. çeliklerin süneklilikleri %1 e bile iner. Ama gene de kafi süneklilik var demektir. E değeri yüksek Safken kolay def. olurlar Alaşımlama, mekanik işlem, ısıl işlem ile güçlendirilirler

5

6 1.2 SERAMİKLER Genel olarak seramik deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir. Alumina Silicon carbides Silicon Nitrides Zirkonya Silisyum karbür

7 Seramikler, metal ve metal olmayan elementlerin oluşturduğu iyonik bileşiklerdir. Elektropozitif elementler (Na, Mg, Fe, Al gibi), elektronegatif elementlerle (Cl, O gibi) kolaylıkla iyonik bağ kurarak (NaCI, MgO, Fe 2 O 3, SiO 2, gibi) çok çeşitli türde seramik bileşik meydana getirirler. Koordinasyon sayıları çoğunlukla 6, bazılarında ise 4 tür. Çoğunlukla kristalli ve kısmen de amorf yapıda (camlar) bulunurlar. Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasında olup çoğunlukla 2-3 ton/m3 arasındadır. Seramiklerin, plastik deformasyon kabiliyetleri yoktur. Sert ve gevrektirler. Yüksek sertlikleri dolayısıyla Al 2 O 3, TiC, WC, SiC gibi bileşikler aşındırıcı (abrazif) olarak kullanılırlar. Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri ise düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda, yalıtım malzemesi (refrakter malzeme) olarak kullanılırlar. Bazıları saydamdır, ışığı kötü yansıtırlar.

8 Çekme mukavemetleri oldukça düşük olmakla beraber çoğunlukla basma mukavemetleri yüksektir. Basma mukavemetleri kimi seramiklerde çekme mukavemetlerinin 15 katı kadar olabilir. Dış etkilere karşı dayanımları yani korozyon dirençleri çok yüksektir. Beton, fayans, tuğla, kiremit gibi seramik malzemeler yapılırda büyük ölçüde kullanılırlar. Ayrıca ileri teknoloji seramikleri diye adlandırılan saf oksitler, karbürler, silisitler ve nitrürler üstün mekanik özellikleri nedeni ile son yıllarda büyük önem kazanmışlardır. Bu ileri teknoloji seramikleri, uzay ve havacılık sanayiinde, kesici takım malzemelerinde, elektronik sanayiinde, implant malzeme endüstrisinde, optik endüstrisinde, nükleer reaktörlerde, vs. gibi pek çok sahada kullanılmaktadır.

9 Zirkonya Porselen Çini SiC kesme diski Silisyun Nitrür bilye Alümina ürünler Alümina femur başı Porselen diş Fiber optik kablo 12 Mart / 45

10 Seramiklerin genel özellikleri aşağıdaki gibidir. Seramikleri metaller gibi dizayn etmek kolay değildir Seramikler aşınmaya karşı dirençlidir, yüksek sıcaklığa kadar mukavemetlerini korurlar Delik, çatlak vs. süreksizlikler veya klips gibi tutma noktalarında fazla zorlanamazlar Süneklikleri yoktur. E modülleri çok yüksek Metaller gibi sünek değil, gevrektirler Çekme mukavemetleri zayıf, gevrek kırılırlar Basma mukavemetleri Çekmenin 15 katı kadardır

11 1.3 CAMLAR Genel olarak cam deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir. Cam lar, kristalin olmayan, amorf yapıdaki katı seramiklerdir. Soda glass Borosilicate glass Silica glass Glass Ceramics

12 Camlar, kristal yapılı olmayan katılardır. Seramik malzemelerin epey bir kısmını bunlar oluşturur. Sodakireç camı, bor-silikat camı (borcam) gibi pek çok çeşitleri ve buna bağlı olarak pek çok kullanım alanı vardır. Metallerde cam olarak katılaştırılabilir. Eğer metaller, yeteri kadar hızlı bir şekilde soğutulabilirlerse onlar da kristal yapı oluşturamadan katılaşıp metalik cam haline gelebilirler. O takdirde bu amorf yapı, metallerin sahip oldukları plastiklik özelliğini ortadan kaldırır ve onlarda seramikler gibi sert ve gevrek hale gelirler ki o zaman küçük gerilmelerde bile kırılabilirler.

