Metal. Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, kendine özgü parlaklığı olan, şekillendirmeye yatkın, oksijenle birleşerek çoğunlukla

Transkript

1 BÖLÜM 3 METALLER

2 Metal Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, kendine özgü parlaklığı olan, şekillendirmeye yatkın, oksijenle birleşerek çoğunlukla bazik oksitler veren elementler. Latince: Metallum Yunanca: Metallon. Metaller 2

3 Metaller Metaller çok değişik türde ve üstün mekanik özelliklere sahip olduklarından en önemli yapı ve makine malzemesi sayılırlar. Metaller 3

4 Metallerin Yapısı-1 Mühendislik uygulamalarında çok önemli bir yer tutan metaller ve alaşımlar polikristal yapılı, inorganik* cisimlerdir. *Temel element olarak karbon atomu içermeyen kimyasallar. Metaller 4

5 Metallerin Yapısı-2 Metaller homojen yapılı, katı veya sıvı halde özelliklerini değiştirmeyen; demir, bakır, alüminyum gibi yapı malzemeleridir. Metaller 5

6 Metallerin Özellikleri Metaller 6

7 Doğada Metaller Metaller doğada çoğunlukla oksit*, kükürt ve karbonatlı cevherler halinde bulunur. *Oksit, içeriğinde en az bir adet oksijen atomu ve en az bir adet başka element içeren bileşik Metaller 7

8 Metallerin Yapıda Kullanımı Taşıyıcı eleman, Kaplama, Doğrama, Tesisat, Diğer ince işlerde. Metaller 8

9 Metallerin Genel Özellikleri Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği, Kendine özgü parlaklığı olan, Şekillendirmeye yatkın, Katyon oluşturma eğilimi yüksek, Oksijenle birleşerek çoğunlukla bazik oksitler verir. Metaller 9

10 Metallerin Sınıflandırılması Metaller, kendi aralarında: soy metaller (altın, gümüş, platin) ve soy olmayan metaller (demir, çinko, aliminyum) şeklinde sınıflandırılabilir. Metaller 10

11 Yarı Metaller Yarı metaller, iyi metal özelliği göstermez. Bu elementler hem metal, hem de ametal özelliği gösterir. Silisyum, bor, antimun, arsenik ise yarı metaldir. Metaller 11

12 Metallerin Özellikleri Metallerin hepsi (civa elementi hariç) oda koşullarında katıdır. Bütün metaller parlaktır, ışığı yansıtırlar. Metaller sert ve yumuşak olabilir. Metaller, tel, levha ve toz haline gelebilir. Metaller esnektir; eğilip bükülebilir. Elektrik ve ısıyı iletir. Soy metaller (altın, platin gibi) dışındaki metaller havada paslanır. Metaller eritilerek karıştırılabilirler ve alaşım oluştururlar. Daima elektron vererek (+) yüklü iyon (katyon) olurlar Metallerin çoğuna (Na, Mg, Fe, Zn gibi) asitler etki eder. Metaller 12

13 Ametal Ametaller, metal özelliği göstermeyen elementlerdir. Sertlik, mekanik ya da elektrik iletkenliği gibi metallere özgü özellikleri göstermeyen maddelerdir. Metaller 13

14 Ametaller Genellikle karbon, azot, fosfor, oksijen, kükürt, selenyum, flor, klor, brom, iyot ve soygaz elementlerine ametal denir. Metaller 14

15 Malzeme ve İç Yapısı 15

16 Alaşım Bir metale belirli özellik sağlamak için en az bir başka elementin (metal veya ametal) kasıtlı olarak eklenmesi ile elde edilen metal karakterli bir malzemedir. Metaller 16

17 Asıl Metal ve Alaşım Elemanı İlave edilen element, kristal içinde; ya katı çözelti veya ara bileşikler halinde bulunur. Alaşımda fazla miktarda olan metale asıl metal adı verilir. Alaşımı elde etmek için bu metale karıştırılanlara da alaşım elemanları denir. Metaller 17

18 Çelik Çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşımdır. Ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon. Metaller 18

19 Alaşımların Özellikleri Özelliklerin iyileştirilmesi veya istenen özelliklerde malzeme elde etme amacıyla alaşımlar geliştirilmiştir. Alaşımlar saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler, bundan dolayı saf metaller kullanılmaz. Saf metallerin korozyona karşı büyük bir dayanıklılığı vardır. Metaller 19

20 Alaşımlandırma Alaşımlandırma yani bir metale, istenen element veya elementlerin eklenmesi sıvı halde yapılır. Alaşım kalıplara dökülür, döküm sonrasında malzeme katılaşma ile sıvı halden katı hale geçecektir. Metaller 20

21 Katılaşma Olayı 1. Çekirdek oluşumu (katı taneciklerin oluşumu) 2. Dendritlerin oluşumu (katı iğneciklerin oluşumu) 3. Tanelerin oluşumu (tane sınırlarının oluşumu) Metaller 21

