MMF-201 MALZEME BİLİMİ DERS NOTLARI

Transkript

1 T.C ERZURUM TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK ve MİMARLIK FAKÜLTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü MMF-201 MALZEME BİLİMİ DERS NOTLARI Yrd. Doç. Dr. Türkay KOTAN ERZURUM

2 Hafta Konular 1 Giriş, atomik yapı, atomlararası bağlar, malzemelerin sınıflandırılması 2 Kristal yapı, miller indisleri 3 Kristal kusurları ve katılarda yayınım 4 Faz dönüşümleri ve faz diyagramları 5 Malzemelerin fiziksel özellikleri 6 Malzemelerin mekanik özellikleri 7 Malzemelerin mekanik özellikleri 8 Mekanik deneyler 9 Malzemelerin elektriksel ve manyetik özellikleri 10 Malzemelerin optik ve ısıl özellikleri 11 Aşınma ve korozyon 12 Mühendislik malzemeleri, metaller (demir ve demir dışı) 13 Seramikler, camlar, plastikler 14 Polimerler, kompozitler Sayı Kaynaklar 1 Malzeme Bilimi, Bilim ve Teknik Yayınevi, Prof. Dr. Kaşif ONARAN, Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine Giriş, Çeviri: Prof. Dr. Kenan Genel 3 Materials Science and Engineering an Introduction, W.D. Callister Jr. 2

3 Giriş, Atomik Yapı MALZEMENİN ÖNEMİ ve MALZEME BİLİMİ MALZEME; genel anlamda, doğada canlıların ihtiyacına yönelik bir amaç için kullanılan, doğal yada yapay olarak üretilmiş maddelerdir. Teknik anlamda ise, mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere malzeme adı verilir. Örneğin; insanların enerji ihtiyacını karşılamak için inşa edilen bir dolgu baraj yapımında doğal toprak ve kaya malzemeleri kullanılırken, insanların barınma ihtiyacını karşılamak için inşa edilen bir bina inşaatında beton, çelik, ahşap, cam ve plastik gibi yapay olarak üretilen malzemeler kullanılabilir. Malzeme, insanoğlunun tarihsel gelişiminde hep önemli bir yere ve etkiye sahip olmuştur. Öğle ki, her dönemin teknolojisi ve bir anlamda uygarlığı o dönemde kullanılan malzemelerle sınırlanmıştır. Tarih öncesinde yaşanan taş, bakır, bronz (tunç) ve demir çağları buna örnek olarak verilebilir. Nitekim malzeme kullanıldığı çağa adını verecek kadar insanlık tarihinde önemli bir yer tutmaktadır. MALZEME BİLİMİ; insanların yararlanabileceği malzemelerin yapısını, özelliklerini ve davranışlarını inceleyen, doğal veya yapay hammaddelerden seramik, polimer ve metal alaşımları gibi yeni mühendislik malzemelerinin üretimini araştıran ve çeşitli sanayi dallarında kullanımını sağlayan bilim dalıdır. Malzeme ve malzeme biliminin mühendisler için önemini kavramak için mühendislik mesleğinin tanımına ve mühendisin sorumluluklarına değinmek gerekir. Mühendislik mesleğinin tanımından bilindiği üzere; mühendisler, insanlar için toplumsal yaşamın gerektirdiği beslenme, barınma, korunma, ulaşım, enerji ve iletişim gibi somut ihtiyaçları karşılamak amacıyla, bilimin ve fennin ışığında ekonomik ve fonksiyonel çözümler, teknikler ve yöntemler geliştirerek, bunların hayata geçirilmesinde hizmet veriler. Bu hizmetlerin araştırma veya tasarım sürecinde karar verici, uygulama sürecinde ise organizasyon ve kontrol sorumluluklarını üstlenen çeşitli mühendislik dalları için malzemeler, kimi zaman incelenen, çoğu zaman da kullanılan ortak bir materyaldir. Örneğin, insanların barınma, ulaşım ve enerji gibi ihtiyaçlarını karşılamak için binalar, yollar ve barajlar gibi yapıları inşa etmekle sorumlu inşaat mühendisleri, bu yapıları toprak ve kaya malzemelerinden oluşan zemin üzerine inşa ederken, yapıların inşasında da beton, agrega, çelik, taş, ahşap ve çelik gibi daha birçok malzemeyi kullanırlar. Dolayısıyla, diğer mühendislik dallarında olduğu gibi inşaat mühendisleri de, çözümlerini gerçekleştirmek için yararlanmak zorunda oldukları çeşitli yapı malzemelerinin özelliklerini tanımak ve davranışlarını bilmek zorundadırlar. Öğle ki, mühendislik yapılarından beklenen; güvenlik, ekonomiklik, işlevsellik, estetiklik ve kalıcılık nitelikleri, ancak doğru tasarım ve yöntemler yanında, amaca uygun malzemelerin kullanılması ve gerekli tedbirlerin alınmasıyla sağlanabilir. Bu da, mühendislerimizin yeterli düzeyde malzeme bilgisine sahip olmasıyla mümkündür. 1

4 Giriş, Atomik Yapı MALZEMELERİN İÇYAPISI (ATOMİK YAPI) Doğadaki tüm maddeler gibi, malzemeler de atom veya atom gruplarından (molekül) oluşur. Nitekim malzemeleri öğrenmek için önce atomun yapısını, özelliklerini ve davranışlarını anlamak gerekir. MADDE; uzayda yer kaplayan, belirli bir hacmi ve kütlesi olan tanecikli yapılardır. ATOM; maddelerin en küçük yapıtaşıdır. MOLEKÜL; Aynı veya farklı tür en az iki atomun birleşmesiyle oluşmuş atom kümeleridir. ELEMENT; kimyasal çözümlemeyle ayrıştırılamayan veya bireşim yoluyla elde edilemeyen aynı cins atomlardan meydana gelmiş saf maddelerdir. Bir atomun yapısı, proton ve nötronları barındıran bir çekirdek ile bu çekirdek etrafındaki yörüngelerde hareket halindeki elektron parçacıklarından oluşur. Bir atomun ağırlığı, çekirdeğini oluşturan pozitif elektrikle yüklü protonlar ve yüksüz (nötr) olan nötronların ağırlıkları toplamına eşittir. Negatif elektrikle yüklü elektronların kütleleri ise atomun ağırlığına katkıları ihmal edilecek kadar küçüktür. Nötr bir atomda elektronların sayısı protonların sayısına eşittir, yani toplam elektriksel yük sıfırdır. Bir atomda bulunan protonların sayısı o atomun atom numarasını belirler. Atomun kütle numarası ise proton ve nötronların toplam sayısına eşittir. Örneğin; SODYUM (Na) atomunun çekirdeğinde 11 proton ile 12 nötron ve çevresindeki 3 yörüngede toplam 11 elektron bulunduğundan atom numarası 11, kütle numarası ise 11p+12n=23 dür. Malzemeyi oluşturan atom veya atom kümelerinin, aralarında var olan bağ kuvvetleri etkisinde bir araya gelerek, uzayda üç boyutlu olarak dizilmeleri şeklindeki oluşum İÇYAPI yada ATOMİK YAPI olarak adlandırılır. Malzemelerin özellikleri içyapılarına büyük ölçüde bağlıdır. Malzemelerin içyapıları ise içerdikleri atomların cinsine, dizilişine ve birbirlerine bağlanış biçimlerine göre değişir. Öğle ki bir cismin kimyasal bileşimi aynı kaldığı halde atomik diziliş biçimi değişirse özellikleri de büyük ölçüde değişir. Örneğin; %0,8 karbonlu çelik 800 o C sıcaklıkta ısıtıldıktan sonra 1 günde 1 saatte ve 1 saniyede olmak üzere üç farklı hızda soğutulacak olursa, mukavemetler yaklaşık 1/2/3 oranında farklı değerler alır. Bunun nedeni, üç farklı soğuma hızında atomların değişik biçimde dizilmesi, dolayısıyla üç değişik içyapı oluşmasıdır. Mikroskopla incelendiğinde bu farklar açık bir şekilde görülebilir. 2

5 Giriş, Atomik Yapı Atomun yapısında elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedirler ve belirli bir enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlar çekirdek çevresindeki yörüngelere yerleşirken önce en düşük enerji düzeyini doldururlar. Ancak tek yörüngeli atomlarda bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron, çok yörüngeli atomlarda ise en dış yörüngede en fazla 8 elektron bulunabildiğinden, elektronların sayıları arttıkça sırasıyla daha dıştaki bir enerji düzeyine (yörüngeye) geçerler. Bir enerji düzeyinde bulunan bir elektrona yeterli enerji verilirse boş olan bir üst enerji düzeyine atlayabilir. Nitekim her atom türünün elektron yapısı ve enerji düzeyleri farklıdır. Atomların bir arada tutularak maddeleri oluşturması atomlararası bağlar tarafından sağlanır. ATOMLARARASI BAĞLAR Atomlararası bağ kuvvetleri atomları bir arada tutarak içyapıyı oluşturur. Atomlararası bağ kuvvetlerinin oluşmasındaki ana etken ise atomların elektron yapılarıdır. Özellikle en dış yörüngede bulunan valans elektronları cisimlerin mekanik, fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirler. Atomlararası bağlar kuvvetli olursa malzemenin elastisite modülü, mukavemeti ve ergime sıcaklığı yüksek, ısıl genleşme oranı ise düşük olur. Birarada bulunan atomlar, dış kabuğundaki valans elektronları etkileşerek daha düşük enerjili, dolayısıyla daha kararlı bir yapıya sahip olma eğilimi gösterirler ve bu etkileşim sonucunda atomlararası bağ kuvvetleri doğar. Atomlararası bağ kuvvetleri zıt elektriksel yüklü parçacıklar arası elektrostatik veya Coulomb çekme kuvvetlerinden kaynaklanır. Öğle ki, atomlar birbirlerine elektron vererek, alarak yada elektron paylaşarak elektriksel yüklü hale gelirler, işte bu durumda aralarında Coulomb çekme kuvvetleri doğar. Atomlar bireysel halde belirli bir potansiyel enerjiye sahiptir. Aralarında bağlar oluşurken potansiyel enerji azalır ve denge halinde minimuma erişir, bu durumda karalı yapı meydana gelir. Atomlararası bağlar iki türdür; 1. Kuvvetli Bağlar 2. Zayıf Bağlar Kuvvetli bağlar genellikle atomlararası elektron alışverişi veya elektron paylaşılması, zayıf bağlar ise atomlar veya moleküller içerisinde elektronların asimetrik dağılışından kaynaklanan elektriksel kutuplaşma sonucu oluşur. Her ikisinde de elektrostatik çekme kuvvetleri etkili olur. Ancak büyüklükleri dolayısıyla enerjileri çok farklıdır. Zayıf bağları koparmak için gerekli ortalama enerji, kuvvetli bağalara kıyasla yaklaşık 10 kat daha küçüktür. Atomlararası Kuvvetli Bağlar (primer veya birincil bağlar) üç gruba ayrılır; 1.1. İyonik Bağlar 1.2. Kovalent Bağlar 1.3. Metalik Bağlar 3

