Metalurji ve Malzeme Mühendisliği. Giriş

Transkript

1 Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Giriş

2 Malzeme bilimi ve mühendisliği konusunda temel konular hakkında bilgi edinmek Bu ders ile -Malzeme yapıları -Yapı ile özellik arasındaki ilişki -Üretim ve sentez işlemlerinin malzeme yapısına etkisi Böylece: Uygun malzeme seçimi ve kullanımı Malzemeler ile yeni tasarımlar

3 Giriş Atomik yapılar ve bağlar Kristal kristal olmayan yapı Kusurlar Özellikler (Temel tanımlamalar) Mekanik özellikler Optik özellikler Termal özellikler Kontrol ve Proses yöntemleri Faz diyagramları Termal proses yöntemleri Malzeme Sınıfları ve Tanımlamaları

4 Toplumların gelişimleri ihtiyaçlarını karşılamak üzere geliştirdikleri malzemeleri üretme ve kullanma kabiliyetleri ile yakından ilişkilidir. (Taş devri, Bronz devri, Demir Çağı, Silikon çağı ve Polimer çağı) Doğal malzeme kullanımı (Taş, tahta, kil vb.) Daha üstün tekniklerle malzeme özelliklerinin geliştirilmesi Artan malzeme çeşidi ile birlikte kullanım yerine uygun malzeme tercihi MALZEME SEÇİMİ! Son olarak malzeme yapı ve özellik ilişkisi ile özelliklerin şekillendirilebilme kabiliyeti, Modern (ileri) malzeme gelişimi İleri teknolojik gelişimin habercisi olmak (otomobil imalatı, elektronik cihazlar, uzay araçları vb.)

5 Malzemelerin Tarihi Gelişimi ve Nispi Önem Düzeyi

6 Malzeme Bilimi Nedir? ve Mühendisliği Ne Malzeme yapar? yapıları ile özellikleri arasındaki ilişkiyi ortaya koymaya yarar. Malzeme bilimcisinin görevi hem bu yapı özellik ilişkisine dayanarak Yeni malzeme tasarlanması Yeni malzemelerin üretilmesi veya sentezlenmesi Yeni sistemlerin oluşturulması ve malzemelerin işlemden geçirilmesi

7 Mühendislik Malzeme Malzemeleri: Gelişimi! Hammaddelerin elemental kontrolü Üretim süreci Mühendislik malzemesinin uygulama alanına bağlı olarak üretimi ve kullanımının sağlanması Dayanım, rijitlik Kırılma davranışı Ağırlık/Yoğunluk Çevresel koşullar (korozyon, sıcaklık ve basınç koşulları) Çevresel etki ve yaşam döngüsü analiz! Maliyet!

8 Yapı İç yapı düzeni Atom altı parçalar Atomik düzen mikroskobik makroskobik (kütlesel) Proses Malzeme üretim yöntemleri Karakterizasyon Performans Belirli uygulamalardaki davranış Özellikler Malzeme özellikleri Dış etkenlere karşı davranış Mekanik, elektriksel, termal, magnetik, optik ve korozif ortam özellikleri

9

10 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

11 11 le Publishing / Thomson Learning

12 structure Yapısal Seviyesi processing properties performance Yapı (boyutsal) < 0.2 nm July 24, 2007 Models & Materials

13 Metalik bağ Bir, iki üç valans elektron valence electrons bütün malzeme boyunca serbest kayma Elektron denizi oluşumu Pozitif iyonik çekirdek Yönelimsiz bağ yapısı elektron denizi İyonik çekirdek July 24, 2007

14 İyonik bağ Metal ve metal olmayan elementlerden oluşmaktadır. İyonik çekirdek yapı Doğrusal olmayan bağ yapısı Termal ve elektriksel yalıtkan Yüksek sıc. zorlu cevre koşullarına dayanıklı Sert fakat gevrek July 24, 2007 Models & Materials

15 paylastırılır Dogrusal bağlanma mevcut Polimerler H methane (CH 4 ) Polymers Cok büyük moleküller Düşük yoğunluk ve ağırlık oldukça esnek ve düsuk sıc. İçin uygun July 24, 2007 Models & Materials