22 Demirin Bulunuşu Demir uzayda en çok bulunan elementlerden birisi olup yerkabuğunda %5 oranında bulunur. Genel olarak yerkabuğunda bulunan demir filizleri cevherleri hematit, limonit, magnetit, siderit ve pirittir. Dünyanın çekirdeğinin de büyük oranda metalik demir nikel alaşımından meydana geldiği tahmin edilmektedir. Metaller 22

23 Üretim Metaller 23

24 Metalik Malzemeler Sanayi ve yapılarda en çok kullanılan metalik malzeme, demir ve karbon alaşımları olan; Dökme Demir (Font) Çelik Metaller 24

25 Pik Demir (Ham Demir) % 4-5 karbon ve değişen oranlarda safsızlıklar (S, Si, P gibi) içerir. Demir cevherinden dökme demir ve çeliğe giden yolda bir ARA ÜRÜN olarak değerlendirilebilir. Metaller 25

26 Dökme Demir % 2-4 arasında karbon, % 1-6 silisyum, ve az miktarda manganez içerir. Pik demirde bulunan ve malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen, kükürt ve fosfor gibi safsızlıklar, kabul edilebilir seviyelere düşürülmüştür. Metaller 26

27 Demirin Özellikleri Demir grimsi esmer bir metaldir, Özgül ağırlığı 7,85-7, C de erir, serttir ve fazla elastik değildir. Demir doğada 4. yaygın bulunan bir metaldir. Doğada oksit, kükürtlü ve karbonatlı cevher şeklinde rastlanır. Metaller 27

28 Limonit FeO(OH).nH 2 O bileşiminde sulu demir oksit bileşiği içeren en çok rastlanan ve yaygın bir demir mineralidir. Metaller 28

29 Demir ve İşlendiği Yerler Metaller 29

30 Demir ve Alaşımlarının Davranışı Demire alaşım malzemesi olarak katılan karbon veya diğer metallerin oranı, alaşımın yalnızca kimyasal yapısını değiştirmekle kalmayıp, mekanik davranışını da etkiler. Metaller 30

31 Demir Karbon İlişkisi Mekanik özelliklerini değiştirmek için en çok karbon katılır. Demiri en çok etkileyen alaşımlama elemanı karbondur. Çelik, tüm demir kökenli malzemenin en çok kullanılanıdır. Karbonun artması ile alaşımın dayanımı ve sertliği artar. Karbonun artması ile düktilite ve enerji yutabilme azalır. Metaller 31

32 Karbon - Dayanım İlişkisi Saf demir 30 MPa (N/mm 2 ) gibi oldukça düşük akma dayanımı değerine sahiptir. Demirin içerisine az miktar karbon ilavesi bile akma dayanımını değerini önemli bir şekilde artırır. Metaller 32

33 Demir Karbon Denge Diyagramı Denge diyagramları aslında alaşım bünyesinde oluşan oldukça karmaşık olayları açıklamaya yarar. Metaller 33

34 Saf Demirler ve Alaşımları Saf demirin, üç allotropik hali vardır. (üç çeşit demir) α (alfa) (gama) δ (delta) Karbonun α, ve δ demirlerinin içinde erimesi sonucu şu alaşımlar meydana gelir. Ferrit Ostenit demiri Perlit Ledeburit Metaller 34

35 Karbonun Demir İçinde Erimesi ile oluşan Alaşımlar Metaller 35

36 Alaşımların Gruplandırılması ALAŞIMLAR Yumuşak Demir Çelik Dökme Demir Düşük Orta Yüksek Metaller 36

37 Yumuşak Demir, Çelik ve Font Karbon oranı % 0,2 den az olan Fe Fe 3 C alaşımlarına Yumuşak Demir adı verilir. Karbon oranı % 0,2-2 arasında olan Fe Fe 3 C alaşımlarına Çelik denir. Karbon oranı % 2,1 den büyük olanlarına ise Dökme Demir (Font) denilir. Metaller 37

38 Düşük Karbonlu Çelikler En fazla % 0.25 karbon içerirler. En fazla düktil olan çeliklerdir. En düşük dayanım ve düşük sertliktedirler. Düktilite ve işlenebilirlik gerektiren yerlerde kullanılır. Isıl işlemler yardımıyla sertleştirilemezler. Otomobil gövdesi, ince saç levha, çivi, perçin, betonarme donatısı, profil eleman malzemesi üretiminde kullanılırlar. Metaller 38

39 Orta Karbonlu Çelikler % oranında karbon içeren çeliklerdir, Demiryolu rayları, tren ve tekerlekleri, dingil şaftları ve yüksek nitelikli betonarme donatısı gibi sertlik ve yüksek dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. Isıl işlem ve tavlama yoluyla özellikleri düzeltilebilir. Metaller 39

