MAL 201 MALZEME BİLİMİ. Prof. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU (Şubat 2012)

Transkript

1 MAL 201 MALZEME BİLİMİ Prof. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU (Şubat 2012)

2 MAL 201: Malzeme Bilimi CRN: Öğretim Üyesi: Prof. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU Zaman: Salı: Sınıf: A201 Ders kitabı: "Introduction to Materials Science for Engineers", James F. Shackelford, McMillan Pub. Co.

3 DERSİN AMACI 1. Malzeme Biliminin mühendislik uygulamaları açısından önemini kavratmak 2. Malzemeleri, özelliklerini ve yapıları ile üretim süreçlerini öğretmek ve bunlar arasındaki kuvvetli ilişkilerin malzeme performansı üzerindeki etkilerini anlatmak. 3. Malzeme bilimi bilgisini kullanarak malzeme seçimi ve tasarımı yapabilmenin önemini kavratmak.

4 DERSİN KAZANDIRACAĞI BİLGİ ve BECERİLER 1. Kimyasal bileşim ve atomik bağ bilgileri ile malzemelerin özellikleri arasındaki ilişkileri kurabilir. 2. Düzenli ve düzensiz kristal yapıları ve aralarındaki farkları anlar ve kristal yapılardaki Bravais kafesleri ve Miller indekslerini tanımlayabilir 3. Kristal hatalarının malzeme özelliklerine etkilerini anlar. Mekanik özellikleri belirleme yöntemlerini bilir. 4. Yayınma kavramını, yayınma kanunlarını ve malzeme özellikleri üzerindeki etkisini bilir. 5. Faz kavramı ve faz diyagramlarının önemini kavrar ve kullanmasını bilir. 6. Demir-çelik demir dışı alaşım sistemlerini sınıflandırılabilir. Polimer ve seramik malzemelerin özelliklerini bilir. 7. Malzemelere mukavemet kazandırma mekanizmalarını anlar; faz dönüşümlerinin ve ısıl işlem süreçlerinin malzeme özellikleri üzerindeki etkisini bilir. 8. Malzemelerin ısıl ve elektriksel özelliklerini anlar, malzeme yapısı ile ilişkilendirebilir. 9. Korozyonun ve korunma yöntemlerinin önemini bilir.

5

6

7 FİNAL ŞARTI: Yıl sonu değerlendirme Derslere en az %70 Devam Etmek Ödevler (en az 4 ödev): 10% Kısa sınavlar (en az 10 ortalaması): 15% Vize #1: 15% Vize #2: 15% Final: 45%

8 MALZEME TÜRLERİ ve MALZEME SEÇİMİ

9 Malzeme ne demektir? Mühendislik ürünlerinin(örn. saç,pencere camı, tuğla,cıvata) ve sistemlerinin(örn. otomobil,gemi, uçak) imalinde kullanılan ve istenen mekanik ve/veya kimyasal ve/veya fiziksel özelliklere sahip katılara malzeme adı verilir.

10 Malzeme Biliminin amacı nedir? Malzemelerin içyapısını tanıtmak, içyapı ile özellikler arasındaki ilişkiyi araştırmak, ve bu şekilde geliştirilen temel ilkeler ve kavramlar ışığında, uygulamada kullanılan malzeme türlerini sınıflandırmaktır. Malzemeye uygulanan işlem malzemenin içyapısı malzemenin özellikleri

11 Malzeme türleri 1.Metaller 2.Seramikler 3.Polimerler(Plastikler) 4.Kompozitler(Karma malzemeler) 5.Yarı iletkenler

12

13 Proses, yapı, özellik ve performans ilişkisi Proses Yapı Özellik Performans

14 Atomaltı seviyede: Elektronlar, çekirdeği oluşturan protonlar / nötronlar ve bunların etkileşimi, 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Atomik seviyede: Atomların belirli bir düzende dizilmeleri ve atomlar arası bağlar, Atomic Structure Figure 2.8 The atomic structure of sodium, atomic number 11, showing the electrons in the K, L, and M quantum shells. Mikroskopik seviyede: Mikroskop kullanılarak incelenen mikroyapı (tanecik boyutu ve şekli vs.) Crystal Structure Makroskopik seviyede: Gözle görülebilen 2 makro yapı, Microstructure Malzemelerin Yapısı 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Macrostructure

15 Malzeme özellikleri & Performans Özellik: Belirli bir etkiye karşı verilen cevap: Mekanik özellikler: Dayanım, gevreklik, süneklik, tokluk, yorulma, sürünme, vs. Fiziksel özellikler: iletkenlik, ısıl özellikleri, özgül ağırlık, optik özellikleri (şeffaflık), vs Kimyasal özellikler : Bileşimi, ortamdan etkilenmesikorozyon, oksidasyon, vs. Performans: Herhangi bir ortamda istenilen fonksiyonları yerine getirebilmesi.

16 Yapı özellik ilişkileri Değişik malzemelerin kendilerine özgü özellik ve davranışlarını anlamak için, bunların atomsal ölçekteki yapılarını ve mikroyapılarını tanımak çok önemlidir.bu sayede her malzeme grubuna ait karakteristik özelliklerin ya atomsal ve/veya mikroskopik ölçekteki (içyapı) yapısal özellik veya mekanizmalardan kaynaklandığı görülecektir.

17 ÖRNEK 1 Alüminyum sünek(kalıcı şekil değiştirebilir), magnezyum gevrek (kırılgan) özellik gösterir.neden? Kalıcı şekil değiştirme, kristal yapılı malzemelerde kayma ile oluşur.kristalde kayma sistemi sayısı ne kadar fazla ise kristal o kadar kolay kayar,yani kalıcı şekil değiştirebilir. Alüminyumun kayma sistemi sayısı 12 iken magnezyumun kayma sistemi sayısı 3 tür.bu nedenle magnezyum kolay şekil değiştiremez, yani kırılgandır.

18

19 ÖRNEK 2 Saydam seramikler nasıl oluşur? Seramikler genellikle kristal yapılı tozların, yüksek sıcaklıkta pişirilmesiyle elde edilir. Burada amaç, yapıyı gözeneksiz hale getirmektir (bu ayrıca yüksek mukavemetli bir yapı da sağlar). Ancak tam anlamıyla gözeneksiz bir yapı elde edilemez.malzeme içine gönderilen ışık demeti bu gözeneklerde saçılacağından malzeme saydam değildir (Sadece %0,3 gözenek bulunması bile malzemeyi opak yapar)

20 Uygun katkılar ile bu gözeneklerin giderilmesi mümkün olmuş ve saydam seramikler elde edilmiştir.böylelikle 1000 o C sıcaklıklara çıkan sodyum lambaları imal edilebilmiştir(şekil).