6 Giriş, Atomik Yapı 1.1. İyonik Bağlar; genellikle metalik elementler ile metalik olmayan (ametal) elementler arasında valans elektronlarının alışverişinden kaynaklanan iyonlaşma sonucu oluşur. Elektron alan element eksi yüklü iyon (anyon), veren element ise artı yüklü iyon (katyon) olur. Zıt yüklü bu atomlar arasında elektrostatik Coulomb çekme kuvvetleri nedeniyle iyonik bağlar oluşur. İyonik bağlar küresel nitelikli olup, üç boyutta etkilidir ve yönsüz bağlar olarak nitelendirilir. Bir iyon çevresizdeki zıt yüklü iyonları kendine çeker, denge halinde potansiyel enerji minimum olur, dolayısıyla kararlı yapı meydana gelir. Ancak kütle içinde artı yük sayısı eksi yük sayısına eşit olması, diğer bir değişle net elektriksel yükün sıfır olması kararlı yapı için zorunludur. Genellikle artı yüklü iyonlarla eksi yüklü iyonlar üç boyutlu uzayda ardışık dizilerek düzenli bir yapı oluşturma eğilimi gösterirler. Bu nedenle NaCl, MgO, CaO ve Al 2O 3 gibi arı iyonik bağlı cisimler çoğunlukla düzenli kristal yapıya sahiptirler. Sodyum klorürde (NaCl) iyonik yapı oluşumu; 1.2. Kovalent Bağlar; ametaller ile ametaller arasında olup, genellikle gazlarda meydana gelir (H 2, NH 3, O 2, CH 4). Bu bağ türünde Valans elektronlarının ortak kullanımı söz konusudur. Periyodik tabloda birbirlerine yakın ve elektronegatiflikleri arasında az fark bulunan elemanların atomları veya aynı elemanın kendi atomları valans elektronlarını çiftler halinde paylaşabilirler. Paylaşılan eksi yüklü elektronlar artı yüklü iki komşu arasında sürekli titreşim halinde kalarak bir köprü oluştururlar. Bu şekilde kovalan bağ oluşurken atomlar birbirlerine yaklaşır, potansiyel enerji azalarak minimuma erişir ve kararlı bir yapı elde edilir. Kovalent bağlar aynı tür atomlar arasında oluşabildiği gibi (H 2, F 2, O 2), farklı tür atomlar arasında da oluşabilir (H 2O, CH 4, CCl 4). Bir atom valans kabuğunda her boş enerji düzeyine karşı bir çift elektron alarak bir kovalent bağa sahip olur. 4

7 Giriş, Atomik Yapı Farklı ve aynı tür atomlar arasında Valans elektronlarının ortak kullanımı ile Kovalent bağ oluşumu: 1.3. Metalik Bağlar ise; valans enerji kabuğunda az sayıda elektron ( 3) içeren atomlar arasında oluşur. Metaller son yörüngelerindeki valans elektronlarını serbest bırakarak iyon haline gelirler. Serbest kalan elektronların metal çekirdeği ile bağları çok zayıftır ve hiçbir atoma bağlı kalmadan metal çekirdekleri etrafında serbestçe dolaşırlar. Metal atomları birbirine yaklaştığında son yörüngelerindeki enerji bantları birbirinin içine girer ve serbest elektronlar bu bantlarda hareket edebilirler. Metallerin valans elektronlarını serbest bırakmaları özelliği, iyi elektrik iletimi sağlamalarına sebep olur. Bu bantlar içinde hareket eden negatif yüklü elektronlar ile pozitif yüklü çekirdek arasındaki elektrostatik çekim kuvvetleri metalik bağı oluşturur. Atomlararası Zayıf Bağlar (sekonder veya ikincil bağlar); Atomlar veya moleküller içinde elektronlar asimetrik dağılırsa artı ve eksi elektriksel yük merkezleri çakışmaz, bunun sonucu elektriksel kutuplaşma meydana gelir (dipol oluşumu), Zayıf bağlar diğer bir deyimle Van der Waals kuvvetleri zıt işaretli iki kutup arasındaki çekme kuvvetlerinden kaynaklanır. MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI Endüstride çok çeşitli malzeme türleri vardır, ayrıca gün geçtikçe bunlara yenileri eklenmektedir. Bunları ayrı ayrı ele alarak incelemek imkânsızdır. Bunun yerine yapı ve özellikleri benzer olanları sınıflara ayırarak ortak yanlarını tanıtmak daha uygundur. Eski kaynaklarda değişik sınıflandırmalara rastlanır. Ancak yakın yıllarda malzeme bilimindeki önemli gelişmelerden yararlanarak ileri sürülen en tutarlı ve en uygun sınıflandırma atomlararası bağ türlerine dayanır. Buna göre malzemeler; 1. METALİK MALZEMELER, 2. SERAMİK MALZEMELER ve 3. PLASTİK MALZEMELER (Polimerler) olmak üzere 3 sınıfa ayrılır. 5

8 Giriş, Atomik Yapı 1. METALİK MALZEMELER; Metalik bağa sahip metallerde aynı veya benzer tür atomlar düzenli bir biçimde dizilerek kristal yapı oluştururlar. Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır gibi malzemelerdir. Metalik malzemelerin karakteristik özellikleri, Hacimsel atom yoğunlukları yüksektir, Bu nedenle özgüi ağırlıkları diğer sınıflara göre büyüktür, çoğunlukla 7 Mg/m 3 ün üstündedir. Metaller serbest elektron içerdiklerinden ısıl ve elektriksel iletkenlikleri yüksektir. Saydam olmayıp opaktırlar, ışığı iyi yansıtırlar, Metallerin mukavemetleri ve elastisite modülleri yüksektir. Çoğunlukla sünektirler ve plastik şekil vermeye elverişlidirler. Ayrıca alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemle sertlik ve mukavemetleri artırılabilir. 2. SERAMİK MALZEMELER; metal ve metal olmayan elementlerin aralarında oluşturduğu iyonik bileşiklerdir. Elektropozitif elementler (Na, Mg, Fe ve Al) elektronegatif elementlerle (Cl ve O) kolayca iyonik bağlar kurarak NaCl, FeO, SiO 2 ve MgO gibi çok çeşitli türde seramik malzemeler meydana getirirler. Beton, taş, tuğla, cam ve kiremit gibi seramik türden malzemeler, yapı üretiminde yaygın olarak kullanılan yapı malzemeleridir. Ayrıca ileri teknoloji seramik diye adlandırılan oksitler, karbürler ve nitrürler üstün mekanik özelliklerinden dolayı son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Seramik malzemelerin karakteristik özellikleri, Doğada çoğunlukla kristalli ve kısmen amorf yapıda bulunurlar. Özgül ağırlıkları metallerden az, plastik malzemelerden çok olup 2 3 Mg/m 3 arasındadır. Seramikler plastik şekil değiştirmezler, sert ve gevrek olurlar. Yüksek sertlikleri dolayısıyla (Al 2O 3 gibi), aşındırıcı (abrazif) olarak kullanıma elverişlidirler. Ergime sıcaklıkları yüksektir. Elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Elektrikli ısıtıcılarda yalıtım malzemesi (refrakter malzeme) ve elektrik hatlarında elektrik izolatör malzemesi olarak kullanılırlar. Yüksek sıcaklık ve korozyonlu ortamlara dayanıklılıkları mükemmeldir. Saydamdırlar, ışığı kötü yansıtırlar. Çekme mukavemetleri düşük olmakla beraber, Basınç mukavemetleri yüksek ve dış etkilere dayanıklılıkları iyidir. 3. PLASTİK MALZEMELER (Polimerler); genellikle metal olmayan elementlerden oluşan kovalent bağlı malzemelerdir. Ana element C (karbon) olup, bunun yanında çoğunlukla H (hidrojen), bazılarında ise Cl, F, O, N ve S bulunabilir. Monomer denilen molekül bireyleri birbirine kovalent bağlarla eklenerek çok büyük dev moleküllere dönüştürülür ve dolayısıyla polimer adını alırlar. Bu tür malzemeler üretiminin belirli aşamasında yumuşayarak plastik kıvam aldıktan ve sonra bir kalıba enjekte edilerek şekil verilebildiklerinden plastik olarak anılırlar. 6

9 Giriş, Atomik Yapı Plastikler kovalent bağın sürekliliği ve atomların dizili biçimine göre iki faklı tür molekül yapısına sahiptirler; 3.1. Lineer Polimerler (Termoplastikler) 3.2. Uzay Ağı Polimerleri (Termoset Plastikler) 3.1. Lineer Polimerler, kovalent bağlarla bir boyutta zincir şeklinde dizilirler, moleküller arası bağlar zayıf türdendir. Isıtılınca bu zayıf bağlar koptuğundan kolayca yumuşarlar, soğuyunca sertleşerek tekrar kullanılabilirler. Polietilen (PET), polivinilklorür (PVC) ve polistren (EPS, XPS) gibi malzemeler örnek gösterilebilir Uzay Ağı Polimerleri ise, üç veya daha fazla reaksiyon bağına sahip merler üç boyutlu uzayda sürekli kovalent bağ ağı oluştururlar. Bu tür polimerler üretim sürecinde sertleştikten sonra ısıtılma ile yumuşamazlar, aşırı sıcaklıkta kovalent bağlar koparak parçalanır, dolayısıyla tekrar kullanılmaları söz konusu değildir. Bakalit, epoksi ve poliyester gibi malzemeler örnek gösterilebilir. 7

10 Giriş, Atomik Yapı Plastik malzemelerin karakteristik özellikleri, Hacimsel atom yoğunlukları küçüktür, bu nedenle özgül ağırlığı düşük ve hafif malzemelerdir. Polimerlerin ısıl ve elektriksel iletkenlikleri çok düşüktür, yalıtım malzemesi olarak kullanıma elverişlidirler. Arı halde genellikle saydamdırlar, ışığı geçirirler, bununla beraber en kötü yansıtıcıdırlar. Mukavemetleri ve elastisite modülleri düşüktür. Lineer polimerler yumuşak ve sünek olup kolay şekil değiştirirler, Uzay ağı polimerleri ise sert ve gevrektir, plastik şekil değiştirmezler. 8

11 Kristal Yapılar, Miller İndisleri KRİSTAL YAPILAR Malzemelerin içyapısı, atomlararası bağ kuvvetleri etkisinde atomların diziliş biçimine bağlıdır. Atomların dizilişi düzenli ise KRİSTAL YAPI, düzensiz ve rastgele ise AMORF YAPI oluşur. Düzenli yani kristal yapılı bir malzemede herhangi bir doğrultu boyunca atomlararası uzaklıklar eşit ve çevreleri özdeştir. Metallerin tümü, seramiklerin önemli bir kısmı ve bazı polimerler kısmen kristal yapılıdır. Sıvı halde rastgele dağılmış olan atomlar katılaşırken düzenli biçimde dizilerek kristal yapıyı oluştururlar. Ancak gerçekte kristal malzemelerin atomik yapılarında bazı içyapı kusurları da bulunur. Bu bölümde öncelikle kusursuz kristallerin yapısı ve geometrik özellikleri ele alınacak, daha sonra doğada bulunan gerçek kristallerin içerdikleri kusurlar tanıtılacaktır. 1. KRİSTAL YAPI VE TÜRLERİ 1832 yılında bir İngiliz mineralog olan William Hallowes Miller minerallerini incelerken, kristal yapıların belirli bir oryantasyonda olduğunu ve belirli bir ufacık yapının sürekli tekrar ederek maddeleri oluşturduğunu fark etmiştir. Bu en küçük tekrarlayan düzenli yapı birimine Birim Hücre denmiştir. 9

