MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ ve SINIFLANDIRILMASI

Transkript

1 ÜRETİM YÖNTEMLERİ VE İMALAT TEKNOLOJİLERİ MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ ve SINIFLANDIRILMASI

2 MADDE Madde ya da özdek, uzayda yer kaplayan (hacim), kütlesi olan tanecikli yapılara denir. 5 duyu organımızla algılayabildiğimiz (hissedebildiğimiz) canlı ve cansız varlıklara denir. Çevremizde bulunan bütün canlı ve cansız varlıklara madde denir. İçinde yaşadığımız evimiz, seyahat ettiğimiz otomobil, minibüs, okuduğumuz kitap, yazı yazdığımız defter, yediğimiz yiyecekler, içtiğimiz su, hava, toprak birer maddedir. MALZEME ÇEŞİTLERİ 2

3 Malzeme Nedir? Malzemeler,mühendislik ürün ve sistemlerinin imalinde kullanılanılabilen mekanik, fiziksel ve kimyasal olarak arzu edilen özelliklere sahip katılardır. katılardır. MALZEME ÇEŞİTLERİ 3

4 ÜRETİM YÖNTEMLERİ VE İMALAT TEKNOLOJİLERİ Malzemelerin İç Yapısı Malzemelerin iç yapısı atomların diziliş biçimine bağlıdır.

5 ATOMLAR ARASI BAĞLAR Aynı özellikleri taşıyan metal atomlarını bir arada tutan, atomlar arası bağ olarak tanımlanan olaydır. Atomların bu özelliği, şekillendirilebilmelerini açığa çıkarır. Yalın bir tanımla; aralarında güçlü bir bağ olmayan atomlara sahip metaller, daha kolay şekillendirilebilir. Burada kastedilen şekillendirme işlemi, kesme, bükme ve delme gibi metallere uygulanan talaşlı ya da talaşsız üretim yöntemleridir. Valans elektronları, metal atomları arasındaki bağı direkt olarak etkiler. Valans elektronları doymuş halde ise, bu tür atomlar diğer atomlar ile birleşmezler ve kararlı olarak kabul edilirler. Valans elektronlarının sayısı en üst düzeye gelmemiş yani doymamış elektronlar, diğer elementler ile elektron alış verişinde bulunabilirler ve bu nedenle aralarında kuvvetli bir çekim kuvveti vardır. En üst elektron sayısına kavuşmamış valans elektronlarına sahip olan elementler dört gurup altında toplanan bağ türü ile birbirlerini çekerler. Bunlar sırasıyla; metalik bağ, iyonik bağ, kovalent bağ ve van der waals bağıdır. Metalik Bağ: Adından da anlaşılacağı üzere metalle ile ilgili özelliklerin oluşmasını sağlayan atomlar arası bağdır. Metal atomlarının (dış kabuk elektronu olarak daha önce belirttiğimiz valans elektronlarının doymamış olmalarından ötürü) serbestçe hareket etmeleri önemli özellikleridir. Valans elektronları negatif yüklü, metal atom çekirdeğini meydana getiren protonlar pozitif yüklü olduğundan, zıt kutuplu elektrik yükleriyle yüklenmiş durumdadırlar. Zıt kutupların birbirini kuvvetlice çekmesi ilkesi, MALZEME ÇEŞİTLERİ 5

6 burada da devreye girer ve metal atomlarının sıkıca bir arada durmasına neden olur. Metal atomları arasındaki bu bağın sıklığı, metallerin dayanımını oluşturur. Metalik bağ. Tel ve levha ürünler. Genelde metalik özellikleri oluşturan elektrik ve ısı iletkenliği bu bağ sebebiyle açığa çıkmaktadır. Metal atomları çevresinde serbest olarak hareket eden valans elektronları, elektrik akımının kolaylıkla iletilmesine olanak tanır. Çünkü elektrik akımı, yalın bir elektron hareketi niteliğindedir. Metallere verilen elektrik akımı, valans elektronlarının hareketini arttırır. Dolayısıyla da elektron akışını (elektrik akımını) başlatır. Bu özellikten ötürü metaller, iyi bir elektriksel iletim yeteneğine sahiptirler. Elektrik nasıl bir enerjiyse ve elektronlar ile iletilebiliyorsa, ısı da bir enerjidir ve elektronlar ile iletilir. Bu yüzden elektriksel iletim yeteneğine sahip olan metaller, ısı iletim yeteneğini de gösterir. MALZEME ÇEŞİTLERİ 6