21 Seramik Al 2 O 3 (Alumina) Opak Saydam Gözenek içeriyor Gözeneksiz yapı

22 Saydam alumina (içinde sodyum buharı var) Cam tüp

23 Malzeme seçimi Bir uygulama için gerekli malzemeyi çok sayıda malzeme arasından nasıl seçeceğiz? 1.Kullanılacak malzeme hangi gruptan olmalıdır(metal,seramik, plastik,kompozit )? 2.Belirli bir grupta karar kılındıktan sonra bu grup içindeki en uygun malzeme seçilmeli. ÖRNEK İçinde 14 Mpa basınçta gaz bulunacak bir gaz tüpü için malzeme seçimi:

24 Böyle bir seçimde malzemeden ne tür özellikler beklediğimizi sıralamamız gerekir: 1.Tüpün içinde yüksek basınç var.;malzeme mukavemetli olmalı.bu şartı metaller, seramikler ve kompozitler sağlayabilir. 2.Tüp darbelere karşı dirençli olmalı yani kırılgan olmamalı (Sünek olmalı).seramik malzeme bu şartı sağlamaz, metal veya kompozit kullanılmalı. 3.Malzemenin maliyeti makul düzeyde olmalı (Aksi takdirde rakiplerinizle rekabet edemezsiniz). Kompozitler pahalıdır.bu nedenle metal tercih edilmeli.

25 Mukavemet, süneklik ve maliyet açısından en uygun malzeme grubu:metaller

26

27 Aynı gaz tüpü uçakta kullanılacaksa durum değişir mi? Evet. Çünkü uçakta mukavemet ve süneklikle birlikte hafiflik istenir. Mukavemet ve süneklik bakımından tercih edilen malzeme grupları yine metaller ve kompozitler olur. Ancak kompozitler metallerden daha hafif olduğu için bu defa seçim kompozit malzeme grubudur.

28 Kompozit malzeme grubu en uygun seçim.

29

30 Industries that Heavily Rely on Material Technology Jet uçakları: Hafif ve yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler Otomobiller: Hafiflik ve ucuzluk Bilgisayar: Yüksek hızda işlem ve bilgi-depolama özelliği, Spor malzemeleri: Hafiflik, estetik

31 Yiyecek ve içecek uygulamaları için Dekoratif Folyo Kese Gıda : aranan özelliklerdir. yüksek korozyon direnci, yeterli dayanım, sızdırmazlık, kolay şekillendirilebilirlik 1XXX saf aluminyumu. Özellikleri; Kolay şekil verilebilirlik, korozyona karşı dayanım, elektrik iletkenliği. Elektrik, ve kimyasal uygulamalar için elverişli. yüksek dayanım aranan uygulamalara elverişli değil.. 1XXX; bu uygulamada kullanılabilir.

32 ATOMSAL YAPI ve ATOMLARARASI BAĞLAR

33 Atom Çekirdek Nötron (yüksüz) Proton (+yüklü x coulomb) Elektron (-yüklü x coulomb) BOHR Gezegen modeli Scanning Tunnelling Microscope Atom yapısını şematize edebilmek için, yetersiz olmakla birlikte BOHR modelinden istifade edilir. Burada elektronlar çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngelerde (enerji seviyelerinde) dönerler. Elektronlar yüksek enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine atladığında radyasyon yayarlar. Düşük enerji seviyesinden yüksek bir enerji seviyesine geçtiklerinde ise belirli bir radyasyon enerjisi absorplarlar (yutarlar).

34 En = - (13,6. Z 2 / n 2 ) ev (BOHR Denklemi) Hidrojen atomunun elektronunu temel durumdan ( E1, yani n=1) ayırarak; E 3 enerji düzeyine getirmek için dışardan ne kadar enerji verilmesi gerekir: Z = 1 (Hidrojen 1 protona sahiptir). DE = E 3 - E 1 = - (13, / 3 2 ) (-(13, / 1 2 )) = 12,1 ev Tersi durumda ise söz konusu enerji Elektromanyetik dalga halinde açığa çıkar. DE = h n = h (C/l) n: Enerji Frekansı h: Planck Sabiti (6, J.s) l: Dalga boyu; C: Işık hızı Günümüzde esas olan teoride ise Dalga Mekaniği geçerlidir. Burada elektronların kesin yörüngeleri yoktur, sadece belirli noktalardan geçme olasılıkları hesaplanır. Ayrıca elektronlar hem parçacık hem de dalga özelliği gösterirler bu DUALİTE prensibi olarak tanımlanır. Her iki teoride de elektronların sadece belirli değerlerde enerjilere sahip olabileceğini (kuantumlaşma) ve bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunabileceğini (PAULİ prensibi) ve bu iki elektronun karşıt dönmelere sahip olduğunu kabul edilmektedir. Birbirine yakın olan enerji düzeyleri bir ALT KABUĞU, birbirine yakın olan alt kabuklarda bir ANA KABUĞU oluştururlar. Ana kabuklar: n = 1,2,3,4,.. (Ana kuantum sayıları) Alt kabuklar: s,p,d,f,g,. ( Tali yardımcı- kuantum sayıları)

35 Elektronun kütlesi = x g (protonun 1/1000 i) Dualite özelliği gösterirler. Dalga özelliği Parçaçık özelliği Elektronlar çekirdek etrafında yörünge-orbital lerde dönerler. Bu yörüngeler farklı mesafelerde bulunur ve Ana quantum sayıları (1,2,3..) ile ifade edilir. Ana kabuklar içerisinde alt kabuklar (s, p, d, f,..) vardır. 1 Nolu Ana Kabukta 1 Alt Enerji Seviyesi (s); 2 Nolu Ana Kabukta 2 Alt Enerji Seviyesi (s, p); 3 Nolu Ana Kabukta 3 Alt Enerji Seviyesi (s, p ve d); 4 Nolu Ana Kabukta 4 Alt Enerji Seviyesi (s, p, d ve f); Maksimum Elektron sayıları: s=2, p=6, d=10, f=14... Elektronlar en alt kabuktan başlayarak sırayla kabukları doldururlar.

36 Belirli enerji düzeyine sahip olan elektronlar, önce en düşük enerji düzeyini doldururlar. Bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların eksenleri etrafında dönme yönleri zıttır. Enerji düzeylerinin değerleri ve ardışık sıraları kuantum mekaniği kurallarına göre (Schrödinger dalga denklemine çözüm veren ardışık olası enerji düzeyleri) belirir. Bir enerji düzeyinde bulunan bir elektrona yeterli enerji verilirse, boş bir üst enerji düzeyine atlayabilir. Ancak burada kararsızdır. Ve almış olduğu DE enerjiyi elektromanyetik radyasyon halinde çevreye saçarak enerjisinin minimum olduğu düzeye tekrar iner. DE = hn n: Enerji Frekansı h: Planck Sabiti (6, J.s) C = ln l: Dalga boyu; C: Işık hızı DE = hc/ l Bir başka teoriye göre DE enerjisinin; m = DE/C 2 kütlesine sahip foton denilen bir parçacık tarafından yayıldığı varsayılır. Buna göre enerjinin bazı olaylarda dalga hareketi ile yayıldığı, bazı olaylarda ise m kütleli parçacıklar veya fotonlar tarafından yayıldığı varsayımlarını kullanmak olayların açıklanmasında çok yararlı olmaktadır.