12 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Kristal yapı, koordinat sisteminde eksenlere paralel düzlemler ile uzayın eşit hacimlere bölündüğü basit bir geometrik şekille modellenirse, eş hacimlerden her biri de birim hücreyi temsil eder. Genel koordinat sisteminde kristal yapı modeli ve birim hücre Geometrik bir kural olarak, uzayı 7 farklı şekilde eşit hacimlere bölebiliriz. Gerçekten de doğada 7 farklı kristal türü veya kristal sistemi vardır. Koordinat sisteminden görüldüğü gibi; x, y, z eksen takımlarını kesen düzlemlerin ayırdığı eşit hacimlerden her biri eğik genel prizmalar şeklindedir. Birim hücre olarak adlandırılan bir prizmanın açılarına ve kenarlarına özel değerler verilerek aşağıdaki 7 kristal sistemin ve türünün birim hücreleri elde edilir. Kristal Türleri 10

13 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Kristal Türleri 11

14 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Metallerin büyük çoğunluğu kübik kristal, yalnız Zn ve Mg hegzagonal kristal yapıya sahiptir. Diğer kristal türlerine endüstriyel metallerde rastlanmadığından burada ele alınmayacaktır. Ancak, birim hücrelerin biçimi içyapıyı tanıtmaya yetmez, ayrıca atomların diziliş biçimini içeren kafes yapıları da bilmek gerekir. 2. KAFES YAPILAR Atomların kristal sistemindeki diziliş biçimi Kafes Yapı olarak adlandırılır. Belirli bir kristal türüne atomları birden fazla biçimde dizme olanağı vardır. Yedi kristal türü için toplam 14 farklı kafes yapı (atomsal diziliş) olasılığı vardır. Burada yalnız kübik kafes yapılar ele alınacaktır Kübik Kafes Yapılar Geometrik yönden kübik kristale atomlar 3 ayrı şekilde dizilerek içyapıyı oluşturur. 1. Basit Kübik (BK) Kafes 2. Hacim Merkezli Kübik (HMK) Kafes 3. Yüzey Merkezli Kübik (YMK) Kafes Basit Kübik (BK) Kafes Basit kübik kafes yapıda, küpün her köşesinde bir atom bulunur ancak kararsız bir diziliş türü olduğundan doğada bu yapıya sahip bir element yoktur. 12

15 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Hacim Merkezli Kübik (HMK) Kafes Küpün her köşesinde birer atom ve merkezinde de bir atom bulunur ve köşe atomları merkez atoma teğettir. Atomun yarıçapı R olduğuna göre birim hücrenin kenarı a nın R cinsinden ifadesi, 4R/ 3 tür. Gerçekte her köşedeki atom 8 komşu birim birim hücre arasında paylaşılmaktadır. Küpün merkezinde bulunan 1 atom ve her bir köşede bulunan 1/8 atomla birlikte birim hücredeki toplam atom sayısı 2 dir. Hacim merkezli kübik (HMK) kafes Birim hücredeki atomların diziliş sıklığını ifade etmek için Atomsal Dolgu Faktörü (ADF) kullanılır. Buna göre (HMK) kafesin atomsal dolgu faktörü; Bu sonuca göre hacim merkezli kübik kafese sahip bir yapıda hacmin %68 i dolu, %32 si boştur Yüzey Merkezli Kübik (YMK) Kafes Yüzey merkezli kübik kafeste, birim hücrenin köşelerinde birer ve yüzeylerin merkezinde de birer atom vardır. Birim hücrede, biri köşelerde üçü yüzey merkezlerinde olmak üzere toplam 4 atom vardır. Birim hücrenin bir kenarı bir kenarı a nın R cinsinden ifadesi, 4R/ 2 tür. 13

16 Kristal Yapılar, Miller İndisleri (YMK) kafesin atomsal dolgu faktörü; Metaller çoğunlukla YMK kristal yapıya sahiptir. Ayrıca iyonik bileşiklerin önemli bir kısmı da YMK kristal yapılıdır. Şekilde birim hücresi görülen NaCl bunlara bir örnektir Hegzagonal Kafes Yapılar Hegzagonal sık düzen kafesinin (HSD) birim hücresinde; köşelerde 12x1/6= 2, alt ve üst tabanda 2x1/2 = 1 ve içinde de 3 olmak üzere birim hücrede toplam 6 atom bulunur. Hegzagonal sık düzenin (HSD) atomsal dolgu faktörü hesaplanırsa 0,74 olup (YMK) ile aynıdır. Doğada bu tür kafes yapıya sahip element bulunmamaktadır. 3. POLİMORFİZM (Allotropizm) 14

17 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Aynı bileşimde iki molekül değişik atomsal dizilişe sahipse bunlara İZOMER denir. Buna benzer şekilde aynı kimyasal bileşime sahip fakat değişik kristal yapılı cisimlere polimorflar ve bu özelliğe de POLİMORFİZM denir. Bunun en ilginç örneği demirdir. Demir oda sıcaklığında (HMK) 910 o C nin üstünde (YMK) 1400 o C nin üstünde de (HMK) kristal yapılıdır. Yüksek sıcaklıkta sık dizili YMK yapılı demir, soğurken seyrek dizili HMK yapılı demire dönüşürken hacmi artar. Bu özelliğe sahip malzemelerin hangi kristal yapıda bulunduğu, sıcaklığa ve dış basınca bağlıdır. 4. KRİSTAL GEOMETRİSİ Kristallerde atomların merkezlerini birleştiren doğrular uzatılarak uzayda kafes görünümünde bir yapı elde edilir, bundan dolayı buna kafes yapı denilmektedir. Değişik doğrultularda ve değişik düzlemlerde aynı atomsal diziliş görülebileceği gibi farklı atomsal dizilişler de görülebilir. Bu nedenle, malzeme özellikleri de değişik düzlemlere ve doğrultulara göre farklılık gösterebilir. Malzemelerin tüm özelliklerinin doğrultudan bağımsız olması özelliği İzotropi, özelliklerin doğrultuya bağlı olarak değişiklik göstermesi özelliği ise Anizotropi olarak tanımlanır. Çelik izotrop malzemelere, ahşap ise anizotrop malzemelere örnek gösterilebilir. Nitekim kristal yapılı malzemelerin özelliklerini ortaya koymak için içyapılarını geometrik yönden de incelemek ve kristal doğrultularını belirlemek gerekir Kristal Doğrultuları Kristallerin birçok özelliği kristal doğrultularına bağlı olarak değişir. Kristal doğrultularını belirtmek için Miller İndisleri kullanılır. Bir kafes yapıda herhangi bir doğrultuya paralel sonsuz sayıda doğru vardır. Kristal yapıyı tanıtmak için ana doğrultulara paralel bir o-xyz eksen takımı seçilir. Miller indisleri, belirlenecek doğrultuya paralel olup, orijinden başlayarak bir sonraki kafes köşesinde sona eren doğrultu vektörü tanımlanır. Bu doğrultu vektörünün eksenler üzerindeki izdüşümleri, kafes sabiti cinsinden, [hkl] şeklinde ifade edilen en küçük tam sayılar dizisi o doğrultunun Miller indisleridir. 15

18 Kristal Yapılar, Miller İndisleri Örneğin şekilde görüldüğü gibi; ox doğrultusunun (1) doğrultu vektörünün bu eksen üzerindeki bileşeni a, diğerleri üzerindeki bileşenleri sıfırdır. Bu bileşenler a kafes sabitine bölünür ve bulunan 1,0,0 boyutsuz tam sayıları, bu doğrultunun miller indisleri olarak [100] şeklinde ifade edilir Kristal Düzlemleri Kristallerde atomlar düzlemler üzerinde dizilirler. Atomların diziliş biçimi ve diziliş sıklığı, üzerlerinde bulundukları düzlemlere göre değişir, dolayısıyla özellikler de kristal düzlemlerine bağlı olarak değişir. Kafes yapıdaki belirli bir düzlemi belirtmek için (hkl) şeklinde tam sayılardan oluşan Miller indisleri kullanılır. Şekilde verilen düzlem xyz eksenlerini orijinden başlayarak a, 2a ve a mesafelerinde kesmektedir. Bu doğru kesitleri, kafes sabiti a ya göre boyutsuz hale getirilir; 1,2,1. Sonra bu sayıların tersleri alınır; 1/1, 1/2, 1/1. Bu sayılar uygun bir ortak çarpanla çarpılarak en küçük tam sayılar grubu elde edilir; 2x(1,1/2,1)=2,1,2. Bunlar bu düzlemin Miller indisleri olup tırnak içinde virgül koymadan verilir; (212). 16

19 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım KRİSTAL YAPI KUSURLARI Önceki bölümlerde kusursuz kristallerin yapısı tanıtıldı. Bu yapılırken genellikle küp veya prizma şeklinde tek kristaller ele alındı ve kristal içinde bütün kafes köşelerinin aynı tür atomlar (arı metal) tarafından doldurulduğu, bütün kristal düzlemlerinin ve doğrultularının kristal boyunca uzandığı varsayıldı. Ancak gerçekte kusursuz kristal yok sayılır. Kristallerin içinde değişik boyutta yabancı atomlar bulunabilir, bazı kafes köşeleri boş (eksik atom), bazı atomlar yerinden kaymış ve bazı kristal düzlemleri yarım olabilir. Bunlardan başka cisim tek yerine çok kristalden oluşabilir. Yukarıda sözü edilen tüm etkenler ve çok kristalli cisimlerde sınır bölgeleri kütlenin düzenli yapısını bozar ve kusurlu hale getirir. Bu kusurların biçimi, boyutu ve miktarı toplam kütleye göre çok az olsa da özellikleri büyük ölçüde etkiler. Malzemelerin gerçek davranışını açıklayabilmek için bu kusurları yakından tanımak gerekir. Bu bölümde yalnız arı kristallerdeki kusurlar ele alınacak, yabancı atomların neden olduğu içyapı kusurlarını içeren gerçek malzemelerin davranışı ise ayrı bir bölümde tanıtılacaktır. Kristal kusurları üç çeşittir; 1. NOKTASAL Kusurlar 2. ÇİZGİSEL Kusurlar (Dislokasyonlar) 3. DÜZLEMSEL Kusurlar Noktasal Kusurlar; birkaç eksik veya yer değiştirmiş atomdan kaynaklanır. Bunların mekanik özelliklere etkisi önemsizdir. Çizgisel Kusurlar; kristalde boydan boya bir çizgi boyunca uzanan şekildeki kusurlardır. Bu tür kusur özellikle metallerin mekanik özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Yüzeysel Kusurlar; iki boyutlu olup, kristallerin yüzeyleri ve çok kristalli yapılarda kristal bireyleri arasındaki tane sınırlarıdır. 1. NOKTASAL Kusurlar Bir atomun eksik olduğu boş kafes köşesidir ve simgesi ile belirtilir. Noktasal kusurların oluşum nedenleri; Sıvı metal katılaşırken, plastik şekil değiştirme ve yüksek sıcaklıkta ısıl titreşim gibi etkilerle atomların yer değiştirmesi Kafes yapıda atomlar arası yeterli boşluk varsa araya giren fazla atom (arayer atomu) Kafes köşesinde bulunan farklı büyüklükteki atomlar Noktasal kusurlar çevrelerinde gerilme alanı yaratırlar. Mekanik özelliklere etkileri az, elektriksel özelliklere etkileri büyüktür. 17