13 Camların genel özellikleri aşağıdaki gibidir. Cam akışkan bir malzemedir, ancak, akış süresi uzun olup görmeye insan ömrü yetmez Adi camın ana maddesi silis yumdur. Bu bileşime (kum-soda-kireç) katılır Camlar, katılar kadar belirgin ergime sıcaklığı olmayan, sıvı davranış sergileyen katı fazdır Temperleme yapı lan cam,kırılma ve ısıya karşı 4-5 kat dayanıklı olur Cam, elmasla, CNC ile, pürmüz ısıl kesimle kesilir

14 1.4 POLİMERLER Genel olarak polimer deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir. PE PP PET Polyster Phenolics Epoxy

15 Polimerler üretiminin bir aşamasında, plastik olarak kolayca biçimlendirildiklerinden bunlara plastikler de denir. Plastik; polimer hammaddesinin gerek şekillendirme aşamasında gerekse kullanım esnasında bir takım özelliklere sahip olması için bazı katkı maddeleri (Plastikleştiriciler, yağlayıcılar, renk vericiler, UV stabilizatörü vs.) ile karıştırılıp, uygun bir yöntemle şekillendirme sonrası elde edilen ürüne denir. Bunlar moleküllerden oluşurlar. Periyodik cetvelin sağ üst köşesinde bulunan bazı metalik olmayan elementler (C, H, N, O, F, Cl, gibi) komşuları ile valans elektronlarını paylaşma eğilimi gösterirler. Böylece birbirlerine kovalent bağlarla eklenerek zincir tarzında büyük moleküller meydana getirirler. Tabiatta tek başına bulunabilen Monomer olarak adlandırılan basit organik moleküllerin, birbirleriyle Polimerizasyon denilen uç uca eklenme reaksiyonuyla zincir yapısı oluştururlar. Reaksiyon şartlarının uygunluğu nisbetinde zincirde yer alan molekül sayısı lere kadar çıkar. Monomer iken gaz halindeki madde, polimerizasyonun ilerlemesi ile çnce sıvılaşır, sonra mumsu bir hal kazanır, daha sonra ise katı bir madde halini alır. Polimerizasyon daha da devam ederse o zaman daha sert, rijit polimerler elde edilir.

16 Tabiatta tek başına bulunabilen Monomer olarak adlandırılan basit organik moleküllerin, birbirleriyle Polimerizasyon denilen uç uca eklenme reaksiyonuyla zincir yapısı oluştururlar. Reaksiyon şartlarının uygunluğu nisbetinde zincirde yer alan molekül sayısı lere kadar çıkar. Monomer iken gaz halindeki madde, polimerizasyonun ilerlemesi ile önce sıvılaşır, sonra mumsu bir hal kazanır, daha sonra ise katı bir madde halini alır. Polimerizasyon daha da devam ederse o zaman daha sert, rijit polimerler elde edilir.

17 Lineer ve Dallanmış yapı termoplastiklerde olur. Karşılıklı bağlı denilen vulkanize yapı ise elastomerlerde görülür. Elastomerler de aslında lineer-düz zincir yapılı polimerlerin birbirlerine karşılıklı olarak kimyasal bağlarla bağlanması yoluyla üretilir. Zincirlerin birbirlerine kükürt kullanılarak karşılıklı bağlanmasına Vulkanizasyon denir. Uzay ağı denilen network yapı ise termoset denilen plastiklerde görülür.

18 Polimerler atomik bağların sürekliliği ve atomların dizilişi yönünden iki ayrı tür yapıya sahiptirler. Birinci türde kovalent bağlı molekül birimleri (mer) zincir şeklindedir ve komşu molekül zincirleri ile aralarında zayıf Van der Waals bağları vardır. Bunlara lineer düz zincir yapılı polimerler denir. Yüksek sıcaklıkta bu zayıf bağlar kolaylıkla kopar ve polimer yumuşar. Bu durumda kalıp içini doldurarak kolayca biçim verilir. Soğuma suresinde zayıf yan bağlar tekrar oluşur ve kütle sertleşir, tekrar ısıtılırsa benzer şekilde yumuşar. Bu özelliği nedeniyle lineer polimerlere Termoplastikler denir. Bu tür plastikler genellikle yük altında kolay şekil değiştirirler ve mukavemetleri düşüktür.