37 Ana kabuklarda bulunacak maksimum alt kabuklar (1. Ana kabuk = s; 2. Ana kabuk = s,p; 3.Ana kabuk = s,p,d; 4. Ana kabuk = s,p,d,f; ) Alt kabuklarda bulunabilecek Maksimum elektron sayıları ( s=2; p=6; d=10; f=14; g=18,.) Elektronlar enerji seviyelerini 1s den başlayıp yukarıya doğru doldururlar. n = 1 de 1 s ; n = 2 de 2 s 2 p ; n = 3 de 3 s 3 p 3 d Kuantum sayısı arttıkça ve Alt kabuk s den uzaklaştıkça elektronu bağlayan enerji seviyesi düşer. Elektronun bu seviyeden uzaklaşması kolaylaşır. Enerji Seviyeleri gösterimi (Şematik)

38 Kuantum sayısı arttıkça ve Alt kabuk s den uzaklaştıkça elektronu bağlayan enerji seviyasi düşer. Elektronun bu seviyeden uzaklaşması kolaylaşır. 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 1 2p 3 Hibrit (hybridization): Daha simetrik dağılım. Elektron alışverişi en dış yörüngede daha kolay olur.

39 Örnekler: H Atom Numarası: Z = 1 Enerji seviyesi: 1s Li Atom Numarası: Z = 3 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 1 Ne Atom Numarası: Z = 10 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 K Atom Numarası: Z = 19 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 4s 1 (Burada 4s in enerjisi 3 d ninkinden biraz daha az olduğu için 3d boş kalmıştır). Bazende 3d nin kısmen dolu olduğu elementler söz konusudur. Bu elementlere GEÇİŞ ELEMENTİ denir. Bu elementlerin Ana ve Tali (Yardımcı) kuantum sayıları düzenli değildir. 3 tranzisyon (geçiş) elementi olan Vanadyum (Atom No:23); Demir (Atom No:26); Nikel (Atom No:28); in lektron durumlarını belirtiniz. V Atom Numarası: Z = 23 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 3 4s 2 Fe Atom Numarası: Z = 26 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 6 4s 2 Ni Atom Numarası: Z = 28 Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 8 4s 2 4s elektronlarının enerji seviyeleri 3d elektronlarınınkinden az ama onlara yakındır. Atom iyon haline geçtiğinde elektron durumu (elektron konfigürasyonu): Fe ++ Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 6 Fe +++ Enerji seviyesi: 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 5 Demir atomunun uyması beklenen ardışık kuvantum sayılar takımı; 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 olması gerekir. Ancak gerçekte 3 d kabuğunda bulunması gereken 8 elektrondan ikisi 4s düzeyine geçer bu durumda Fe nin (Atom numarası olup Nötr halde 26 Elektron) gerçek kuvantum sayıları: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 olur.

40 Aşağıda görüldüğü gibi 3d kabuğunda 4 enerji düzeyinde tek elektron vardır. Bunlar aynı yönde dönerler ve manyetik kutupları birbirine paraleldir. Dolayısıyla Fe atomları net bir manyetik kutuba sahiptir. Bu elektron yapısı Fe in yüksek manyetikliğe sahip olmasına yol açar. 3 d seviyesi En dış ana kabuktaki elektronlara VALANS elektronlar denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdır. Elementin kimyasal özelliklerini belirlemekte rol oynarlar. Bir ana kabukta 8 elektronun bir araya gelmesi yani p alt kabuğunun dolması halinde bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanırlar ve kapalı kabuk oluştururlar. Bu kurala OKTET KURAL ı denir.

41 En kararlı elementler Elektron hareketleri daima en kararlı hale ulaşmaya çalışır. En belirli bir quantum sayısının en dış yörüngesinde bulundurabileceği en fazla elektron bulundurması durumu Oktet olarak adlandırılır ve bu şekilde bulunan kabuğa kapalı kabuk denir. Bu tür elementlerin elektron alıp vermesi çok zordur. Bu elementlere Asal (soy) elementler denir, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn gibi.

42

43 Atomun yapısı (ÖZET) 1.Elektronlar bir çekirdek etrafında yörüngelerde bulunur. 2.Çekirdekte protonlar ve nötronlar vardır. 3.Proton ve nötronların her biri 1,66x10-24 g kütleye sahiptir.bu kütle bir birim (atomsal kütle birimi-amu-) olarak kabul edilir ve çekirdek kitlesi bu birimle ölçülür(c12 12 amu ne sahiptir.) 4. 1 g nötron veya protonda Avagadro sayısı kadar tanecik vardır*: 6, x10 23 adet. 5.Çekirdekte bulunan proton sayısı o atomun atom numarasıdır. 6.Aynı sayıda proton içeren, ancak nötron sayıları farklı olan atomlar izotop olarak adlandırılır. ( Co; 60 27Co). Böylece farklı nötronlardan dolayı aynı elementin değişik atomik kütle numaralarıyla karşılaşılabilir. 7.Verilen bir atomun kimyasal kimliğini çekirdekteki proton ve nötron sayısı,atomlar arası bağ karakterini ise elektron yapısı belirler. 8.Elektronların kütleleri çok küçük olmasına karşın her biri bir protonun ters işaretli elektrik yüküne sahiptir, ve bunlar çekirdek etrafında belirli sabit yörüngelerde bulunurlar. *Avagadrao sayısı kadar C12 atomu 12 g kütleye sahiptir.

44 ATOMLARARASI BAĞLAR

45 Her malzeme atomlardan oluşur. Bu atomlar bir araya geldiğinde bir birine bağlanmaları gerekir. Atomları bir arada tutan unsur atomlar arası bağ dır

46 Atomsal yapılar Malzemeler atomların bir araya gelmesi ile oluşur. Atomları bir arada tutan kuvvete atomlar arası bağ denir. Atom düzenleri 3 şekilde incelenebilir: Düzensiz yapı (amorph-orderless): Atom veya moleküllerin rastgele dizilmesi. Kısa aralıklı düzenli yapı (short range order): Küçük ölçekte düzenlilik. Uzun aralıklı düzenli yapı (long range order). Bütün hacimde düzenlilik; Kristal malzemeler (metaller, seramikler, kristal camlar, bazı polimerler.

47 Metaller kristal yapıya sahiptirler. Seramikler daha kompleks kristal yapıya sahiptirler. Camlar, kristal yapıya sahip değillerdir. Polimerler amorf veya kristal veya belli oranlarda iki yapıya birden sahip olabilirler.