20 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım Noktasal kusur nedenleri ve türleri; 2. ÇİZGİSEL Kusurlar (Dislokasyon) Çizgisel kusurlar kristallerde atomsal dizilişin bir çizgi boyunca bozulması sonucu oluşur. Atomlar denge konumundan ayrıldıklarından çizgi çevresinde artık gerilmeler doğar. Dislokasyonlar çoğunlukla katılaşma sürecinde oluşmakla beraber plastik şekildeğiştirme sırasında sayıları artar. Kenar Dislokasyonu ve Vida Dislokasyonu olmak üzere başlıca iki tür basit dislokasyon vardır. 18

21 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım 2.a) Kenar Dislokasyonu Kenar dislokasyonu kristal yapıda kısmen eksik bir atom düzleminin kenarı olarak tanımlanır. Kenar dislokasyonları simgesi ile belirtilir. Düzlemin ucundaki atomlar sıkışık durumda olup basınç bölgesi, altındakiler de açılmaya zorlandıklarında çekme bölgesi meydana gelir. Aşağıda, kuvvet etkisiyle bir kenar dislokasyonun ilerleyişi sembolik olarak gösterilmiştir. 2.b) Vida Dislokasyonu Vida dislokasyonu kristalde bir düzlem boyunca kısmen kayma şeklinde ötelenme sonucu oluşur. Şekilde görüldüğü gibi; kristalin ön üst kısmı, alt kısmına göre bir atom mesafesi büyüklüğünde sağa doğru kaymıştır. Göreli olarak kayan (renkli) yüzeylerin sınırındaki kırmızıçizgi Dislokasyon Çizgisi olarak isimlendirilir ve hareket dolayısıyla bu çizgi boyunca kayma gerilmeleri doğar, dolayısıyla potansiyel enerji artar. Vida dislokasyonu ismini, atom düzlemlerinin dislokasyon çizgisi etrafında spiral veya helisel bir yol izlemesinden alır. Vida dislokasyonları U sembolü ile gösterilir. Gerçekte kristallerde karışık türden dislokasyonlar vardır. Elektron mikroskobu ile elde edilen görüntülerde dislokasyonların çok karışık ve sürekli uzay ağı şeklinde oldukları saptanmıştır. 19

22 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım 3. DÜZLEMSEL Kusurlar (Yüzeyler ve Tane Sınırları) Kristallerin yüzeyleri ile çok kristalii yapılarda kristal bireyleri arasındaki tane sınırları iki boyutlu kusur sayılırlar. Yüzeyler: Bir kristal bireyinin yüzeyinde bulunan atomlar içinde bulunan atomlarla eşdeğer değildir. Yüzey atomlarının yalnız bir tarafında kusurları vardır. Bundan dolayı yüzey atomlarının enerjileri daha yüksek ve içindekilere göre daha zayıf bağlıdırlar. Tane Sınırları: Kristal yapılı malzemeler sıvı halden katılaşırken aynı anda birçok kristal çekirdeği oluşmaya başlar ve bunlar kütleyi doldururlar, sonuçta çok kristalli bir yapı elde edilir. Çok kristalli bir malzemede kristal bireylerine TANE denir. Tanelerdeki kristal doğrultular rasgele dağılmıştır. Şekilde görüldüğü gibi kristaller büyürken sıvı içindeki atomlar sürekli olarak kristallere katılarak düzenli hale geçerler. Tanelerin biçimi ve büyüklüğü komşuları tarafından sınırlanır, birbirlerine değdikleri yerde tanelerin büyümesi durur. Kristal bireyleri kalan atomlar komşu tanelerle uyum sağlayamazlar, dolayısıyla rasgele düzensiz halde dağılmış durumda kalırlar. Taneler arasındaki bu düzensiz amorf bölgeye TANE SINIRI denir. Tane sınırları kimyasal etkilere karşı daha duyarlıdırlar. Atomsal yayınım daha kolay olur ve korozyon daha hızlı ilerler. Diğer taraftan komşu tanelerle uyum sağlayamadıklarından dislokasyon hareketlerine engel olurlar. Nitekim bir metalde, taneler küçüldükçe tane sınırı alanı büyür, dolayısıyla engeller artar. Bunun önemli bir sonucu olarak, plastik şekil değiştirme kısıtlanır ve mukavemet artar. 20

23 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım Metallerin içyapısını inceleyen bilim dalına metalografi denir. Metalin içyapısını incelemek için, önce incelenecek metal numunenin yüzeyi parlatılır, sonra uygun bir ayıraç dağlanır. (Örneğin demir için %2 nitrik asit içeren etil alkol dağlama ayıracı olarak kullanılır.) Metalin yüzeyine pamukla sürülen ayıraç tane sınırlarındaki atomları kolaylıkla eriterek uzaklaştırır ve böylece ağ şeklinde belirgin dağlama çukurları oluşur. Metal mikroskobunda, tane sınırlarındaki çukurlara düşen ışık demeli dağılır ve bu bölgeler koyu, tanelerin yüzeyi ayıraçtan daha az etkilendiğinden ışık yansıyarak geri döner, dolaysıyla daha açık renkte görünür. ATOM HAREKETLERİ VE ATOMSAL YAYINIM Malzemelerin üretim ve uygulama süreçlerinde görülen katılaşma, çökelme, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi gibi olaylarla kaynak ve sementasyon gibi işlemler büyük ölçüde atomların kütle içindeki hareketlerine bağlı olarak meydana gelir. Isıl enerji etkisinde oluşan bu hareketler iki farklı aşamada gerçekleşir. İlki; ısıl etki ile atomların kendi denge konumları çevresindeki küçük titreşim hareketleri, İkincisi ise; yine ısıl etki ile bir denge konumundan diğerine atlayarak yaptıkları uzak mesafe hareketleridir. Bu ikinci davranış Atomsal Yayınım veya Difüzyon olarak adlandırılır. Atomsal yayınım sonucu cismin yapısı ve bunun sonucu olarak da özellikleri değişir. Katı malzemelerde meydana gelen difüzyon gaz ve sıvılardaki difüzyondan çok daha yavaştır. 21

24 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım 1. ATOMSAL YAYINIM MEKANİZMALARI Sıcaklık yükseldikçe atomların ısıl titreşimleri artar ve bir kısmı içinde bulunduğu yapıda bir konumdan diğer konuma atlayarak yer değiştirir. Atomsal yayınım veya difüzyon denen bu olayda, önce atomun çevresi ile bağları kopar, sonra atomlararası boşluklardan geçer ve yeni konumunda çevresi ile yeni bağlar kurar. Kütle içinde atomların yayınımı üç farklı şekilde gerçekleşebilir; 1.1. Boşluk Yayınımı: bir atomun yanındaki boşluğu doldurmak için kendi kafesindeki yerini terk etmesidir (bu nedenle orijinal kafes yerinde yeni bir boşluk oluşturur). Boşluk 1. Durum 2. Durum 1.2. Arayer Yayınımı: kristal yapıda mevcut bulunan küçük bir arayer atomunun bir arayerden diğer bir arayere hareketidir. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için boşluklara gerek yoktur. Arayer Arayer Atomu 1. Durum 2. Durum 1.3. Halka Yayınımı: olasılığı düşük olmakla beraber, birbirine değen atomlar aynı anda ve aynı yönde hareket ederek birbirlerinin yerini alabilirler. Bu tür yayınım çok büyük enerji gerektirdiğinden ancak ergime sıcaklığına yakın bölgelerde oluşabilir. Yayınımların çoğu boşluk ve arayer mekanizmalarıyla gerçekleşir. 22

25 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım 2. YAYINIM İÇİN AKTİVASYON ENERJİSİ Atomlar, mutlak sıfır sıcaklıkta (0 ok) statik haldedir ve potansiyel enerjileri minimumdur. Isıl enerji vererek sıcaklık arttırıldığı zaman atomlar kendi denge konumları çevresinde titreşmeye başlarlar, aralarındaki bağıl uzaklık sürekli değişir ve dolayısıyla sahip oldukları kinetik ve potansiyel enerjiler de değişir. Katı yapı içinde yeterli düzeyde yüksek enerjiye sahip atomlar bir denge konumundan diğerine atlayarak atomsal yayınımı oluştururlar. Hareket eden bir atom yeni yerine ulaşmak için çevre atomların sıkıştırma engelini geçmek zorundadır. Bu enerji engelini aşmak için atoma enerji sağlanmalıdır. Bunun için atom ısıtılır. Yayınan bir atomun bir enerji engelini aşması için gerekli enerjiye Aktivasyon Enerjisi (Q, kal/mol) denir. Yayınımın oluşabilmesi için aktivasyon enerjisi enerji engeline eşit olmalıdır. Genellikle yeralan atomların yayınımı için arayer atomlarından daha fazla aktivasyon enerjisine ihtiyaç vardır. 3. ATOMSAL YAYINIM KURALLARI Bir yayınım sistemi genellikle bir anafaz (eriten sistem) ile o fazın yapısında hareket eden yabancı atomlardan (eriyen sistem) oluşur. Şekilde, Ni kaplanmış Cu kristali görülmektedir. Başlangıçtaki yüzeyde bütün atomlar Ni dir. Yüksek sıcaklıkta yeterince uzun beklenirse bakır ve nikel atomları bütün metal boyunca düzenli olarak dağılır. 23

26 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım 3.1. Yayınım Hızı (1. Fick Kanunu) Bir malzeme içinde atomların yayınım hızı, birim zamanda birim düzlem alanı boyunca geçen atom sayısı olarak tanımlanan akı J ile ölçülebilir. 1. Fick kanunu net atom akısını açıklar. J D c Δc / Δx Atomsal yayınım akısı (atom/(m2s)) Yayınım katsayısı (m2/s) Atom konsantrasyonu Konsantrasyon gradyanı Konsantrasyon gradyanı yüksek iken başlangıçtaki akısı da yüksektir ve gradyan azalırken düzenli bir şekilde düşer. Yayınım katsayısı sıcaklığa, yayınım sisteminin türüne ve yapısına bağlıdır. Yayınım olayı hacim yayınımı, yüzey yayınımı ve tane sınırı yayınımı olmak üzere üç çeşittir. D Yayınım katsayısı (m2/s) Q Aktivasyon enerjisi (kal/mol), R Gaz sabiti (8,314 J / molk) T Mutlak sıcaklık D0ve Q yayınım sistemine bağlı sabitler olup deneysel yolla ölçülebilirler. Bazı metallerde yayınım sabiti ve aktivasyon enerjisi 24