19 İkinci tür yapıya sahip polimerlerde kovalent bağ, sürekli bir ağ oluşturur ve bunlara uzay ağı polimerleri, network, karşılıklı bağlı veya üç boyutlu polimerler denir. Üretim suresinde meydana gelen sürekli kovalent bağ şekil değiştirmeyi çok kısıtlar, bu nedenle genellikle sert ve gevrek olurlar. Ancak üretimin belirli bir aşamasında viskoz bir kıvamda iken, kalıba doldurularak biçim verilir. Üretim sırasında ısının etkisiyle oluşan kuvvetli bağların sayısı çoğalırsa sertlik artar, polimerizasyon denen moleküllerin birbirlerine kovalent bağlarla bağlanmaları reaksiyonu tamamlandıktan sonra ısının etkisi kalmaz, sıcaklık arttırılsa dahi yumuşama olmaz. Ancak aşırı sıcaklık kavrulmaya ve kovalent bağların bozunmasına neden olur. Böyle bir malzeme kömürleşerek ufalanır ve eski sertlik ve mukavemeti de kalmaz. Karşılıklı bağlar bir kez oluşup da plastik ürün soğuyunca sertlik korunur tekrar ısıtılırsa yumuşama oluşmaz. Bu polimerlere Termoset plastikler denir ve bunların tekrar kullanılmaları mümkün değildir.

20 Polimerlerde koordinasyon sayısı küçüktür (KS<4), dolayısıyla özgül ağırlıkları da düşüktür (<2,2 gr/cm3). Isıl ve elektriksel iletkenlikleri çok düşüktür çünkü kovalent bağlıdırlar ve genellikle yalıtkan olarak kullanılırlar (Atomlarının son yörüngelerinde serbest elektronları olmadığından). Saydam olabilirler ışığı iyi yansıtmazlar. Çoğu polimerlerin elastisite modülleri metallerinkinden yaklaşık 50 kez daha düşüktür. Fakat bazı polimerlerin modülleri ise metallerinki kadar yüksektir. Lineer polimerler, sünek olabilirler, buna karşın uzay ağı polimerleri gevrektir. Termoplastikler sürünmeye maruz kalırlar. Yani yük altında iken oda sıcaklığı gibi çok düşük sıcaklıklarda bile kalıcı şekil değişimine maruz kalırlar. Bu yüzden özellikleri kullanım sıcaklığına bağlıdır. Mesela, 20 C de esnek olan bir plastik ürün, buzdolabında 4C de gevrek iken, 100 C deki suya koyduğumuzda ise sürünmeye uğrar ve şekli deforme olabilir. Çok azı 200 C nin üzerinde iken kabul edilebilir bir mukavemeti vardır. Bazı polimerler kristal yapılı iken bazıları amorf yapılıdır. Amorf yapılı polimerler saydam yapılıdır.

21 Polimerlerin genel özellikleri aşağıdaki gibidir. Doğal kauçuk, pamuk, ipek, yün, amyant birer doğal polimerdir. Polietilen, poliproplen, polyesterler, poliamidler,sentetik polimer lerdir. Küçük moleküllü maddeler sıvı ve gaz iken polimerler katıdırlar Küçük moleküllerin kristalleşmesi kolay, polimerlerin ki çok zor Küçük moleküllüler çözücülerde kolay çözünür,polimerler zor çözünür,şişer, hacmi 1000 kat artar Küçük moleküllerin çözeltileri şeffaf, polimerlerde ise ışık dağılır

22 1.5 ELASTOMERLER Genel olarak elastomer deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir. Elastomer, elastiklik özelliğine sahip bir polimerdir Isoprene Neoprene Butly rubber Natural rubber Silikon E.V.A.