7 İyonik Bağ: Katı maddeler üst elektron sayısına ulaşmak amacıyla çevredeki atomlardan elektron alış verişi yaparlar. Bu alış veriş esnasında dış kabuk elektronları, elektron alırsa (-), elektron verirse (+) yük kazanırlar. + ya da yük kazanmış olan bu tip elektronlara iyon adı verilir. Farklı (+ ya da -) yük kazanmış elektronlar birbirini çekme gücüne sahip olduğundan ve ortaya çıkan atomlar arası bağ iyon adlı elektronlardan oluştuğu için, iyonik bağ olarak tanımlanır. Kovalent Bağ: Bünyesinde üç ya da daha fazla valans elektronu bulunduran elementler, kovalent bağ ile birbirlerine bağlanmış durumdadırlar. Kovalent bağın diğer adı homopolar bağdır. Valans elektronlarının kararlı duruma geçebilmeleri için sayılarının sekiz olması gerekir. Bu şekle kavuşmuş elementlerde sertlik yüksek olmasına karşın, elektrik iletkenliği düşmektedir. Kovalent bağın en önemli özelliği; valans elektronlarının komşu atomlar tarafından ortaklaşa kullanılmasıdır. İyonik Bağ Kovalent Bağ MALZEME ÇEŞİTLERİ 7

8 Van Der Waals Bağı: Asal gazların molekülleri, atomlar arası bağı oluşturacak serbest elektronlara sahip değildir. Ancak yine de bir arada bulunabilmek için, zayıf elektrik yüklü elektronların elektrolit gerilimi, elektron yüzeyi yakınında artar. Böylece elektrik akımının zorlaştırılması olayıyla meydana gelen bir çekim gücüyle bir arada tutunabilirler. Bu tür bağ ile atomları birbirine çeken moleküller, çok zayıf olarak bir arada durduklarından, küçük enerjiler ile birbirlerinden kopabilirler. Bir su damlasındaki Van Der Waals bağları. Malzeme Bil.ve Müh.Böl. - Metal Üretim Süreçleri 8

9 ATOMLARIN DİZİLİŞLERİ Kristal yapı Amorf yapı, düzensiz rastgele katılaşmış mikroyapılardır, bütün doğal (kazein selüloz, kauçuk, v.b.) ve yapay (plastikler) organik bileşimler, bazı anorganik maddeler (cam gibi) amorf yapıdadır. Kristal yapı, atomların belirli bir düzene göre dizilerek bir hacim merkezi oluşturmasıdır. Atomlar uzayda öyle dizililer ki, maddenin birim hacmindeki enerjisi minimum olsun.

10 KAFES YAPILARI Atomların kristal sistemlerindeki diziliş biçimi kafes yapıyı oluşturur. Birim hücrenin boyutuna kafes sabiti veya birim boyutu denir. Doğada yedi değişik kafes sistemi bulunur. Bunlar; 1. Kübik: Basit, hacim merkezli, yüzey merkezli (a=b=c; α=β=γ=90 ) Kristal yapılı malzemelerin hacim kafesi oluşturan basit geometrik şekillere birim hücre, atom veya atom gruplarının bulunduğu yere de kafes noktası denir.

11 2. Tetragonal: Basit, hacim merkezli 3. Ortorombik: Basit, yüzey, merkezli, hacim merkezli, taban merkezli

12 4. Hekzagonal: Basit 5. Rombohedral: Basit, (a=b c; α=β=γ 90 )

13 6. Monoklinik: Basit, taban merkezli 7. Triklinik: Basit

14 Metalik Kristal yapılarda atomlar arası bağlar yöne bağlı değildir, sınırlama yoktur ve nispeten yoğun paketlenme ve dizilim vardır ve 3 ayrı kübik kafes yapısından oluşurlar. Bunlar; Basit kübik (BK) Hacim merkezli kübik (HMK) Yüzey merkezli kübik (YMK) kafestir.