48 Atomlar arası bağlar üç grupta incelenir: 1.Elektronlar aktarılır veya paylaşılır.bu şekilde kuvvetli atomlar arası bağlar oluşur (İyonik,kovolant, metalsel bağlar). 2.Atomlar arasında elektron aktarımı veya paylaşımı yoktur; atomlar veya moleküller arasında zayıf çekim kuvvetleri vardır (Van der Waals bağları). 3.Karışık bağlar;bu tür bağlar örneğin bazı polimerlerde olduğu gibi polimer zincirlerindeki kuvvetli kovalent bağ ve zincirler arasındaki zayıf Van der Waals bağları şeklinde olabilir.

49 Atomlar arası bağlar Kuvvetli bağlar (primary) İyonik Kovalent Metalsel Zayıf bağlar (secondary) Van der Waals Karışık Bağlar

50 Bağ enerjisi ve bağ türleri Bağ enerjisi, iki atomu birbirinden ayırmak için gereken enerjidir. Kuvvet-yol eğrisinin altında kalan alana eşittir. Kuvvet eğrisi enerji eğrisinin yola göre türevidir. Kuvvetin sıfır olduğu konum, atomlar arası itme ve çekme kuvvetlerinin eşit olduğu denge konumudur ve aynı zamanda enerji eğrisinin minimum olduğu konumdur. Atomlar arası denge mesafesi

51 Bağ enerjisinin ve bağ uzunluğunun tanımı Bağ enerjisi Bağ uzunluğu

52 Atomlar arası bağlar Komşu atomlar arasındaki bağlar en dış yörüngedeki elektronların (Valans elektronları) aktarılması (Transfer)veya ortak kullanımı ile gerçekleşir, yani atomların bağlanması elektronik bir olaydır.bunun dışında elektron aktarımı veya paylaşımı olmadan oluşan bağlar da vardır.örneğin dipol(iki farklı yük merkezi) oluşturan moleküllerin ters elektriksel yüklü uçlarının birbirlerini çekmeleri.bu tür bağlar zayıftır(ikincil bağlar).

53 İyonik bağ Bir atomdan diğerine elektron aktarımı ile oluşur. Bu bağlar elektron vermeye amade metallerle elektron almaya amade ametaller arasında oluşur.böylece oluşan pozetif metal iyonu ile negatif ametal iyonu birbirlerini elektriksel olarak çekerler. İyonik bağlarda bağ enerjisi bu nedenle çok yüksektir. Bu malzemeler katı halde elektriği iletmezler.ancak sıvı çözeltiler içinde bu iyonlar hareket edebildiklerinden elektrik iletimi olur.

54

55 -İyonik bağlı malzemeler, içinde (+) ve (-) yüklü iyonların belirli bir düzen içinde yerleştiği bir kristal yapı oluşturabilirler. -Örneğin NaCl molekülünde Na dan bir elektron Cl a aktarılır ve Na(+) katyonu ile Cl(-) aniyonu ortaya çıkar. -Bu iki zıt yükün birbirlerini çekmesiyle bağ oluşur. -Bu bağ yöne bağlı değildir.bu iyonlar birbirlerini her doğrultudan çekebilirler. -Şekilde bu iyonların üç boyutlu olarak nasıl istiflendiği görülmektedir. -Bu düzenleme maksimum sayıda karşı yüklü atomla komşuluk sağlanacak şekilde olmalıdır.burada her birine karşı atomdan 6 adet komşu düşmektedir (Koordinasyon sayısı).

56 İyonik kristal

57

58 Na(11) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Katyon Na + (10) 1s 2 2s 2 2p 6 Ne(10) Cl(17) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3P 5 Cl - (18) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3P 6 Anyon Ar(18)

59 Elektron alışverişi ile zıt yüklü iyonlar haline gelirler. Farklı yüklü iyonlar birbirini çeker. Coulomb çekim kuvveti iyonları birbirine bağlar. K F C 2 a Belirli bir yaklaşmadan sonra aynı yüklü çekirdekler birbirini iter. F T K F R le k o a/ ( Z q)( Z2 1 q q = 0.16 x C, ko = 9 x 10 9 Vm/C Toplam kuvvet FC FR 0 Denge durumu )

60 Çekme ve itme kuvvetlerinin eşit olduğu atomlar arası uzaklık(a o ), denge konumudur. Burada iyonlar birbirlerine temas eden sert kürecikler olarak düşünülmüştür. Atomların çapları katiyon haline geçince azalır, aniyon haline geçince artar.

61 Elastikli modülü Bağ enerjisi F de da Bağ enerjisi / bağ kuvveti arasında difransiyel bağıntı vardır. E f df da F a o de da r Na a o r Cl F T FC FR 0 Denge durumu

62 xkoordinasyon sayısı(ks) İyonik bağ yöne bağlı değildir. Örneğin NaCl kristalinde Na iyonu 6 Cl iyonu ile Cl iyonu da 6 Na iyonu ile çevrilmiştir. Yani her bir iyonun 6 komşusu vardır.buna koordinasyon sayısı adı verilir. İyonik bağlı kristallerde koordinasyon sayısını hesaplamak için küçük iyon gözönüne alınır ve bunun çevresine sığabilecek en fazla sayıdaki büyük iyon sayısı aranır. Bu sayı zıt yüklü iyonların yarıçap oranlarına (r/r) bağlı olarak değişir. Koordinasyon sayısı: Her hangi bir referans iyonu çevreleyen komşu iyon sayısı. NaCl için CN=6

63 Koordinasyon sayısı: yarıçap oranlarına bağlıdır. İyon yarıçaplarının oranına bağlı olarak koordinasyon sayısı

64 İyonik kristal

65 NaCl nin kristal yapısı - Cl + Na

66 En dış yörüngede valans elektronlarının ortaklaşması (paylaşımı) ile oluşur. Kovalent bağda yönlenme söz konusudur (directional). Elmasta, polimer zincirlerinin içerisinde görülen bağ çeşitidir Şekil 2-13: Cl 2 gazı için (a) (b) (c) (d) Kovalent bağ Gezegen modeli Gerçekteki elektron yoğunluğu, Elekton noktaları, Bağ çizgileri.

67 C nun yönlü kovalent bağları C nun kovalent bağlarla oluşturduğu dörtyüzlü(tetrahedron) yapı.bağlar arasındaki açı 109,5 o dir. Dikkat: Burada koordinasyon sayısı kuralı çalışmıyor! KS=12 olması gerekirken KS=4 tür.(y.çap oranı=1) Kovalent bağ Kovalent bağda- yönlenmeden doğan bağ açısı önemli bir faktör. Her bir C atomu 4 adet eşit uzunluğa sahip bağ oluşturma eğilimi gösterir. Bu durumda bağ açısı o.

68 Şekil 2-14: (a) Etilen molekülü (çift çizgi 2 e - ortak kullanımından doğan 2 kovalent bağı ifade eder) (b) 2 bağın tek bağa dönüşmesi ile polietilen polimerik molekül oluşur. Uzun zincirlerin 3 boyutlu hacmi dolduracak şekilde fleksibiliteye sahiptir. Zincirler arasında zayıf bağlar olduğu için düşük erime sıcaklığı söz konusu. Şekil 2-15: Polietilenin spagetti benzeri yapısı. C-C ve C-H kovalent bağlar.