27 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım Küçük atomlar daha kolay yayınır. Belirli bir atom ergime sıcaklığı düşük dolayısıyla atomlararası bağ daha zayıf olan ortamda daha kolay yayınır. Atomsal dolgu faktörü düşük ortamlarda yayınım daha az enerjiyi gerektirir. Düzensiz yapıya sahip ve atom sıklığı tanelere göre daha az olan tane sınırları boyunca yayınım daha kolay oluşur. Bu nedenle faz dönüşümleri ve korozyon olayları tane sınırlarında başlar ve daha hızlı oluşur Kompozisyon Profili (İkinci Fick Kanunu) İkinci Fick kanunu ise, atomların dinamik veya durağan olmayan hallerini tanımlar. Şeklinde bir diferansiyel eşitliktir. Denklemin çözümü belirli bir durum için sınır kurallarına bağlıdır. D terimi sabit kaldıkça değişik şartlarda aynı konsantrasyon profili elde edilebilir. Bu özellik, belirli bir ısıl işlemin uygulanması için gerekli zaman üzerine sıcaklığın etkisini belirlemeyi sağlar. 4. ATOMSAL YAYINIMIN OLUŞTUĞU BAZI ENDÜSTRİYEL UYGULAMALAR 4.1. Sementasyon İşlemi Az karbonlu çelik yumuşak ve sünektir, işlenmesi kolaydır. Ancak aşınma mukavemeti düşüktür. Çeliğe şekil verdikten sonra sürtünmeye maruz kalacak yüzeylere sementasyon işlemi uygulayarak yüzeysel karbon oranı artırılır, sonra su vererek sertleştirilir, böylece aşınmaya daha dayanıklı olur. Sementasyon işleminde az karbonlu çelik aktif karbon atomları içeren bir ortamda yüksek sıcaklıkta (800 oc ın üzerinde) ısıtılır. Karbon atomlarının yayınması sonucu yüzeyde ince bir tabaka boyunca yüksek karbonlu bir yapı oluşur. Bu şekilde semente esilmiş çeliğe su verilirse yüzeyi sert ve aşınmaya dayanıklı içi yumuşak ve tok bir malzeme (motorların krank mili için uygun) elde edilir Galvanizasyon İşlemi Demirin korozyona karşı mukavemetini artırmak için ergimiş çinko banyosuna daldırılır. Çinko yüzeysel yayınım sonucu demir yüzeyinde ince bir tabaka oluşturur. Bu şekilde elde edilen galvanizli saçlarda ve borulardaki çinko tabakası ana metali korozyona karşı korur Kaynak ve Lehim İşlemi Metal parçalarını birleştirmek için uygulanan bu işlemler yayınım olayı ile gerçekleşir. Kaynak işleminde; iki metal parçası yüksek sıcaklıkta ergitilerek aralarında uzak mesafeli bir yayınım sağlanır. Ergitme için gaz alevi veya elektrik arkı kullanılır. Yüksek sıcaklıkta basınç altında iki metal parçası arasında yayınım sonucu kaynak oluşur. Buna basınç veya demirci kaynağı denir. Ergime sıcaklığı 1500 oc olan demire basınç kaynağı 800 oc civarında uygulanır. En iyi bileşim ergitme kaynağı ile sağlanır ve kaynak bölgesinin mukavemeti ana metalden daha yüksektir. 25

28 Kristal Kusurları, Atomsal Yayınım Lehimde ise dolgu metalinin ergime sıcaklığı birleştirilecek ana metalinin çok altındadır. Dolgu metalinin ergime sıcaklığı 400 oc nin altında ise yumuşak lehim denir. Sert lehimde pirinç veya gümüş alaşımları, yumuşak lehimde ise kurşun-kalay alaşımları kullanılır. Lehim metalinin ergime sıcaklığı yükseldikçe yayınım derinliği artar ve daha mukavim bir birleşim sağlanır Sinterleme ve Toz Metalurjisi Sinterleme (pişirme) ; malzeme parçacıklarının birbirleriyle birleşmesini sağlayan ve kademeli bir şekilde parçacıklar arasındaki gözenek hacmini azaltan bir yüksek sıcaklık işlemidir. Sinterleme esnasında difüzyon işlemleri. Temas noktalarında atomlar difüz eder, körüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur. İnşaat endüstrisinde dolgu duvar ve çatı örtü malzemesi olarak yaygın şekilde kullanılan tuğla ve kiremitin üretim sürecinde, mukavemet kazandırmak için uygulanan pişirme işlemi, atomsal yayınımla gerçekleşen sinterleme uygulamalarına iyi bir örnektir. 26

29 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları FAZ DÖNÜŞÜMLERİ VE FAZ (DENGE) DİYAGRAMLARI Önceki bölümlerde cisimlerin içyapıları tanıtıldı. Bu bölümde ise içyapıların nasıl oluştuğu ve içyapı oluşumunu hangi etkenlerin ne şekilde etkilediği ele alınmıştır. Bir cisim, bağ kuvvetleri etkisi altında en düşük enerjili denge konumunda bulunan atomlar grubundan oluşur. Homojen olarak dizilmiş bu atomlar kararlı denge halinde belirli bir faz meydana getirirler. Ancak koşullar değişirse enerji içeriği değişir, denge bozulur, atomlar daha düşük enerji gerektiren başka bir denge konumuna geçerek değişik biçimde dizilirler ve sonuçta yeni bir FAZ oluşur. Fazların oluşumunda ve dönüşümünde ana etken enerji içeriğidir. Enerji içeriğini değiştiren 3 ana etken; Sıcaklık, Basınç ve Bileşim dir. Arı cisimler tek bileşenli en basit yapılı sistemlerdir, sıcaklık ve basınca bağlı olarak KATI, SIVI ve GAZ halinde bulunurlar. Birden fazla tür atom içeren çok bileşenli sistemlerin dengesi ise çok daha karışıktır. Bu değişkenler etkisinde oluşacak fazların türlerini ve bunların özelliklerini bilmek uygulama yönünden çok önemlidir. Böylece amaca uygun özelliklere sahip malzeme üretimi olanakları sağlanabilir. Bunun için gerekli bilgiler de ancak denge diyagramları yardımıyla elde edilebilir. Denge diyagramları yardımı ile belirli bir malzeme sisteminde sıcaklık ve bileşime bağlı olarak oluşacak fazların türleri, bileşimleri ve miktarları hatta içyapılar da tahmin edilebilir. Endüstride malzeme üretiminde ve mekanik özellikleri değiştirmek için uygulanacak ısıl işlemlerde denge diyagramlarından büyük ölçüde yararlanılır. Fazların Dengesi Cisimlerin içyapı oluşumunda en önemli ana etken enerjidir. Doğanın temel fiziksel özelliklerinden birisi, enerjisi azalan bir cisimde kararlılığın artmasıdır. Cisimler iki tür enerjiye sahiptir; Potansiyel enerji Kinetik enerji Potansiyel enerji iki kaynaktan doğar, birincisi yer çekimi, diğeri ise zıt işaretli elektriksel alanlar arasındaki Coulomb çekme kuvvetidir. Cisme verilen ısıi enerjinin bir kısmı ısıl genleşmeye sarf edilir, dolayısıyla potansiyel enerji artar. Diğer önemli bir kısmı ise ısıl titreşimleri artırarak kinetik enerjiye dönüşür. Cismin yaklaşık olarak ısı içeriği de diyebileceğimiz ENTALPİ (H), iki kısımdan oluşur, biri; serbest enerji (F) ve diğeri; içyapı düzensizlik derecesine bağlı karışım enerjisi (TS) dir. Yani; [ H = F + TS ] Serbest enerji (F), faz dönüşümlerinde kararlı denge yapısının oluşmasında önemli rol oynar. Daima serbest enerjisi minimum olan yapılar kararlı olur. 0 o K sıcaklığında atomlar statik haldedir ve entropi (bir atomik sistemin düzensizliğinin ölçüsü) sıfırdır, entalpi (H) ise minimumdur ve serbest enerjiye eşittir. Entalpi sıcaklıkla sürekli artar, serbest enerji ise sıcaklıkla sürekli azalır. 27

30 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları Örneğin, su buharlaşırken sıcaklık sabit kalır, verilen bütün ısıl enerji içyapı düzensizliğine sarfedilir ve entalpisi artar. Buharlaşma noktasından sonraki serbest enerji değişimi (ΔF = F buhar F su) görüldüğü gibi ΔF<0 dır. Buradan 100 C nin üstünde düşük serbest enerjili buhar fazının kararlı olacağı sonucuna varılır. Entalpi ve Serbest enerjinin sıcaklıkla değişimi Suyun serbest enerjisinin sıcaklıkla değişimi Fazlar Kuralı Bir sistemdeki fazların denge halinde bulunması için gerekli koşulları belirler. Fazların dengesini etkileyen üç temel etken; bileşim, sıcaklık ve basınçtır. Laboratuvar deneyleri genellikle sabit basınçta uygulandığından bileşim ve sıcaklık olmak üzere iki değişken vardır. Bir malzeme sisteminde fazlar ve dönüşümleri bileşim ve sıcaklığa bağlı olarak değişir, bu değişmeler denge veya faz diyagramları ile gösterilir. F + D = B +1 B D F Mevcut bileşenlerin sayısı Değişken sayısı Fazların sayısı kkl Soğuma Diyagramları Denge diyagramlarını elde etmek için soğuma diyagramlarından yararlanılır. Birden fazla bileşenli sistemlerde değişik bileşimde bir seri alaşım hazırlanarak ergitilir, sonra soğuma süresince sıcaklığın zamanla değişimi ölçülür. Elde edilen sonuçlar sıcaklık-zaman eksenleri üzerinde işaretlenerek soğuma eğrileri elde edilir. 28

31 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları Arı metallerde katılaşma süresinde sıcaklığın sabit kalma zorunluluğu fazlar kuralı ile kanıtlanır. Eğrideki 2 noktasında sıvı ve katı olmak üzere iki faz vardır, dolayısıyla F=2 dir. Arı metal olduğundan bir bileşenlidir ve B=1 dir. Bu değerler fazlar kuralı denklemine konursa; 2+D=1+1 gereğince bağımsız değişken sayısı D=0 elde edilir. Bu sonuca göre; iki faz bir arada bulunduğu sürece bağımsız değişken yoktur, yani sıcaklık sabit kalmak zorundadır. Denge (Faz) Diyagramları Bir malzeme sisteminde fazların bileşimine ve sıcaklığa bağlı olarak değişimini gösteren diyagramlara Denge Diyagramları veya Faz Diyagramları denir. Bu diyagramlar malzeme üretiminde, içyapıları ve kararlılık bölgelerini saptamada ve ayrıca çeşitli ısıl işlemlerde kullanılır. Faz diyagramları soğuma diyagramları yardımı ile elde edilirler. Katı ( Likidüs: sıvılık, Solidüs: katılık ) Denge diyagramlarının soğuma diyagramları yardımıyla elde edilişi (Birbirini sınırsız oranda eriten [Cu-Ni] gibi iki bileşenli bir sistemin faz diyagramı) 29