15 Hacim-merkezli kübik yapı için (a) katı-küre birim hücre, (b) küçükküre birim hücre gösterimi (c) bir grup atomun bir arada bulunduğu hacim

16 Yüzey-merkezli kübik kristal yapı için, Katı a) Katı küre birim hücre gösterirni b) bütün atomların bulundukları yerlerin görünürlüğü açısından) küçük küre birim hücre gösterimi (c) bir grup atomun oluş turduğu bir hacim ve bu hacminbir köşesinde birim hücrenin gösterimi

17 Sıkı-paket hekzagonal yapıda (a) küçük-küre birim hücre gösterimi (a ve e sırasıyla kısa ve uzun kenar uzunluklarını göstermektedir) (h) bir grup atornun bir arada bulunduğu bir hacim.

18 Kristal doğrultuları (yönleri) Yukarıda da belirtildiği gibi kristallerin birçok özelliği kristal doğrnltusuı bağlıdır. Miller indisleri de bu doğrultuların tanımlanmasım kullanılan bir yaklaşımdır. Bunların belirlenmesi ise; sağ el koordinat sister kullanılarak doğrultu üzerinde bulunan iki koordinat noktası belirlenir..

19 Kristal Yapılar ve Hataları Kristal malzemelerde, atomsal ölçekte mükemmel bir düzenin bulunduğu varsayımı yapılmıştır. Ancak gerçekte böyle mükemmel bir kristal yoktur ve bütün kristallerde çeşitli türde çok sayıda kusur bulunur. Bu kusurların varlığı, malzemelerin birçok özelliğinde önemli değişiklikler meydana getirir. Bununla birlikte, kusur olarak adlandırılsalar da malzeme özelliklerini her zaman olumsuz yönde etkilemezler, aksine malzemelerin bazı özelliklerinin iyileştirilmesi için, malzemelere kontrollü bir şekilde, bilerek eklenirler. Kristal yapı kusuru kavramı bir veya daha fazla boyutu atom çapı mertebesinde olan kafes düzensizlikleri için kullanılır. Bu kusurlar genellikle geometrilerine ya da boyutlarına göre sınıflandırılır. Bir ya da iki atom konumu ile ilgili olan noktasal, (bir boyutlu) çizgisel ve (iki boyutlu) arayüz ya da sınır kusurları

20 Noktasal Kusurlar Kristal Yapılar ve Hataları ATOMSAL BOŞLUK VE ARAYER ATOMLARI Bir atomun bulunması gerekirken hoş kalan atomsal boşluk (boşyer) veya diğer bir ifadeyle boş kafes noktaları en basit noktasal kusurlardır. Atomsal boşluk buẗu n kristal malzemelerde bulunur ve aslında bu kusurların bulunmadığı bir malzemenin u retilmesi imkansızdır. Atomsal boşlukların bulunmasının gerekliliği termodinamiğin prensipleri kullanılarak açıklanabilir. Boşyerlerin varlığı kristalin entropisini (yani du zensizliğini) arttırmaktadır.

21 Kristal Yapılar ve Hataları DİSLOKASYONLAR ÇİZGİSEL KUSURLAR Dislokasyonlar, çevrelerindeki bazı atomların kristal içindeki du zene bir miktar aykırı olarak konumlandıkları çizgisel veya tek boyutlu kusurlardır. Bir kristalin içerisinde sona eren bir ek (ilave) du zlem veya ek yarı du zlemin bulunduğu Şekilde dislokasyon tu rlerinden biri olan kenar dislokasyon şematik olarak gösterilmiştir. Bu dislokasyonun merkezinde yer alan ve ek yarı du zlemin kristal içinde sonlandığı kenar boyunca tanımlanan çizgiye dislokasyon çizgisi denir. Kenar dislokasyonu için dislokasyon çizgisi sayfa du zlemine dik olarak uzanmaktadır.