69 Kovalent bağlı elmasın kristal yapısı (Mavi çizgiler kovalent bağları simgelemektedir) Elmas bilinen en sert malzeme. Erime sıcaklığı 3500 o C. CN = 4 r / R= 1 CN = 12 olmalıydı. Nedeni Sp3 hibritleşmesi ile kovalent bağın yönlenmesidir. Şekil 2-16: Elmasın 3D kovalent yapısı. CN = 4 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 1 2p 3 Şekil 2-17: SiO 4 4- tetrahedron. Si-O hem kovalent hem iyonik karakter gösterir. Bir çok ticari cam ve seramiklerde bulunur. r Si4+ / r O- =0.039/0.132=0.295 CN=4. Gerçekte de CN=4. Sebebi yarı iyonik yarı kovalent karakter göstermesidir.

70 Bağ kuvveti ve enerjisi iyonik ve kovalent bağlarda benzesede iyonik bağa ait denklemler uygulanamaz. Şekil 2-18: Bağ Enerjisi eğrisi: Bütün bağ çeşitleri için geçerli. Tablo 2-2: Kovalent bağlar için bağ enerjisi-bağ uzunluğu değerleri. Bağ uzunluğu ile enerji lineer değil.

71 Metalsel bağ Elektron paylaşımı içeren, ancak yönden bağımsız bir bağ türüdür. Burada valans elektronların konumu belirli değildir, çok sayıda iyon kristal kafes içinde valans elektronlarını ortak olarak kullanırlar (Elektron bulutu). + Metal iyonu -

72 En dış yörüngede 2, 3 veya 4 valans elektronu (IIa, IIIa, IVa) elementlerde görülür. Bu elektronlar bulut şeklinde yapı içerisinde hareket edebilirler. Bu sayede elektrik ve ısı iletimi kolaydır. Atomların istifi, iyonik bağda olduğu gibi, en verimli yerleşmeyi- en fazla komşu sayısını- sağlayacak şekilde olur. Bu nedenle büyük CN değerleri söz konusu.

73 Süblimasyon katıdan direkt olarak gaz fazına geçme anlamına gelir. Sublimasyon enerjisi, bağ enerjisi değerleri hakkında fikir verir.

74 Metalsel bağlı bazı malzemelerin(metaller) ve bunların oksitlerinin(seramik) buharlaşma ısıları * ** *1 mol Al Avagadro sayısı kadar Al atomu içerir. ** 1 mol FeO avagadro sayısı kadar Fe ve Avagadro sayısı kadar O atomu içerir.

75 Metalsel Bağ (Animasyon)

76 Van der Waals (İkincil) bağlar Elektron aktarımı veya paylaşımı yoktur. Her bir atom veya molekül birimi içindeki pozitif ve negatif yüklerin ayrı yük kutupları oluşturmaları (Dipol* =iki kutup) sonucu ortaya çıkar. Zıt kutuplar iyonik bağda olduğu gibi birbirlerini çeker.ancak bu bağ iyonik bağa nazaran zayıftır. Bu tür bağlar ; -Geçici dipollü (Örneğin Argon atomu) -Kalıcı dipollü (Örn. su molekülü) olarak ikiye ayrılır.kalıcı dipolle oluşturulan bağ daha kuvvetlidir. Di=Yunanca iki anlamına gelen önek Pol Polar= kutup kelimesinin kısaltılmış hali Bağ; atom veya moleküllerde pozitif veya negatif yüklerin asimetrik dağılımı ile oluşan baskın bölgeler arasında oluşur. Bu yük asimetrisine dipol adı verilir.

77 Ar, asal elementtir. e - alış verişi zordur. İki Ar atomu yanyana geldiğinde yüklerde küçük distorsiyon ile oluşan geçici dipol atomları bir birine düşük enerji ile bağlar (0.99 kj/mol) Şekil 2-22: Ar da dipol oluşumu ve bu sayede oluşan bağ. Bağ enerjisi kalıcı dipol olma durumunda daha büyüktür. Su molekülünde H-O kovalent bağı yönlenmeye sahiptir. Molekülde H bölgeleri (+) O bölgesi (-) davranır. Bu molekülde yükler arası mesafe ve yük daha büyük olduğu dipol momentide büyür ve bağ enerjisi artar (21 kj/mol) Polimer zinciri içerisinde C-C ve C-H bağları kovalent iken zincirler arasında yine van der Waals bağı söz konusudur. Bu nedenle karışık bağ yapısına sahiptir.

78 Kovalent bağlı zincirlerin oluşturduğu yapılarda (örneğin polimerler), bazı polimerlerin, zincirleri arasında zayıf van der Waals bağları mevcuttur.bu nedenle bu malzemelerin mukavemetleri ve erime sıcaklıkları düşüktür(zincirler birbirlerinden kolaylıkla ayrılır).

79 Su molekülleri arasındaki zayıf bağlar

80 Karışık bağlar Bu tür bağlar örneğin bazı polimerlerde olduğu gibi polimer zincirlerindeki (Pişmiş makarna gibi) kuvvetli kovalent bağ ve zincirler arasındaki zayıf Wan der Waals bağları şeklinde olabilir. Buna benzer bir yapı grafitte de mevcuttur; grafit levhalı bir yapıdır.levha düzleminde C atomları aralarında kuvvetli kovalent bağlarla bağlıyken, paralel levhalar arasındaki bağ ise zayıf Van der Waals bağlarıdır. Karışık bağlara diğer bir örnek ise, silikatların ve çoğu seramik ve camların temel yapı taşı olan (SiO 4 ) -4 dört yüzlüsüdür(tetrahedron).

81 Karışık bağa diğer bir örnek (SiO 4 ) -4 nin kristal yapısı (iyonik bağ +kovalent bağ) Bağ karakteri %50 iyonik(elektron aktarımı),%50 kovalent(elektron paylaşımı) dır.ancak iyonik karakter baskın olup iyon yarıçapları oranı 0,295 olduğundan KS=4 dür.

82 Tetrahedron yapısı

83

84 Elastik özellikler

85 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

86 Fiziksel özellikler

87 Özgül ağırlık: Kuvvetli bağlarda yüksek CN. Belli hacimde daha fazla atom miktarı. Elektrik iletkenliği. Yapıda bulunan serbest elektronlar tarafından sağlanır. SiC de metalsel + iyonik bağ. Elektrik iletimi sırasında ısınma olur bu nedenle ısıtıcı olarak kullanılabilir. Elastiklik modülü / dayanım / süneklik: Eğim ne kadar dik ise elastikli modülü o kadar büyüktür. Bağ ne kadar kuvvetli ise atomları bir birinden uzaklaştırmak veya koparmak o kadar zordur.dayanım o kadar büyüktür. Işık geçirgenliği: Işık elektronlar tarafında yansıtılır. Elektronların konumları sabit ise malzeme şeffaf olabilir. Metaller şeffaf değildir. Erime sıcaklığı: Erime olması atomsal bağların kopması anlamına gelir. Kuvvetli bağlara sahip malzemeler yüksek erime sıcaklığına sahiptir.