40 Yüksek Karbonlu Çelikler % arasında karbon içeren çeliklerdir, En sert, en dayanıklı ancak en az düktil olan türdür. Isıl işlemlere en iyi bu tür yanıt verir. Tellerin, savaş araçlarının, bıçakların yapımında kullanılır. Kaynak işlemi sertleşme ve düktilite kaybına yol açabildiğinden kaynaklamada dikkatli olunması gerekir. Metaller 40

41 Çeliğin İçindeki Yabancı Maddeler i. Mn (manganez) % % 0.70, ii. Si (silisyum) % % 0.45, iii. S (kükürt) % % 0.04, iv. P (fosfor) % % Metaller 41

42 Yabancı Maddelerin Etkisi Bunlar belirtilen sınırlar içinde kalırsa, alaşımın mekanik davranışını pek etkilemezler. Ayrıca Mn oranının artması dayanımı olumlu yönde etkiler. Ancak kükürt çeliğin kırılganlığını arttırır. Metaller 42

43 Siderurji Tekniği Demir ve alaşımlarının elde edilişi, düzeltimi, değişimi ve yarı işlenmiş eşya haline dönüştürülmesi ile uğraşan endüstri ve teknik bölümüne "siderurji" adı verilir. Metaller 43

44 Çelik Üretimi Metaller 44

45 Ark Ocağı Demir ve çelik ürünleri aynı zamanda hurda malzemeleri değerlendiren ark ocağı sistemi ile de elde edilir. Metaller 45

46 Yüksek Fırın Cürufu ve Değerlendirilmesi Çelik üretiminden oluşan atık maddedir. Üretilen 1 ton çelikten 300 kg cüruf oluşmaktadır. Yol malzemesi ve asfalt betonu agregası olarak Hafif beton agregası olarak Katkılı çimento olarak Beton üretiminde puzolan olarak Metaller 46

47 CEM III - Cüruflu Çimento Metaller 47

48 Isıl İşlem Metallerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesi ile istenen mikro yapı ve özellikleri elde etmek için çelik katı fazda iken ısıtılıp, soğutulma işlemlerine ısıl işlem denir. Isıl işlem iki grupta incelenir. i. Tavlama ii. Sertleştirme Metaller 48

49 i. Tavlama Çeliklerin ısıtılıp soğutulma işlemlerine tavlama denilir. Tavlama sonucu, elastik dayanım biraz azalabilir ancak enerji yutma kapasitesi ve düktilite büyük ölçüde artar ve yassılaşan taneler birbirleri ile kaynaşırlar. Metaller 49

50 ii. Sertleştirme Çeliğin hızlı bir şekilde soğutulmasına sertleştirme (su verme) denir. Bu yöntem özellikle çeliklerin dayanım artırma işlemleri için sıkça uygulanmaktadır. Metaller 50

51 Çeliğin Tipik Isıl İşlemi i. Uygun bir dereceye (845 C) kadar ısıtma, ii. Su veya yağa ani daldırıp soğutma, iii. Tekrar 650 C altındaki bir dereceye kadar ısıtmak. Saf metallere ısıl işlemin bir yararı yoktur. Su verme, (soğutma) işlemi, çeliğin iç yapısını etkilemek amacıyla yapılır. Metaller 51

52 Yüzey Sertleştirme İşlemleri Bazı makine parçaları, aşınma dayanımını arttırmak için sertleştirilmesi gerekir. Sertleştirilen parçanın tokluğu azalır. Hem sert hem de tok olmasını sağlamak için sadece yüzey sertleştirmek ve öz kısmının yumuşak kalmasını sağlanmalıdır. Metaller 52

53 Yüzey Sertleştirme Yöntemleri i. Karbonlama (Sementasyon): Karbonla sertleştirme işlemi. ii. Azotlama: Çeliğin yüzeyine azot difüzyonu yapılır. iii. Borlama: Çeliğe bor elementinin difüzyonu sağlanır. iv. Alevle ve İndüksiyonla Sertleştirme: Yüzeyin ısıtma işlemi oksijen-yanıcı gaz üfleci ve indüksiyon akımı* ile sağlanır. * mıknatıs veya magnetik alan kullanılarak elde edilen akıma Metaller 53

54 Haddeleme Mühendislikte sıcak yahut soğuk haldeki metal malzemeye basit biçimler vermekte kullanılan işlemdir, aynı zamanda çeliğin mekanik özelliklerinin geliştirilmesini de sağlar. Metaller 54

55 Termomekanik İşlemler, TMİ Termomekanik işlemler; Malzemenin dayanımı artıran plastik şekil verme ve ısıl işlemin beraber uygulanmasıdır. TMİ, genellikle malzemenin mukavemetinin artması ile birlikte süneklik ve tokluğunun artması amaçlanır böylece ısıl işlemlere göre daha dayanıklı ve tok malzeme elde edilir. Metaller 55