22 Kristal Yapılar ve Hataları ARAYÜZ KUSURLARI Arayu z kusurları, farklı kristal yapılara veya farklı kristal yönlenmelere sahip bölgeleri ayıran iki boyutlu sınırlardır. Malzemelerin dış yu zeyleri, tane sınırları, faz sınırları, ikiz sınırları ve dizi hataları du zlemsel kusurları oluşturur. Dış Yu zeyler En belirgin arayu z kusurlarından olan dış yu zeylerde, kristal yapı sona erer. Yu zey atomları yapabileceklerinden daha az sayıda komşu atom ile bağ yaptıkları için, iç kısımlardaki atomlara göre enerjileri daha yu ksektir. Yu zey atomlarının gerçekleştiremediği bağlardan dolayı, yu zeylerde alan başına enerji (J/m 2 ya da erg/cm 2 ) olarak tanımlanan bir yu zey enerjisi söz konudur. Malzemeler bu enerjilerini en du şu k değere getirmek için mu mku nse toplam yu zey alanlarını minimize etmeye çalışırlar. Örneğin, su damlacıklarının ku resele yakın şekil alma eğilimleri gibi, sıvılar minimum yu zey alanına sahip biçimleri oluşturur. Doğal olarak, mekanik açıdan rijit katılar için bu mu mku n değildir.

23 Malzemelerin Mekanik Özellikleri Bir malzemeye kuvvet uygulandığında önce şekil değiştirir sonra artan kuvvete bağlı olarak kırılır ve kopar. Bu durumun izlenmesi ile malzemenin mekanik özellikleri belirlenir. Malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde en yaygın kullanılan test yöntemlerinden birisi çekme deneyidir. Bu deney ile Elastik modülü Elastik sınırı Rezilyans Akma gerilmesi Çekme dayanımı Tokluk % uzama % kesit daralması Kopma dayanımı

24 Malzemelerin Mekanik Özellikleri Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Tatbikatta basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılan malzemeler genellikle gevrek malzemelerdir Sertlik bir malzemenin kendisinden daha sert bir malzemeye karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanabilir. Sertlik izafi bir ölçü olup sürtünmeye, çiziğe, kesmeye ve plastik deformasyona karşı direnç olarak da tanımlanabilir.

25

26 METALLER Metal, (Latince: metallum, Yunanca: metallon). Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, kendine özgü parlaklığı olan, şekillendirmeye yatkın, katyon oluşturma eğilimi yüksek, oksijenle birleşerek çoğunlukla bazik oksitler veren elementlerdir. Metaller, kendi aralarında: soy metaller (altın, gümüş, platin gibi) ve soy olmayan metaller (demir, çinko, alüminyum gibi) şeklinde sınıflandırılabilir. Yarı metaller, iyi metal özelliği göstermez. Bu elementler hem metal, hem de ametal özelliği gösterir. Silisyum, bor, antimon, arsenik gibi elementler yarı metaldir.fiziksel özellikleri metallere,kimyasal özellikleri ametallere benzer. Doğada ametaller daha çok bulunsa da periyodik tablodaki elementlerin çoğu metaldir. Demir cevheri 26

27 Malzemelerin Sınıflandırılması Metalik Malzemeler Dökülebilir, kaynak edilebilir, elektrik ısı iletebilir, yansıtabilir, sünek, plastik şekil değiştirebilir Çelik, Alüminyum, Titanyum, Magnezyum, Nikel, Krom, Kobalt, Bakır

28 Malzemelerin Sınıflandırılması Polimer Malzemeler Termoplastikler, termosetler Düşük yoğunluk, esneklik, ısı yalıtımı, parlak dekoratif, elektrik yalıtımı, kolay şekillendirilebilir, ekonomik, renklendirilebilir,

29 Malzemelerin Sınıflandırılması Seramik Malzemeler Kırılgan ve sertdirler, aşınma direnci yüksek, ısı ve elektrik iletkenliği düşük, ısıtıcı ve fırınlarda kullanılırlar. Metal ve metal olmayan elemanların oluşturduğu iyonsal bileşiklerdir. NaCl, MgO, FeO, SiO2, SiC, TiC, WC

30 Malzemelerin Sınıflandırılması Kompozit Malzemeler: iki yada daha fazla elemanın iyi özelliklerini bir malzemede toplamak amacıyla karıştırılarak üretilmesi. Matris: Al, Mg, Fe, Cu. Takviye: SiC, TiC, WC, Al2O3, MgO, SiO2

31 Malzemelerin Sınıflandırılması Nano Malzemeler: Matris ve/veya takviye elemanının an az birinin nano boyutta olmasıyla meydana getirilen malzemedir. 1nm= 10-9 m= 10-6 mm