88 KRİSTAL YAPILAR

89 Malzemeler atomların biraraya gelmesiyle oluşur. Yapı içinde atomlar, atomlar arası bağ kuvvetleri ile birarada tutulur. Yapı içinde atomlar farklı şekillede birarada bulunabilir: 1.Kristal yapı 2.Amorf yapı Kristal yapı Burada atomlar üç boyutlu bir düzene göre dizilirler.

90 Kristal yapı(kristal kafes) olarak adlandırılan bu yapı, metallerde, seramiklerde, cam seramiklerde ve bazı polimerlerde görülür. Polimerlerin molekül yapıları karmaşık olduğundan, bu malzemelerde kristalleşme ancak yerel ve hacım olarak en fazla %50 oranında görülür. Kristal olmayan(amorf) yapılar Burada atom veya moleküller rastgele dizilirler(örn. Camlar).Bazı malzemelerde örneğin camlarda olduğu gibi kısa mesafede(örneğin moleküler mertebede) bir düzen mevcut olabilir.

91 Kristallerde birim hücre Üç boyutlu düzende sürekli olarak tekrar eden yapıya birim hücre adı verilir. Birim hücre kristal içinde tekrar eden yapıların en basitidir. Birim hücrelerin kenar uzunluklarına ve kenarlar arasındaki açılara kafes parametreleri adı verilir. Kristal kafes (lattice): Birim hücrelerin üç boyutta tekrarı ile meydana gelen düzendir. En genel haldeki birim hücre

92 Birim hücre tanımı Sürekli tekrar eden yapılar En basiti Birim hücre

93 Kristal kafes sistemleri Doğadaki bütün kristal malzemeler 7 farklı kristal sisteminden birisine uyarlar. 7 kristal sistemi

94 Kafes sistemleri Doğadaki bütün kristal malzemeler 7 farklı kristal sisteminden birisine uyarlar. Bütün 3D hacmi dolduran kafes sistemi sadece 7 adet kafes sisteminden biri olabilir. 1. Kübik 2. Tetragonal (kare prizma) 3. Ortorombik (dikdörtgen prizma) 4. Rhomohedral 5. Hegzagonal 6. Monoklinik 7. Triklinik

95 1. Basit Kübik Bravis Kafes sistemleri Atomların bu kafes sistemi içerisinde nasıl yerleştiklerini 14 adet Bravis kafes sistemi ifade eder. 2. Hacim Merkezli Kübik 3. Yüzey Merkezli Kübik 4. Basit Tetragonal 5. Hacim Merkezli Tetragonal 6. Basit Ortorombik 7. Hacim Merkezli Ortorombik 8. Taban Merkezli Ortorombik 9. Yüzey Merkezli Ortorombik 10. Basit Rombohedral 11. Basit Hegzagonal 12. Basit Monoklinik 13. Taban Merkezli Monoklinik 14. Triklinik

96 Atomlar her bir birim hücrede kafes noktalarında bulunur. Her bir birim kafes; kafes kenar ve eksenler arası açılarını içeren kafes parametreleri ile ifade edilir. Şekil 3.2: Birim hücre geometrisi

97 Aşağıdaki 5 farklı hücrenin 2 boyuttaki gösterimi şekilde verilmektedir. Basit kare Basit dikdörtgen Alan merkezli dikdörtgen (rhombus) Paralel kenar Alan merkezli altıgen

98 Miller indisleri Kristal yapıdaki değişik nokta,doğrultu ve düzlemleri adlandırmak için kullanılır. -Kafes noktaları Eksen takımının başlangıcı olarak herhangi bir atom alınabilir.kafes noktalarının konumları, birim hücrenin kenar uzunlukları bir birim kabul edilerek bunların katları veya kesirleri şeklinde verilir.

99 Kafes noktalarının gösterilmesi

100 Kafes Doğrultuları Kübik sistemde doğrultu ve düzlemleri Miller indisleri ile ifade edilir. Şu şekilde saptanır: Birim hücrede başlangıç ve bitiş koordinatları belirlenir. Başlangıç koordinatları, bitiş koordinatlarından aritmetik olarak çıkarılır. Miller indisleri, kesirli olamaz, tam sayı olmalıdır. Gerekirse orantılı olarak en küçük tam sayıya çevrilir. Köşeli parantez içine virgülsüz olarak konur. Paralel doğrultular için aynı indis kullanılır. Negatif konumlar sayı üzerinde (-) işareti ile gösterilir; 1 gibi.

101 Kafes doğrultularının gösterilmesi

102 Aynı özellikteki doğrultular, örneğin bir kübün hacım köşegenleri bir doğrultu ailesi oluşturur.böyle bir aile farklı bir parantezle, <111> şeklinde gösterilir.

103 Önemli noktalar 1. Eksen takımının başlangıcı herhangi bir atom seçilebilir. 2. Paralel doğrultuların indisleri aynıdır. 3. Aynı indisli fakat negatif işaretli doğrultular aynı değildir. 100 [100] 4. Bir doğrultunun indislerinin aynı tam sayı ile çarpılarak bulunan indislere ait doğrultular aynıdır. 100 x Birbirlerine paralel olmayan (farklı miller indisli) fakat atom dizilişleri benzer (kübik sistem) olan doğrultular doğrultu ailesi ni oluşturur , 010, 001,[100]..

104 Kafes Düzlemleri Düzlemin eksen sisteminden geçmesi durumunda en yakın düzleme paralel olarak kaydırılır. Düzlemin koordinat eksenini kestiği noktalar belirlenir. Bu değerlerin tersi alınır. İndisler tam sayı olamalıdır. Gerekiyorsa orantılı en küçük tam sayı ile çarpılır. Bulunan sayılar normal parantezde virgülsüz olarak ifade edilir. Negatif sayılar üzerinde ( ) işareti ile gösterilir.