32 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları Şekil (b) deki diyagramda düşey eksen sıcaklık, yatay eksen B atomlarının ağırlık yüzdesi cinsinden bileşimi gösterir. TA; A metalinin ergime, TB ise; B metalinin ergime sıcaklıklarıdır. Bu şekilde bir alaşım için elde edilen üst ve alt noktalar birleştirilirse bu sistemin faz diyagramı elde edilmiş olur. Liküdüs denen üst eğrinin üstünde yalnız sıvı faz, Solidüs denen alt eğrinin altında da yalnız katı faz ve bu ikisinin arasında da (sıvı+katı) faz bulunur. Faz Diyagramlarının Çeşitleri 1. Sıvı halde sınırsız çözünen sistem a) Katı halde sınırsız çözünen b) Katı halde kısmen çözünen c) Katı halde hiç çözünmeyen 2. Sıvı halde kısmen çözünen sistem a) Katı halde kısmen çözünen b) Katı halde hiç çözünmeyen 3. Sıvı halde hiç çözünme olmayan sistem a) Katı halde hiç çözünme olmaz Denge Diyagramlarından Elde Edilen Bilgiler a) Fazların türü Bir alaşım sisteminde verilen bir sıcaklıkta mevcut fazların türü sıvı, sıvı+katı veya katı şeklinde belirlenebilir. A ve B metallerinden oluşan bir sistemde bileşimi %B0 olan bir alaşım, şekilde görüldüğü gibi; (1) noktasında sıvı, (2) noktasında sıvı ve katı ve (3) noktasında da yalnız katı faz içerir. C 30

33 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları b) Fazların bileşimi Tek fazlı bölgede, mevcut fazın bileşimi göz önüne alınan alaşımın bileşimine eşdeğerdir. Yani, %B 0 lık alaşımda, (1) noktasındaki sıvı faz %B 0, (3) noktasında katı faz da %B 0 bileşimindedir. Bu sıcaklıklarda mevcut A atomlarının yüzdesi: %Ao = %100 - %B0 şeklinde belirlenebilir. Ancak iki fazlı bölgede, fazların bileşimi alaşımın bileşiminden farklıdır. Bunu açıklamak için, %B 0 oranında B içeren alaşımı T 1 sıcaklığına karşı gelen (2) noktasında inceleyecek olursak; (2) den çizilen T 1 sıcaklık yatayı sınır çizilerini a ve b noktalarında keser. T 1 yatayının sıcaklık eksenini kestiği c noktasında arı A metali sıvı halde bulunur. A metaline bu sıcaklıkta B metal katılırsa sıvı eriyik oluşur, T 1 sıcaklığı sabit tutularak B nin miktarı arttırılırsa likidüs eğrisi üzerindeki a noktasına kadar yalnız sıvı faz bulunur ve a noktasında %B 1 bileşimine ulaşınca sıvı faz B atomlarınca doymuş hale gelir. Daha fazla B katılırsa sıvı fazın yanında katı faz oluşmaya başlar. Sıvı faz varlığını solidüs eğrisi üzerindeki b noktasına kadar sürdürür ve iki fazlı (a-b) aralığında sıvı fazın bileşimi yalnız %B 1 olur. Aynı düşünce ile hareket edilirse T 1 sıcaklığında katı faz en az %B 2 kadar B, yada en çok %A 2 kadar A, atomu içerebilir. O halde (a-b) bileşim aralığındaki katı fazın bileşimi daima %B 2 olur. İşte iki fazlı bu bölgede çizilen sabit sıcaklık yatayının sınır eğrileri arasında kalan (a-b) parçasına Bağ Çizgisi denir. Bağ çizgisinin sıvılık eğrisini kestiği noktanın bileşimi (%B 1) sıvı fazın bileşimini, katılık eğrisini kestiği noktanın bileşimi de (%B 2) katı fazın bileşimini verir. Bu yönteme Bağ Çizgisi Kuralı denir. c) Fazların Miktarı Bir fazlı bölgede mevcut fazın miktarı alaşımın miktarına eşittir. İki fazlı bölgedeki fazların miktarları ise aşağıda açıklanan Levye (Kaldıraç) Kuralı yardımı ile bulunur. Bu kurala göre; Yukarıdaki şekilde gösterilen %Bo bileşiminde Po gr alaşım ele alınsın. Bu alaşımda T 1 sıcaklığında (2) noktasında bulunan sıvı fazın ağırlığı Ps, ile katı fazın ağırlığı Pk nın saptanması isteniyor. Bu iki bilinmeyeni hesaplamak için iki denkleme ihtiyaç vardır. Birinci bağıntı alaşımın toplam ağırlığının sıvı ve katı fazın ağırlıklarının toplamına eşitliğidir. (Po = Ps + Pk).. (1) İkinci bağıntı ise, alaşım içinde bulunan A ve B atomlarının fazlara göre dağılımı göz önüne alınarak elde edilir. 31

34 Faz Dönüşümleri ve Faz Diyagramları (2) alaşım noktasında uygulanan bağ çizgisi kuralı ile sıvı fazın bileşiminin %B 1, katı fazın bileşiminin %B 2 olduğu saptanır. Po gr alaşımda bulunan B atomlarının toplam ağırlığı : (% B 0/100) x P o, Ps gr sıvıda bulunan B atomlarını ağırlığı.... : (% B1/100) x Ps, Pk gr katıda bulunan B atomlarının ağırlığı.. : (% B 2/100) x P k dır. Sıvı ve katı fazda bulunan B atomların ağırlıklarının toplamı alaşımdaki B atomlarının toplam ağırlığına eşit olduğuna göre; Elde edilen bu iki denklemin ortak çözümü ile sıvı fazın miktarı;..... (2) (3) Belirlenen bu sıvı fazın miktarı Po dan çıkarılırsa geriye katı fazın miktarı Pk bulunur. Faz diyagramında yatay eksen doğrultusundaki uzaklıklar bileşimle orantılı olduğuna göre; X X2 = (B2 B0) X = (B2 B1) olduğundan (3) denkleminde yerine koyularak, X1 X2 Belirli bir fazın bağıl miktarının bağ çizgisi üzerindeki (2) alaşım noktasının karşı tarafındaki kolunun toplam boya oranına eşit olduğu sonucu çıkarılır ve buna Levye Kuralı denir. Örnek: Bir bakır (Cu) Nikel (Ni) alaşımının, 1250 o C sıcaklıkta sıvı faz bileşimi %32 ve katı faz bileşimi %43 olarak soğuma diyagramları yardımıyla belirlenmiştir. Bu sıcaklık ve %35 bileşimde alaşımın sıvı ve katı fazın oranlarını levye kuralına göre belirleyiniz. bu Ps = (43-35)/(43-32) = %0,73 Pk = (35-32)/(43-32) = %0,27 Po = Ps + Pk, Pk = Po Ps = 1,00 0,73 = %0,27 32

35 Malzemelerin (Mekanik) Özellikleri MALZEMELERİN ÖZELLİKLERİ Malzeme biliminin amacı; önce malzemelerin içyapısını incelemek, sonra içyapılarla özellikler arasındaki ilişkileri araştırarak, geliştirilecek temel ilke ve kavramlar ışığında uygulamada kullanılan malzemeleri tanımaktır. Bu bölüme kadar malzemelerin içyapı özellikleri ele alındı, bu bölümde ise malzemelerin uygulama yönünden önemli özelliklerine ayrıntılı olarak yer verilecektir. Malzemelerin mühendislik özellikleri 3 ana grupta incelenebilir. Bunlar; 1. ELEKTRİKSEL Özellikler (İletkenlik, yarı-iletkenlik, di-elektrik, manyetik, optik ve ısıi özellikler) 2. FİZİKSEL Özellikler (Birim ağırlık, boşluk oranı, geçirimlilik, akustik özellikler gibi) 3. MEKANİK Özellikler (Dayanım, birim şekil değiştirme, E-modülü, poisson oranı gibi) Elektriksel özellikler, malzemelerin elektron yapısına, bağ türüne ve içyapı özelliklerine büyük ölçüde bağlı olup, özellikle elektronik endüstrisi uygulamalarında büyük önem arz etmektedir. Fiziksel özellikler, diğer birçok alanda olduğu gibi inşaat mühendisliği uygulamalarında da yapı malzemelerinin birim ağırlık, boşluk oranı ve geçirimlilik gibi özellikleri yapı fiziği ve kalıcılık konularını ilgilendiren önemli özelliklerdir. Mekanik özellikler ise, uygulamada zorlamaya (kuvvete) maruz kalacak malzemelerde aranan en önemli özelliklerdir. Yapı sistemlerinin mukavemet hesaplarında dayanım, birim şekildeğiştirme ve elastisite modülü gibi mekanik özelliklerin iyi bilinmesi gerekir. MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Bir malzemenin kendisine uygulanan kuvvetlere karşı gösterdiği tepkiler mekanik davranış olarak tanımlanabilir. Bu davranış, malzemelerin değişik türden zorlamalar altında oluşan gerilme ve şekil değiştirmelerin ölçülmesi ve incelenmesiyle saptanır. Öyle ki, cisimler artan dış zorlamalar (kuvvetler) altında önce şekil değiştirir, sonra dayanımını yitirerek kırılırlar. Kırılma sınırına kadar malzemelerde elastik ve plastik türden farklı şekil değiştirme davranışları görülebilir. Düşük gerilmeler altında meydana gelen şekil değiştirmeler elastik, yani yük kaldırıldığında tümüyle geri dönebilen (tersinir), bir başka değişle yük kaldırıldığında cismin yük uygulanmadan önceki şekline aynen dönebildiği türdendir. Gerilmeler elastik sınırı aşarsa şekil değiştirmeler plastik, yani kalıcı, bir başka değişle yük kaldırıldığında cismin yük uygulanmadan önceki şekline aynen dönemediği türdendir. Bu farklı karakterli şekil değiştirme davranışları, mühendislik uygulamalarında bilinmesi gerekli Rijitlik ve süneklik gibi diğer bazı mekanik özellikleri ortaya çıkarır. Elastik davranışla ilgili Elastisite (Young) Modülü veya Rijitlik özellikleri; malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnci ifade ederken, plastik davranışla ilgili süneklik özelliği; malzemenin plastik şekil değiştirebilme yeteneğini gösterir. Bunun yanında, malzemelerin hem elastik hemde plastik şekil değiştirme davranışıyla ilgili olan mukavemet (bir başka değişle dayanım) özelliği; dış kuvveler altında malzemede kırılma oluşturan bir gerilme sınırı olarak tanımlanabilir. 33