32

33

34 Metalik Malzemeler Demir Alaşımları Çelikler Yapı Çelikleri Takım Çelikler Dökme demirler Lamel grafit dökme demir Küresel grafit dökme demir Beyaz dökme demir Temper dökme demir Demir Dışı Alaşımlar Ağır metaller Bakır ve bakır alaşımları Nikel ve nikel alaşımları Krom ve krom alaşımları Çinko ve çinko alaşımları Mangan ve mangan alaşımları Kobalt ve kobalt alaşımları Kurşun ve kurşun alaşımları Kalay ve kalay alaşımları Hafif metaller Alüminyum ve alaşımları Magnezyum ve alaşımları Titanyum ve alaşımları

35 Çelikler Yapı Çelikleri Düşük karbonlu, C <0,25 Orta karbonlu, 0,25< C <0,6 Yüksek karbonlu, 0,6< C <1,4 St 33, 37, 44, 70 Isıl işlemsiz Kaynağa elverişli ince taneli yapı çeliği: C<0.2, dayanımı yüksek Otomat çeliği: talaşlı imalat için, yüksek kükürt (S %0,3), ve fosfor (P %0,2) Sementasyon çeliği: C<0,2 yüzey karbonla sertleştirilmiş, darbeye dayanıklı, tok Nitrürasyon çeliği: dış yüzey azot (N) ile sertleştirilir, bünyede cr-al-ti gibi nitrür yapıcılar olmalı. Islah çeliği: sertleştirme+menevişleme yapılmış, darbe dayanımı yüksek, dinamik yüke maruz piston gibi parçalar yapılır Yay çeliği: elastik, titreşime dayanıklı, yüksek dayanıma sahip Soğuğa dayanıklı çelik: -50 derece altında dayanımlı, sıvı gaz üretimi ve taşımasında kullanılan kazanlar borular Isıya dayanıklı çelik: 350 derece, ısı santrallerindeki boru ve tesisat Yüksek ısıya dayanıklı çelik: 700 derece, türbin kanatları Paslanmaz çelik: krom %11, asit, sıcaklık ve korozif ortamlara dayanıklı, kimyagıda endüstrisinde tank boru tesisat

36 Çelikler Takım Çelikleri: yüksek vasıflı çelik, metal ve metal olmayan malzemeler işlenebilir Alaşımsız takım çelikleri: % C oranı, 200 C çalışma sıcaklığı. El takımları, torna kalemi, çekiç makas bıçakları, balta Alaşımlı takım çelikleri: %5 e kadar Mo, W, Cr, V içeren çelikler. 400 C çalışma sıcaklığına kadar kullanılabilirler. Kesme pres kalıpları, dövme kalıpları, basınçlı döküm kalıpları, matkap ve kılavuz takımı gibi kesici takımların yapımında kullanılırlar. Yüksek alaşımlı takım çelikleri: içeriğinde %5den fazla Cr, Mo, V alaşımı bulundurur. 600 C çalışma sıcaklığına kadar kullanılabilir. HSS takım çeliği. Dövme ve döküm kalıpları yapılır.

37

38 Dökme demirler Lamel grafit dökme demir: döküme elverişli, talaş kaldırılabilir, titreşim sönümleme özelliği yüksek, ekonomik. Takım tezgahları, sütun gövdeleri, motor blokları, silindir kapakları, fren diskleri. Küresel grafit dökme demir: lamel grafit dökme demir içerisine magnezyum veya seryum ilavesiyle lamellerin küresele dönmesi sağlanır. Dayanımı çeliğe yakındır. Dökülebilirliği iyidir. Dişli çarklar, krank milleri, pompa ve türbin muhafaza gövdeleri. Beyaz dökme demir: karbonlar grafit yerine sert olan sementit (Fe3C) fazını oluşturur. Sert ve kırılgandır. Kırıcı plaka, öğütücü değirmen küreleri, aşındırıcı parçalar ve aşınmaya dayanıklı kırılmaya zorlanmayan kam milleri gibi parçalarda kullanılır. Temper dökme demir: beyaz dökme demir bünyesindeki sementitin ısıl işlem ile temper karbon kristaline dönüştürülmesiyle elde edilir. Darbe dayanımı lamel grafitden daha iyidir. Biyel kolu, direksiyon miller, vites çatalı vb yapımında kullanılır.