105 Önemli noktalar 1. Doğrultuların tersine indisleri negatif olan düzlemler aynıdır. 2. Doğrultuların tersine indisleri tam sayı ile çarpılarak bulunan düzlemler birbirinden farklıdır. 3. Kübik sistemde birbirinin aynı indise sahip doğrultu ve düzlemler birbirine diktir. 4. Aynı özelliğe sahip düzlemler düzlem ailesi oluştururlar. Büyük parantez ile ifade edilirler , 010, 001,(100)

106 Kafes düzlemlerinin gösterilmesi

107 Hekzagonal kafes için Miller-Bravais indisleri (hkil) (0110) Dikkat:

108 Düzlem ailesi Aynı özelliğe sahip düzlemler bir düzlem ailesi teşkil eder.aile {100} paranteziyle belirtilir.

109 Düzlem ailesi

110 İki doğrultu arasındaki açı Doğrultularının Miller endisleri [uvw] ve [u v w ] olan iki doğrultu arasındaki açı δ şu ifadeyle verilir: cosδ = (uu +vv +ww )/( u 2 +v 2 +w 2 ).( (u ) 2 +(v ) 2 +(w ) 2 Bir düzlemin normalinin Miller endisleri,düzlemin Miller endisleriyle aynıdır. Örnek : (111) düzleminin normali [111] dir. Bir doğrultu bir düzlem içindeyse, doğrultu ve düzlemin Miller endislerinin çarpımının toplamı sıfırdır. Örnek [ uvw ] doğrultusu (u v w ) düzlemi içindeyse u.u +v.v +w.w = 0 dır. Birim hücrede bulunan atom sayısı Birim hücrede bulunan atom sayısını tarif eder(atom sayısı/hücre).

111 Birim hücrede bulunan atom sayısı: Birim hicrede bulunan tam atom sayısını ifade eder.(atom sayısı/hücre) Koordinasyon sayısı: her bir atoma temas eden komşu atom sayısıdır. Atomsal dolgu faktörü(adf) Birim hücre içinde bulunan atomların toplam hacmının(katı küreler farzediliyor) birim hücre hacmına oranıdır (Atomların hacmı/birim hücre hacmı).adf malzemenin ne kadar sıkı istiflendiğini gösterir. Doğrusal atom yoğunluğu Merkezleri söz konusu doğrultu üzerinde bulunan atomların sayısı göz önüne alınarak atomların doğrusal dizilme sıklıkları hesaplanır(atom sayısı/doğrultu uzunluğu). Düzlemsel atom yoğunluğu Merkezleri söz konusu düzlem üzerinde bulunan atomlar göz önüne alınarak atomların düzlemsel dizilme sıklıkları hesaplanır(atom sayısı/düzlem alanı).

112 Örnekler Yapı KS ADF Örnek Basit kübik 6 0,52 - Hacım merkezli kübik 8 0,68 α-fe,ti, W Yüzey merkezli kübik 12 0,74 γ-fe,cu,al Sıkı düzen hekzagonal 12 0,74 Zn,Be

113 Doğrultu A 1. Başlangıç ve bitiş: 1, 0, 0, ve 0, 0, , 0, 0, -0, 0, 0 = 1, 0, 0 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [100] Doğrultu B 1. Başlangıç ve bitiş: 1, 1, 1 ve 0, 0, , 1, 1, -0, 0, 0 = 1, 1, 1 3. Kesir veya büyük tam sayı yok. 4. [111] Doğrultu C 1. Başlangıç ve bitiş: 0, 0, 1 ve 1/2, 1, , 0, 1-1/2, 1, 0 = -1/2, -1, (-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 4. [ 122]

114

115 <110> doğrultu ailesi kaç farklı doğrultuyu ifade eder? Aynı indisli fakat negatif işaretli doğrultular aynı değildir. 100 [100] vardır. Bu nedenle Ailede 2 x 6 = 12 adet üye

116 Doğrultular arasındaki açı verkörel olarak hesaplanabilir. c w b v a u D c w b v a u D İki doğrunun skaler çarpımı: cos D D D D cos w v u w v u w w v v u u D D D D

117 Düzlem A 1. x = 1, y = 1, z = /x = 1, 1/y = 1,1 /z = 1 3. Kesir bulunmuyor. 4. (111) Düzlem B 1. Düzlem z eksenini kesmez, x = 1, y = 2, z = 2. 1/x = 1, 1/y =1/2, 1/z = 0 3. Tam sayı olmalı: 1/x = 2, 1/y = 1, 1/z = 0 4. (210) Düzlem C 1. Düzlem 0, 0, 0 dan geçiyor. y- doğrultusunda kaydırırsak. Then, x =, y = -1, z = 2. 1/x = 0, 1/y = 1, 1/z = 0 3. ( Kesir 010) bulunmamakta. 4.

118 110 düzlem ailesi kaç farklı düzlemi ifade eder? Doğrultuların tersine indisleri negatif olan düzlemler aynıdır. Bu nedenle Ailede 6 adet üye vardır.

119

120 HEGZAGONAL SİSTEMDE MİLLER İNDİSLERİ

121 HEGZAGONAL YAPIDA DÜZLEM ve DOĞRULTU Yapının ADF = 0,74 olup KS = 12 dir. Önemli örnekleri: Ti, Zn, Mg, Be gibidir. Düzlem için 4 indisli sistem Miller-Bravais- kullanılmaktadır. (h k i l) = a1, a2, a3, c eksenleri üzerindedir. KURAL : h + k = - i olmalıdır. Doğrultu için 3 indisli sistem kullanılmaktadır. [ h k i ]

122

123 Düzlem A 1. a 1 = a 2 = a 3 =, c = /a 1 = 1/a 2 = 1/a 3 = 0, 1/c = 1 3. Kesir içermiyor 4. (0001) Düzlem B 1. a 1 = 1, a 2 = 1, a 3 = -1/2, c = /a 1 = 1, 1/a 2 = 1, 1/a 3 = -2, 1/c = 1 3. Kesir içermiyor 4. (1121) Doğrultu C 1. 2 nokta: 0, 0, 1 ve 1, 0, , 0, 1, -1, 0, 0 = 1, 0, 1 3. Kesir içermiyor. 4. veya [ 101] [ 2112 ] (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Doğrultu D 1. 2 nokta 0, 1, 0 ve 1, 0, , 1, 0, -1, 0, 0 = -1, 1, 0 3. Kesir içermiyor. 4. [ 110] 1100] [

124 Aşağıda verilen doğrultuların indislerini bulunuz. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Figure 3.49 Directions in a cubic unit cell for Problem

125 Metaller Mühendislikte kullanılan malzemelerin önemli bir kısmını metaller ve bunların alaşımları teşkil eder.karakteristik özellikleri: 1.Kristal yapıdadırlar. 2.Mukavemetleri yüksektir. 3.Kolay şekillendirilebilirler. 4.Kırılgan değildirler.yani toklukları yüksektir. 5.Basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerine (bazı özel haller dışında) yaklaşık olarak eşittir. 6.Korozyona dirençleri genellikle düşüktür. 7.Yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptirler. 8.Opaktırlar(X saydam) yani ışığı geçirmezler.ancak yüzeyleri metal parlaklığına sahiptir.