36 Malzemelerin (Mekanik) Özellikleri Genel olarak malzemelerin mekanik özelliklerinde atomlararası bağlar belirleyici rol oynamakla beraber, elastik davranışla ilgili olan Elastisite Modülü veya Rijitlik özelliği içyapıya ve deney koşullarına bağlı olmayıp, atomlararası bağlar tarafından belirlenir. Ancak plastik davranışa ilişkin süneklik, mukavemet ve sertlik özellikleri içyapıya ve deney koşullarına büyük ölçüde bağlıdır. Malzemelerin mekanik özellikleri arasındaki büyük farklılıkları açıklayabilmek için, şekildeğiştirme sürecinde atomların nasıl davrandıkları ve içyapıda ne gibi değişmeler oluştuğunu bilmek gerekir. Öğle ki, içyapıyı değiştiren etkenler malzeme özelliklerini de değiştirir. Nitekim bu etkenler ve bunların uygulama yöntemleri iyi bilinirse içyapıda gerekli değişiklikler yapılarak, özellikler malzemenin kullanım amacına uygun olarak ayarlanabilir. Ancak bu ayarlamalar doğal olarak sınırlıdır. Malzemelerin mekanik özellikleri iki farklı yaklaşımla incelenebilir. İlk yaklaşımda; malzemenin uygulanan kontrollü dış kuvvetler altında tepkisi uygula-gözle yöntemiyle deneysel olarak saptanır. Bu yöntemde içyapıdaki davranış ve değişiklikler dikkate alınmaksızın, uygulanan kuvvetlerin malzemede neden olduğu gerilmelere karşılık oluşan şekildeğiştirmeler ölçülür. Bu şekilde, belirli koşullar altında deneylerle elde edilen gerilme-şekil değiştirme bağıntılarına Bünye Denklemleri denir. Bu denklemler, dış kuvvetler altında oluşacak gerilme ve şekildeğiştirme analizlerinde kullanılır. Gerçekte bu yaklaşımla mekanik davranışlar incelenirken malzemenin içyapısını bilmeye gerek yoktur, ancak gerilme, şekildeğiştirme, mukavemet, sertlik ve süneklik gibi mekanik özelliklerin içyapı ile ilişkilerini (Örneğin, kristal yapılı malzemelerde tane büyüklüğü artarsa sertlik ve mukavemet yükselir, süneklik azalır) açıklayabilmek için bu kavramları bilmek gerekir. İkinci yaklaşımda ise; şekildeğiştirme ve kırılma süreçlerinde atomların nasıl davrandığı, içyapıda mikro düzeyde ne tür değişikliklerin oluştuğu, içyapılarla mekanik özellikler arasında ne gibi ilişkilerin bulunduğu, diğer bir deyimle şekildeğiştirme ve kırılmanın mekanizmaları ele alınır. MEKANİK DAVRANIŞ Mekanik davranış incelenirken, malzemelerin homojen ve sürekli ortam oldukları varsayılır. Mekanik davranışı parça boyutlarından soyutlayarak genelleştirmek için; kuvvet yerine gerilme, boyutlarda oluşan değişmeler yerine ise birim şekildeğiştirme (veya şekildeğiştirme oranı) kavramları kullanılır. Gerilme; parçaya etkiyen toplam kuvvetin enkesitte birim alana düşen miktarını, Birim Şekildeğiştirme; ise toplam şekildeğiştirmenin birim boya karşı gelen miktarını, ifade eder. Deneysel çalışmalarla elde edilebilen ve malzemelerin bu iki önemli mekanik davranış özelliği arasındaki ilişkiyi gösteren gerilme-birim şekildeğiştirme (σ ε) eğrileri, malzemelerin mekanik davranışlarıyla ilgili çok yararlı bilgiler sağlarlar. Gerilme Kavramı Dış kuvvetlerin etkisi altındaki bir malzeme parçasında, denge halindeki dış kuvvetlerin oluşturduğu iç kuvvet, yani gerilmeler, herhangi bir hayali enkesit düzlemi üzerinde denge denklemleri yardımıyla şekildeki gibi gösterilebilir. 34

37 Malzemelerin (Mekanik) Özellikleri Enkesit Alanı A = b x c b c Malzeme parçasına etkiyen (F) toplam dış kuvvet, (N) normal bileşen ve (T) teğetsel bileşenine ayrılabilir. (N) normal bileşenin yönü içeriye doğru ise basınç, dışarıya doğru ise çekme etkisi (gerilmeleri) oluştururken, (T) teğetsel bileşen enkesit yüzeyine paralel olup kayma yada kesme etkisi (gerilmeleri) oluşturur. Eksenel ve teğetsel kuvvetleri etkiledikleri enkesit alanına bölerek, bu kuvvetleri parça boyutlarından bağımsız olarak normal (σ) ve kayma (δ) gerilmeleri şeklinde ifade edebiliriz. σ = N A ve δ = T A ( kgf N veya cm (MPa) gibi birimlerde) mm Malzemeler uygulama koşullarında çoğunlukla lineer elastik davranış gösterirler. Bu tür davranışta, aynı anda uygulanan iki farklı gerilmenin (normal ve kayma) birlikte oluşturduğu etki, bu gerilmeler ayrı ayrı uygulandıklarında oluşturdukları etkilerin toplamına eşittir. Bu ilkeye göre bileşik zorlama, şekildeki basit çekme ile basit kayma hallerinin süperpozisyonu şeklinde ifade edilebilir. Şekil Değiştirme Kavramı Gerilmeler etkisinde malzemelerin boyutları değişir; çekme halinde boy uzar ve en daralır, basınç halinde ise boy kısalır ve en genişler. Kayma etkisinde ise yalnız açılar değişir. Boyutlardaki bu değişmeler, birim şekildeğiştirme veya şekildeğiştirme oranı olarak ifade edilir. Bunun için, son boy (L) den ilk boy (Lo) çıkarılır ve bu fark ilk boya bölünerek, sonuç yüzde (%) olarak ifade edilir. 35

38 Malzemelerin (Mekanik) Özellikleri L Şekil Değiştirmeler Çekme etkisinde (a) Basınç etkisinde (b) Eksenel birim şekil değiştirme ε a = (L Lo) / Lo = ΔL / Lo, (+) ε a = (h ho) / ho = Δh / ho, ( ) Yanal birim şekil değiştirme ε y = (d do) / do = Δd / do, ( ) ε y = (d do) / do = Δd / do, (+) Kayma etkisinde şekil değiştirmeler (c) Kayma birim şekil değiştirmesi = Δx / h = tan Lineer elastik malzemelerde küçük gerilmeler altında yanal şekil değiştirme (ε y), eksenel şekil değiştirme (ε a) ile orantılıdır ve bu orantı katsayısına Poisson Oranı ( ) denir. = ε y / ε a Basit kayma etkisinde ana boyutların değişmediği, yalnız açıları değiştiği varsayılır. Kayma şekil değiştirmesi dik açılardaki değişmenin tanjantı ile belirtilir. Gerilme-Şekil Değiştirme İlişkisi ve Bağıntıları Malzemeler düşük gerilmeler altında çoğunlukla lineer elastik davranış gösterirler. Lineer elastik davranışta gerilmeler ile şekildeğiştirmeler orantılıdır ve şekildeğiştirmeler elastik tersinirdir (yani geri dönebilir). Bu davranış aşağıdaki Hooke Kanunu ile ifade edilir; σ = E x ε Burada, E; Elastisite Modülü, yani malzemenin elastik şekil değiştirmeye karşı gösterdiği direnç veya Rijitlik anlamına gelir. Örneğin çeliğin elastisite modülü alüminyumunkinin 3 katı kadardır. Buna göre aynı boyutta alüminyum ve çelik çubuğa elastik bölgede eşit yük uygulanırsa alüminyum çelikten 3 kat daha fazla uzar, kiriş halinde ise 3 kat daha fazla çöker. Lineer elastik malzemelerde (δ) kayma gerilmesi ile (γ) kayma şekil değiştirmesi orantılıdır ve G orantı katsayısına Kayma Modülü (G) denir. δ = G x γ Normal ve kayma gerilme durumları için ayrı ayrı verilen bu iki bağıntı; (Gerilme = Modül x Birim Şekil Değiştirme) ifadesi ile genelleştirilebilir. 36

39 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Malzemelerin Davranışı Yapı elemanlarının mukavemet hesaplarında malzemelerin gerekli dayanım, birim şekil değiştirme, elastisite modülü ve poisson oranı gibi mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla, genelde daire kesitli veya dikdörtgen kesitli çubuklar üzerinde Çekme Deneyi yapılır. Bir hidrolik çekme aletinde konik çeneler arasına tespit edilen deney çubuğu basınçlı yağ etkiyen bir piston yardımı ile çekilir. Yağ basıncından pistona etkiyen yük ölçülür. Ayrıca parçanın üstüne tespit edilen bir ekstansometre yardımıyla da uzamalar ölçülür. Yükü kademe kademe arttırarak uygulanan gerilmelerle (σ), oluşan şekil değiştirmelerin (ε) değişimi şekildeki gibi bir (σ ε) diyagramı halinde gösterilir. Bu gerilme-birim deformasyon (σ ε) grafikleri, malzemelerin mekanik özellikleri ve davranışı hakkında önemli bilgiler sağlar. N yükü etkisinde oluşan gerilme σ = N / Ao Numunenin enkesit alanı Ao = π x do 2 / 4 N yükü altında (ilk boy) Lo boyunda oluşan uzama miktarı ΔL = L - Lo Şekil değiştirme oranı (birim boydaki uzama miktarı) ε a = (L - Lo) / Lo = ΔL / Lo e E=tan %0.2 Gerilme Birim Deformasyon (σ ε) Grafiği 37