16 Levels of Structure structure processing properties performance STRUCTURE (length scale) < 0.2 nm 1 nm =? nm

17 Kristalin: Atomlar üc boyutlu ortamda belirli bir peryodik düzen içerisinde bulunarak malzemenin, oldukça uzun bir aralıkta düzenli bir moleküler yapıya sahip olması Düzen özellikleri etkiler (i.e. süneklik) Anizotropik malzemeler hexagonal close-packed Amorf veya krıstal olmayan: Atomlar yakındaki komşu atomlar ile bir düzen içerisindedir. Viskoz malzemeler (genellikle karmaşık bir formülasyon) or hızlı soğuma İzotropik malzeme July 24, 2007 Models & Materials

18 Yapısal Seviye structure processing properties performance STRUCTURE (length scale) < 0.2 nm 1 nm =? nm mm July 24, 2007 Models & Materials

19 Bürtün örnekte tek bir kristal yapı büyümesi Çevresel koşulların sıkı bir şekilde kontrolü Anizotropik malzeme Çok kristal yapı Çok sayıda küçük kristal yapı veya tanecik Çok sayıda düzensiz kristal yapı Bazıları birbniri içine büyüme göstermiş Anizotropik veya izotropik yapı

20 Yapısal Seviye structure processing properties performance Yapı (Boyutsal olarak) < 0.2 nm 1 nm =? nm mm > 1 mm July 24, 2007 Models & Materials

21 Mekanik: Elastik özellikler Kayma mukavemeti Sertlik Elektriksel: conductivity resistivity capacitance + - Optik: reflectivity absorbance emission Termal: thermal expansion heat capacity thermal conductivity July 24, 2007 Models & Materials

22 Proses Yapı Özellik Performans Performans amacı Metalik malzemelerde dayanım artırımı OFF Yavaş soğutma Daldırma Aslında, Kristaller mükemmel değildir. Yapıda KUSURLAR mevcuttur

23 Özellikler yapıya bağlı olarak değişmektedir Sertlik (BHN) Proses yapıyı değiştirir Örn.Çelik yapısı ve sertlik ilişkisi (d) (c) 30mm (a) (b) 4mm mm 30mm Cooling Rate (C/s) Soğuma Hızı ( C/sec) 2

24 Another Example: Rolling of Steel At h 1, L 1 low UTS low YS high ductility round grains At h 2, L 2 high UTS high YS low ductility elongated grains Structure determines Properties but Processing determines Structure!

25 Aluminum Oksit (Al 2 O 3 ) Tek kristal (Şeffaf) Çoklu kristal crystalline, %1 porozite (Yarı geçirgen) Çoklu kristal, 5% porozite (boşluk) (Opak) July 24, 2007 Models & Materials

26 Elektriksel özellik Electrical Resistivity of Copper: Adding impurity atoms to Cu increases resistivity. Deforming Cu increases resistivity. 4

27 Thermal Conductivity (W/m-K) Termal özellik Space Shuttle Tiles: --Silica fiber insulation offers low heat conduction. Thermal Conductivity of Copper: --It decreases when you add zinc! Composition (wt% Zinc) Adapted from Adapted from Fig. 19.4, Callister 7e. (Fig is adapted from Metals

28 Magnetik özellik Magnetic Storage: --Recording medium is magnetized by recording head. Magnetic Permeability vs. Composition: --Adding 3 atomic % Si makes Fe a better recording medium! 6

29 Korozif özellikler Gerilim ve tuzlu su... --çatlama yapar! Isıl muamele: Yavaşlar Tuzlu suda çatlak uzama! --Malzeme içeriği: 7150-T651 Al "alloy" (Zn,Cu,Mg,Zr) 4mm 8

30 Neden Malzeme Çalışmalıyız? Bilim adamları ve mühendisler malzeme seçimi yapmak zorunda! Malzeme Seçimi Kullanım performansı Özellik değişimi Maliyet Fakat gerçekte, HERKES MALZEME SEÇİMİ YAPAR! Alüminyum Cam Plastik