126 Metaller iki esas gurupta ele alınır: 1.Demir esaslı metal ve alaşımları: 1.1.Çelikler 1.2.Dökme demirler 2.Demir dışı metal ve alaşımları: Alüminyum,Magnezyum, Bakır Titanyum,Nikel,Krom,Çinko ve alaşımları

127

128 Seramikler ve camlar Seramikler Seramikler metal + metal olmayan (Ametal) bir elementten (C, N, O veya S) oluşmaktadır. Örnek: Alüminyum, Al bir metaldir.bunun oksidi ise, Al 2 O 3 (Alumina) bir seramiktir. Al kolay şekillendirilebilir bir malzeme olmasına karşın Al 2 O 3 yani oksidi kırılgandır, kolay şekillendirilemez. Seramik malzemelerin kırılganlıklarının giderilmesine yönelik başarılı çalışmalar yapılmaktadır.

129 Seramiklerin karakteristik özellikleri 1.Mukavemetleri yüksektir.ancak, gevrek (kırılgan) malzemelerdir yani toklukları düşüktür. 2.Erime sıcaklıkları yüksektir.bu nedenle ısıya dayanıklı (refrakter) malzeme olarak soba, ocak ve fırınlarda kullanılırlar. 3.Bir çok ortamda kimyasal olarak kararlıdırlar, yani ortamla kimyasal reaksiyona girmezler, korozyona uğramazlar. 4.Çekme mukavemetleri düşük, basma mukavemetleri yüksektir (Bu genellikle gevrek malzemelere özgü bir özelliktir).

130 Seramikle cam arasındaki fark nedir? Örneğin, silikatlar grubundan olan SiO 2,kristal yapıya sahipse, seramik,eğer amorf yapıya sahipse cam adını alır.cam ile seramikler arasındaki temel fark seramiklerin kristal yapıya,camların amorf yapıya sahip olmalarıdır. Malzemelerin yapıları,atomların bağ kuvvetleri İle bir araya gelerek uzayda dizilmeleri sonucu oluşur.bu diziliş düzenli ise kristal, düzensiz ise amorf olarak adlandırılır.

131 Seramik Cam Atomsal mertebedeki yapıların karşılaştırılması: SiO 2 in iki farklı yapısı a) Kristal(düzenli) yapı :Seramik, b) Amorf (düzensiz) yapı: Cam

132 Camlar Camların büyük bir kısmı silikatlardan oluşmaktadır.ancak bileşimlerinde başka oksitler de bulunmaktadır. Örneğin,pencere camında %72 oranında SiO 2 yanı sıra,na 2 O ve CaO gibi oksitler de bulunmaktadır.bunlar camın yumuşama ve erime sıcaklığını düşürmek, böylece şekillendirilmelerini kolaylaştırmak için katılır. Farklı bileşimde camlar vardır.örneğin, pencere camı ve gözlük camının bileşimleri farklıdır.

133 Camların karakteristik özellikleri 1.Gevrektirler(Kırılgan). 2.Çekme mukavemetleri düşük,basma mukavemetleri yüksektir. 3.Kimyasal tarafsızlık(inert) gibi özelliğe sahiptir. 4.Saydam( x opak) türleri vardır.örn. Pencere camı. 5.Seramiklerden farklı olarak (katkılar sayesinde) yüksek olmayan sıcaklıklarda yumuşatılarak veya eritilerek şekillendirilebilirler.

134 Cam seramikler Bazı cam türleri kolayca şekillendirildikten sonra camsı(amorf) yapıdan kristal yapıya(seramik yapısı) geçirilebilirler. Cam seramik olarak adlandırılan bu malzemelere camsı haldeyken kolayca biçim verildikten sonra, kristalleştirilerek seramiklerin üstün mekanik özellikleri kazandırılır.

135

136 Polimerler(plastikler) Sıkça karşılaşılan malzeme grubudur. Petrol türevi ürünlerden elde edilir. Yapılarında C,H,N,O,S bulunur. Bu malzemelerin yapısı Mer lerin birleşerek uzun bir zincir oluşturması(polimer),bu zincirlerin birbirlerine zayıf ikincil bağlar veya kuvvetli çapraz bağlar ile bağlanması sonucu oluşur. Mer bir hidrokarbon molekülü,örneğin C 2 H 4 (etilen) olabilir.bunların birleşmesi sonucu Polietilen adlı polimer ortaya çıkar.

137 Ya da Mer vinilklorür olabilir.bunların birleşmesinden, polivinilklorür isimli polimer oluşur. (Vinil klorür) (Polivinilklorür)

138 Polimer yapılarında bulunan elementler çok çeşitli değildir.birçok önemli polimer hidrojen ve karbon esaslıdır.diğerleri oksijen(akrilikler), azot(naylonlar) ve silisyum(silikonlar) içerirler. Polimerlerin karakteristik özellikleri: 1.Sünek(Xgevrek), hafif ve ucuz malzemelerdir. 2.Yapılarındaki bağların karakteri nedeniyle mukavemetleri düşüktür. 3.İkincil bağlar içeren türleri kolay şekillendirilebilirler, düşük sıcaklıkta yumuşarlar ve erirler. 4.Elektriksel olarak yalıtkandırlar.

139

140 Bazı sınırlamalar rağmen,polimer malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda mukavemetlerinin ve rijitliklerinin arttırılmasına yönelik önemli gelişmeler sağlandığından mühendislikte kullanımları yaygınlaşmaktadır.

141 Kompozitler(Karma Malzemeler) Yukarda verilen üç gruba giren, iki veya daha çok malzemenin, makro düzeyde yan yana getirilmesiyle, bu malzemelerin üstün özelliklerini aynı malzemede toplayan veya yepyeni bir özellik ortaya çıkaran malzemeleri oluşturmak mümkündür.bunlara kompozit adı verilir. Aynı gruba giren iki malzeme,örneğin iki farklı metal de bir araya getirilerek kompozit oluşturabilir:metal saçlar, üzerlerine başka metal kaplanarak korozyona karşı korunurlar.

142 Kompozitler, metal alaşımlarından farklıdır. Alaşımlama mikro düzeydedir.kompozitte ise, farklı malzemeler birbirlerinin içinde çözünmezler;tabaka, lif veya parçacık halinde makro düzeyde birlikte bulunurlar. Örnekler - CTP(cam takviyeli plastik):plastik malzeme cam lifleri ile takviye edilerek,mukavemet ve rijitlik kazandırılır (fiberglas). -Beton:İçinde, kum,çakıl taşları çimento, vb. vardır. -Ahşap:Doğal bir kompozittir.

143 Yarı iletkenler Yarıiletken malzemeler ne iyi bir iletken ne de yalıtkandırlar.elektronikte kullanılan önemli malzemedirler;çipler,işlemciler ve transistörler (Zayıf akımların kuvvetlendirilmesi amacıyla kullanılırlar) gibi elemanların üretiminde kullanılırlar. Yarıiletkenlerde kimyasal bileşimin hassas kontrolü ile elektronik özellikler kontrol edilebilir.çok küçük boyutta elektronik devreler üretmek mümkündür.

144 Yarıiletken elementler koyu renkle, bileşik teşkil ederek yarı iletken hale gelen elementler açık renkle gösterilmiştir.