39

40 Ağır metaller Bakır ve bakır alaşımları Saf bakır yumuşak ve iyi genleşebilir. Korozyon dayanımı iyi Isı iletkenliği çok iyi Bakır+Çinko= Pirinç döküm, talaşlı imalata uygun, ekonomik Bakır+Kalay= Bronz (Tunç) aşınma, korozyon dayanımı, kayma direnci pirinçten iyi, pahalı

41 Ağır metaller Nikel ve nikel alaşımları Çekme dayanımı yüksek, kopma uzaması %40-50, saf nikelin talaş kaldırma özelliği kötü, korozyon dayanımı yüksek, parlak. Kaplamalarda kullanılır. Krom-Nikel( para, paslanmaz), Bakır-Nikel (asit tankı), Kobalt-Nikel (süper alaşım, manyetik)

42 Ağır metaller Krom ve krom alaşımları: Demir-çelik endüstrisinde çok kullanılır (Ni-Fe-Cr). Kromaj korozyona karşı kaplama, gümüş eklenerek deniz suyuna karşı koruma sağlanır.

43 Ağır metaller Çinko ve çinko alaşımları korozyondan korunma amacıyla, çelik gibi diğer metallerin galvanize edilmesinde, pirinç, nikelli gümüş, değişik lehimler, alman gümüşü gibi alaşımların yapımında, genellikle otomotiv endüstrisinde döküm kalıplarında, pillerin gövdelerinin yapımında kullanılır. Zamak= çinko, alüminyum, magnezyum, bakır

44 Ağır metaller Mangan ve mangan alaşımları: Çelik, bakır ve hafif metallerle alaşım için kullanılır. Çeliğe sertlik, ısı ve aşınma dayanımı katar (mangan çeliği, takım çeliği). Mangan bronzu korozyona ve tuzlu suya dayanıklı (gemi makine parçaları). Çelikte azot, oksijen ve kükürtü gidermek için katılır dayanımı artırır.

45 Ağır metaller Kobalt ve kobalt alaşımları: Demir ve diğer metallerde alaşım elementi olarak kullanılır. Kesici takımlar, ameliyat araçları, mıknatıslı araçlar. Al-Ni-Co, Fe-Co vb

46 Ağır metaller Kurşun ve kurşun alaşımları: Çekme dayanımı düşük, kopma uzaması %30-50, yeraltı kablolarının kaplanmasında, lehim tellerinde, Akü imali, Kablo izolasyonu, Madde ve diğer ürünler, Mühimmat, Alaşımlar, Kimyasal maddeler ve pigmentler, Radyasyon yalıtımları, Benzin katkısı

47 Ağır metaller Kalay ve kalay alaşımları: Çekme dayanımı düşük, döküm ve haddeleme özelliği iyi, folyo yapılabilir, yaldız kağıdı, el sanatlarında kullanılır. Kimyasal kararlı, zehirsiz, demir ve bakırın kaplanmasında kullanılır. Teneke yapımında çeliği kaplamak için kullanılır.

48 Hafif metaller Alüminyum ve alaşımları Yoğunluğu düşük, dökme, dövme, haddeleme, derin çekme için uygundur, korozyon direnci yüksek, sıcak ve soğuk şekillendirme kabiliyeti iyi, hafif, yüksek gerilim hatlarında bakır yerine kullanılıyor.

49 Hafif metaller Magnezyum ve alaşımları Maliyeti düşük, dayanımı yüksek telsiz, radar ekranı, el testeresi, el takımları, makaslar gibi portatif el araçlarının imalatında, direksiyon simidi, direksiyon çubuğu, jant, koltuk çerçevesi, dizüstü bilgisayar, video alıcısı, televizyon, mobil telefon.

50 Hafif metaller Titanyum ve alaşımları Yüksek dayanım, düşük yoğunluk, pahalı. Erime sıcaklığı 1670 C, Koruyucu zırh, uçak gövdesi, uzay araçları, tıbbi ameliyat gereçleri, kesici takımlar, implantlar