23 Elastomerler, cam geçiş sıcaklığının (Tg) üzerinde uzun zincirli polimerlerdir. Cam geçiş sıcaklığının altında polimer zincirlerini birbirine bağlayan karşılıklı bağlar sağlam kalır fakat zincirleri birbirine bağlayan zayıf Van der Walls ve hidrojen bağları etkisiz hale gelirler. Bu ise elastomerlerin çok önemli bir özelliğidir ki 10-3 GPa olan elastik modülleri (Metallerin tipik modüllerinden yaklaşık 10 5 kez daha küçüktür) sıcaklık arttıkça artar ve muazzam bir elastik uzamaya (% 1200 e kadar) sahip olur. Halbuki bu durum, diğer bütün katılarda tam tersidir, yani sıcaklık arttıkça modül azalır. Termoset plastiklerin geri dönüşümü çok düşük oranda varsa da bu tekrar elastomer olarak değil farklı sektörlerde olmaktadır.

24 Elastomerlerin genel özellikleri aşağıdaki gibidir. camsı bölge sıcaklıklarında ve üzerinde dahi çalışabilen amorf yapıdaki polimerlerdir Vulkanize kauçuğun özellikleri büyük ölçüde çapraz bağlanma şekline ve yoğunluğuna bağlıdır.( S ile) Kauçuk, çapraz bağlanmamış ama,bağlanabilme özelliğine sahip (vulkanize ile) polimerdir contalar, yapıştırıcılar, lastikler elastomerlerin kullanım yerleridir Polimerlerin seyrek ve çapraz bağlanması ile oluşan ağ yapılarıdır.e modülü metallerden 105 daha azdır.

25 1.6 HİBRİDLER Genel olarak hibrid malzeme deyince kullanım yerlerine göre aşağıdaki malzemeler akla gelir Kompozitler Sandwich yapı Lattice yapı köpük Laminate

26 Kompozit Malzemeler Sert Metal-Freze bıçağı Al-PE tabaka yapılı Fiber takviyeli epoksi oto kaporta Fren balatası Çeşitli levhalar PC- PS Çelik Yelek Oto lastik kesiti

27 İki veya daha fazla malzemenin, belirli şekil ve oranlarda makro ölçekte bir araya gelmesiyle oluşan malzeme kombinasyonlarına Kompozit (Karma) Malzemeler denir. Bu malzemelerde yapı bileşenleri; matriks, fiber, partikül, pul, tabaka ve iskeletdir. Matriks malzemesi; metal, seramik ve polimer olabilir. Fiber ve partikül takviyeli kompozitler çok yaygındır. Takviye fazı olarak; karbon, cam, aramid ile SiC, B4C, Al2O3, TiC gibi bir çok seramik bileşikler kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler ile daha rijit, yüksek sıcaklığa dayanıklı, daha hafif daha tok malzemeler elde edilebilmektedir.

28 Karma Malzemelerin genel özellikleri aşağıdaki gibidir. Hibridler pahalıdırlar, şekil verilmeleri zordur, birleştirmeleri zordur. Ağaç, kemik, deri, yaprak gibi malzemeler tabii hibrid malzemelerdir. Yüksek performansları nedeniyle önemleri her geçen gün artmaktadır Polimer matrix e cam elyaf, karbon elyaf ve kevlar (aramid) takviyeli malzemelerdir. Kompozitler, hafif, katı ve güçlü aynı zamanda tok malzemelerdir. Hibrid malzemelerden birisi polimer olduğunda 2500 C sıcaklıktan daha yüksekte çalışması zor, ancak oda sıcaklığında süper özellikleri vardır.

29 Tasarımda özellik bilgisinin yeri Malzeme bilgisinin çeşitleri: Bu şemanın merkezinde dizaynın sağlaması gerekli olan (izin verilenler) veriler ve ilgili malzemenin şekillendirilmesi için gerekli olan karakteristikler, kullanımı sırasında ortaya çıkan durumlar ve kullanımı için dizayn rehberi yer alır.

30 Dizayn sınırlayıcı bazı malzeme özellikleri ve onların sembol ve birimleri

31

32

33 2. TÜM MALZEMELERDE GÖRÜLEN ÖZELLİKLER Aşağıdaki tablo da kullanılan malzemelerin genel, mekanik, termal, elektrik, optik ve çevresel özellikleri, sembolleri ve birimleri gösterilmiştir.

34

35

36