40 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış Sembol σ δ E G ε εa εy γ σp σe σa σç σk Notasyonlar Normal veya eksenel gerilme (basınç veya Çekme gerilmesi) Kayma (kesme veya makaslama) gerilmesi Normal gerilme durumunda Elastisite Modülü Kayma gerilmesi durumunda Kayma Modülü Birim şekil değiştirme (şekil değiştirme oranı) Eksenel şekil değiştirme Yanal şekil değiştirme Kayma şekil değiştirmesi Orantılılık sınır gerilmesi Elastik sınır gerilmesi Akma sınır gerilmesi (akma dayanımı) Çekme sınır gerilmesi, maksimum gerilme (çekme dayanımı) Kopma sınır gerilmesi (kopma dayanımı) Çekme deneyine başlandığında, numuneye uygulanan kuvvet (çekme) arttırıldıkça oluşan gerilmeler ve deformasyonlar da artmaya başlar. Elastik sınıra (orantılılık sınırı) kadar, gerilmeler ve şekil değiştirmeler orantılı olarak artar, grafik doğrusal olur ve dolaysıyla bu bölgede Hooke Kanunu (E = σ / ε) geçerlidir. Elastik sınıra kadar oluşan şekil değiştirmeler (uzamalar), numunenin çeneler arasındaki tüm boyunda homojen olarak meydana gelir. Cisimlerin büyük bir çoğunluğunda düşük gerilmeler altında şekil değiştirmeler elastik, yani tersinirdir. Bu bölgede yük uygulanınca deformasyonlar oluşur, yük kalkınca geri döner. Başlangıçta grafik bir doğruya çok yakın şekildedir, yani gerilmelerle şekil değiştirmeler orantılıdır. Bu oranı sabitine Elastisite Modülü (E) denir ve lineer bölgede eğriye çizilecek teğetin eğimine eşittir (E = σ / ε = tanα). Orantılık sınır gerilmesine kadar oluşan şekil değiştirmeler lineer elastiktir ve bu sınıra kadar malzemenin yük altındaki davranışı lineer elastik davranış olarak nitelendirilebilir. Gerilmeler orantılık sınırı olan (σ p) yi aşarsa, gerilmeler ile şekil değiştirmeler artık orantılı ilerlemez, aralarındaki sabit oran bozulur ve Hooke Kuralı geçerli olmaz. Ancak elastik sınır (σ e) ye kadar olan dar bölgede oluşan şekil değiştirmeler yine elastik yani geri dönebilir türdendir, dolayısıyla non-lineer elastik davranış söz konusudur. Gerilmeler elastik sınır (σ e) yi aşacak olursa, plastik (kalıcı) şekil değiştirmeler oluşmaya başlar. Malzemede oluşan toplam şekil değiştirmenin bir kısmı elastik olup yük boşaltılınca kaybolur, fakat bir kısmı ise kalıcıdır. Bu plastik bölgede, yük kaldırılıp tekrar yüklenecek olursa, oluşan boşaltma ve tekrar yükleme eğrisi yine bir doğrudur ve diyagramın başlangıçtaki kısmına paralel olur. Buradan çıkan sonuca göre; plastik bölgede de elastik şekil değiştirmeleri karakterize eden elastisite modülü aynıdır ve elastik bileşen için de Hooke Kuralı geçerlidir. Bu bölgede toplam şekil değiştirme (ε) nin iki bileşeni vardır. Biri elastik bileşen (ε e), diğeri ise plastik bileşen (ε p) dir. Elastik bileşen ε e = σ / ε bağıntısı ile hesaplanabilir. Buna göre; ε = ε e + ε p olur. 38

41 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış Elastik sınır, yükleme-boşaltma deneyleri ile saptanabilse de pratik olmadığından bu yöntem kullanılmaz. Bunun yerine plastik bölgenin başlangıcı olarak Akma Sınırı alınır. Akma Sınırı veya Akma Dayanımı yada Mukavemeti %0,2 plastik şekil değiştirme oluşturan gerilme olarak tanımlanır. Bu tanımdan yararlanılarak, akma sınırını bulmak için sürekli yükleme ile elde edilen (σ-ε) diyagramının şekil değiştirme ekseni üzerinde %0,2 noktası işaretlenir ve bu noktadan diyagramın doğrusal kısmına paralel çizilir. Bu paralelin eğriyi kestiği noktaya karşı gelen gerilme akma sınırıdır. Kuvvet arttırılmaya devam edilirse bir (Nm) maksimum değere ulaşınca artış durur, sonra azalmaya başlar ve bu anda çubuğun bir bölgesinde kesitin daraldığı yani büzüldüğü (boyun verme) görülür. Maksimum kuvvete kadar olan uzamalar üniformdur, silindir biçimindeki parça boyca artıp çapça daraldığı halde silindir biçiminde kalır. Büzülmeye başladıktan sonra yalnız bu bölgede ek uzamalar oluşur, kesit gittikçe daralır, diğer bölgelerde ise uzama olmaz, dolayısıyla uzamalar üniform değildir. Büzülen bölgedeki uzamaları oluşturmak için daha az kuvvet gerektiğinden kuvvet ibresi düşmeye başlar, oysa gerçekte gerilmeler sürekli artar ve sonunda N k kopma kuvvetinde parça koparak ikiye bölünür. Çekme mukavemeti (σç), çubuğun taşıyabileceği maksimum Nm kuvvetini ilk kesite bölerek elde edilir; σ ç = Nm / Ao Kopma mukavemeti (σ k), kopma anındaki N k kuvvetini ilk kesit alanına (A o) bölerek elde edilir. σ k = Nk / Ao Gerçek kopma mukavemeti (σ gk) ise, N k kopma kuvvetini en dar kesit alanına (A s) bölerek elde edilir. σ gk = Nk / As Yukarıdaki şekilde dolu çizgi ile gösterilen (σ-ε) eğrisi görünen (mühendislik) gerilme-birim şekil değiştirme eğrisi olup, gerilme ve şekil değiştirmeler ilk boyutlara göre hesaplanmaktadır. Oysa gerçekte bu değerlerin anlık boyutlara göre hesaplanması gerekir ve şekilde kesikli çizgi ile gösterilen gerçek gerilme-birim şekil değiştirme eğrisi elde edilir. Nitekim gerçek kopma mukavemeti (σ gk), görünen kopma mukavemeti (σ k) dan çok daha büyüktür. Süneklik, Tokluk ve Rezilyans Kavramları Bir malzemenin plastik şekil değiştirme yeteneğine SÜNEKLİK denir. Bu özellik çekme deneyinde, kopma anında oluşan toplam plastik şekil değiştirme veya kopma uzama oranı ile belirtilir. Çekme deneyinde çubuğun sünekliği (εk), çubuğun deney öncesinde ölçü boyu (Lg) ile deney sonundaki son boyuna (Ls) bağlı olarak; bağıntısı yardımıyla hesaplanır ve % olarak ifade edilir. Büzülme başlamadan önce oluşan şekil değiştirmeler üniformdur ve şekil değiştirme oranı ölçü boyu Lo dan bağımsızdır. Ancak büzülme başladıktan sonra uzamalar yalnız büzülme bölgesinde yerel olarak üniform olmayan bir biçimde artmaya devam eder ve bu bölge dışında durur. Bu durumdan dolayı, malzemede hesaplanacak süneklik değerini numune boyutlarından bağımsız hale getirmek için dairesel kesitli deney parçasının Ölçü Boyu; uzun çubukta Lg = 10.do, kısa çubukta Lg = 5.do alınır. 39

42 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış Uygulamada kolaylık için, çubukların üzeri şekildeki gibi birer santim ara ile işaretlenir. Kopmadan sonra iki parça uç uca getirilir. Lg ölçü boyuna karşı gelen çizgi sayısının yarısı kadarı kopma bölgesinin solunda, yarısı kadarı da sağda sayılır, bu şekilde elde edilen iki sınır çizgisinin arası ölçülerek Son Boy Ls bulunur. Malzemelerin gerilme-birim deformasyon eğrilerinden elde edilebilecek bir diğer mekanik özellik olan TOKLUK; malzemelerin kırılma anına kadar sönümleyebildiği toplam enerji yada birim hacimdeki herhangi bir cismi kırmak için gerekli olan enerji miktarı olarak tanımlanabilir. Bu enerji, (σ-ε) eğrisin in kırılma noktasına kadar altında kalan bütün alana eşittir ve kuvvet etkisinde şekil değiştirme işi yapan cisim için iş-enerji bağıntıları yardımıyla aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Çubuğa (P) kuvvetinin uygulandığı ve (ΔƖ) uzamasının oluştuğu bir durumda, çubuğun boyunu küçük (δɩ) kadar arttırmak için yapılacak iş (P- δɩ) dikdörtgeninin taralı alanına eşittir. dw = P. δɩ Başlangıçtan itibaren (ΔƖ) kadar bir uzama sağlamak için yapılan toplam iş; l W = P. δl 0 40

43 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış (P = σ. A) ve (δl = l. dε) ifadeleri integralde yerine konursa; ε W = σ. A. l. dε 0 Deney öncesi ve sonrası numune hacminin değişmediği kabulünden hareketle (Vo = Ao. lo = A. l); ε W = V o. σ. dε 0 Denklemin her iki tarafı Vo sabiti ile bölünürse birim hacimde yapılan iş; ε w = σ. dε 0 Bu bağıntıdan anlaşıldığı gibi; bir cismin birim hacminde (ε) uzama oranı için oluşturulan şekil değiştirme enerjisi gerilme-şekil değiştirme eğrisinin altında kalan alana eşittir ve aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanabilir. ε x w k = σ. dε 0 Aşağıda, endüstriyel çeliklerde (σ-ε) eğrilerinin karbon (C) oranına bağlı olarak değişimleri görülmektedir. Yumuşak çeliğin (%0,1 karbonlu) mukavemeti düşük olmakla beraber tokluğu çok büyüktür, bu nedenle karayollarında emniyet bariyerlerinde ve taşıtların tamponlarında kullanılmaya elverişlidir. Çünkü çarpma halinde büyük enerji yuttuktan sonra kırılırlar. Yüksek karbonlu çeliklerin mukavemeti büyük, fakat tokluğu çok azdır, çarpma etkisinde az enerji yutarak kırılır. Bu çelikler aşırı zorlanmaya ve aşınmaya maruz parçaların üretimine elverişlidir. Malzemelerin gerilme-birim deformasyon eğrileri yardımıyla elde edilebilen REZİLYANS özelliği ise; kısaca bir malzemenin elastik şekil değiştirme yeteneği veya bir cisimde plastik şekil değiştirme oluşturmaksızın birim hacimde depo edilebilecek maksimum elastik şekil değiştirme enerjisi olarak ifade edilebilir. Bu enerji ise, (σ-ε) eğrisinde elastik deformasyon sınırına kadar eğrinin altında kalan alana eşittir ve yine iş-enerji bağıntıları yada daha basitçe eğrinin bu bölgede lineere yakın olması kabulüyle oluşan dik üçgenin alan bağıntılarıyla hesaplanabilir. 41

44 Çelik Çekme Deneyi ve Çekme Etkisinde Davranış Lineer-elastik bölgede oluşan dik üçgenin alanı için; A = w = ε e. σ e 2 Lineer-elastik bölgede geçerli Hooke Kanunu gereğince; σ = E. ε Gerilme ve E-Modülüne bağlı olarak Rezilyans aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanabilir. w e = σ e 2 2E = (E. ε e) 2 2 Çekme Etkisinde Malzemelerin Davranışı Mekanik davranış yönünden malzemeler iki sınıfa ayrılırlar; a) GEVREK Malzemeler b) SÜNEK Malzemeler a) Gevrek Malzemeler Elastik bölge sonunda plastik şekil değiştirmeden aniden kırılırlar, gerilme-şekil değiştirme eğrileri eğik doğru biçimindedir. Bu tür malzemelerde elastik sınır, akma gerilmesi ve çekme mukavemeti eşittir. Belirgin bir büzülme (boyun verme) veya genişleme olmadan az bir enerji ile kırılırlar, toklukları çok azdır. Aşağıda farklı mekanik davranışlar gösteren çeşitli malzemelere ait gerilme-birim deformasyon eğrileri gösterilmiştir. Şekildeki Cam ve Al2O3 gibi dökme demir (pik) beton, taş ve tuğla gevrek malzemelere gösterilebilecek örneklerdir. 42