MMM291 MALZEME BİLİMİ

Transkript

1 MMM291 MALZEME BİLİMİ Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ Ofis Saatleri: Perşembe 14:00 16:00 Bursa Teknik Üniversitesi, Doğa Bilimleri, Mimarlık ve Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

2 Malzemelerin Tarihsel Gelişimi Metaller Metaller ve alaşımlar günümüz teknolojik ilerlemelerine ulaşılmasında çok önemli bir yere sahiptir.

3 Mühendislik Malzemelerinin Sınıflandırılması Mühendislik Malzemeleri Metaller Plolimerler Seramikler Kompozitler Demir esaslı metaller Termoplastik Geleneksel seramikler Metal matrisli kompozitler Demir dışı metaller Termoset İleri teknoloji seramikleri Polimer matrisli kompozitler Amorf metaller Elastomer Seramik matrisli kompozitler

4 Malzemelerin Genel Özellikleri Özellik Seramik Metal Polimer Sertlik Elastik modül Yüksek sıcaklık mukavemeti Isıl genleşme Süneklik Korozyon direnci Aşınma direnci Elektriksel iletkenlik Yoğunluk Isıl iletkenlik

5 Yarı metaller (metaloidler) : Metallerle tepkime verirken ametal, ametallerle tepkime verirken de metal gibi davranırlar. Metaller Periyodik Tablo

6 Metaller Yarımetaller (Metaloidler) : Genellikle kristal yapıya sahiplerdir. Bu elementlerin fiziksel özellikleri metallere, kimyasal özellikleri ametallere benzer. Yarı metaller; metallerden daha az iletken, ametallerden ise daha iletkendirler. Yarı iletken özellikleri vardır. Diyot ve transistör gibi modern elektroniğin temel parçalarının hammaddeleridirler. Bor, silisyum, germanyum, arsenik, antimon, tellür ve polonyum yarı metallere örnektir. Parlak veya mat olabilirler. İşlenebilir, tel veya levha haline getirilebilirler. Kırılgan değildirler.

7 Metaller Metal ve alaşımlarda metalik bağlanma görülür. Bu malzemeler genellikle yüksek süneklik, mukavemet, elektriksel ve ısıl iletkenlik gibi önemli özelliklere sahiptir.

8 Metalik Bağlanma Metaller Metalik malzemelerde en fazla üç değerlik elektronu bulunur. Bu değerlik elektronları herhangi bir atoma bağlı olmayıp tüm metal içerisinde belirli oranlarda hareket etme kabiliyetine sahiptir. Bu serbest değerlik elektronlarının metal kütle içerisinde bir elektron denizi veya elektron bulutu oluşturduğu kabul edilmektedir. İyon çekirdekleri Değerlik elektronları dışındaki elektronlar ile atomun çekirdeği, iyon çekirdeğini oluşturur. İyon çekirdekleri atom başına toplam değerlik elektron yüküne eşit net bir pozitif yükse sahiptir. Negatif yüklü serbest elektronlar, pozitif yüklü iyon çekirdeklerini elektrostatik itme kuvvetlerinden korurlar ve bunun sonucunda da metalik bağ yönsüz olma özelliği kazanır. Ayrıca bu serbest elektronlar iyon çekirdeklerini bir arada tutma işlevini de görmektedir. Değerlik elektron denizi/bulutu Metalik bağlar, bağ enerjilerine bağlı olarak zayıf veya güçlü bağlar olabilmekte ve buna bağlı olarak da ergime sıcaklıkları -39 ile 3410 C gibi oldukça geniş bir sıcaklık aralığında değişim göstermektedir.

9 Metalik Bağlanma Metaller Metallerin iyonlaşma enerjileri ile elektronegatiflikleri oldukça düşüktür. Bunun sonucu olarak metal atomlarının en dış elektronları nispeten gevşek tutulur. Metalik bir kristalde, en dış elektronları çıkarılmış atomlardan ibaret olan pozitif iyonlar kristal örgüde ilgili yerlerde bulunur ve en dış elektronların örgünün her tarafında serbestçe hareket etmesiyle de kristaldeki atomlar bir arada tutulur. Diğer bir deyişle örgü içersinde dağılan ve kristalin bütününe ait olan elektron bulutu ile pozitif iyonlar arasındaki elektrostatik çekim metalik bağı oluşturmaktadır. İyon çekirdekleri Metalik bağ, metal elektronun komşu metalin boş orbitaline geçmesiyle oluştuğu var sayılır. Ancak bu elektronlar zayıf da olsa komşu atomun çekirdeğinin çekim alanına gireler ancak elektron alış verişi ya da ortaklaşa kullanılması gerçekleşmez. Değerlik elektron denizi/bulutu Değerlik elektronları kristal içerisinde her yöne hareket etme imkanına sahiptir ve atoma değil kristalin bütününe aittir.

10 Metalik Bağlanma Metaller Metaller sahip oldukları serbest elektronlar nedeniyle hem elektriği hem de ısıyı iyi iletirler. Metal ve alaşımların çoğu oda sıcaklığında sünek davranış sergilemektedir. Yani malzeme ancak önemli bir oranda plastik deformasyona uğradıktan sonra kırılır. Bu davranışı dolaylı olarak metalik bağın özelliğiyle ilişkili olan deformasyon mekanizmasıyla açıklamak mümkündür. Metallerin dövülebilmesi, tel ve levha haline getirilebilir olması da "elektron denizi" modeliyle kolaylıkla açıklanabilir. Metal iyonlarının bir tabakası darbe ile diğeriyle karşı karşıya gelmeye zorlanırsa, bu tabaka kayar, hiçbir bağ kırılması olmaz, elektron denizi yeni duruma uyum sağlar. Metallerin iletkenliği sıcaklık arttıkça azalır. Sıcaklık artışı, hem elektronların kinetik enerjisini hem de 'pozitif iyonların' titreşim hareketlerini artırır. Bunun sonucu, sıcaklık artışı elektriksel iletkenlikte düşmeye yol açar. Elektrolitlerde yani iyon hareketiyle elektrik akımı iletiminde ise sıcaklık artışı ile elektriksel iletkenlik de artar. Metaller katı halde elektrik akımını iyi, sıvı halde kötü, gaz halde ise çok kötü iletirler. Bu durumu, metal atomlarının sıcaklıkla titreşim hareketlerinin artmasıyla açıklıyoruz. Metal atomlarının titreşimleri arttıkça serbest elektronların diğer atomun orbitaline geçme şansı azalacaktır.

11 Metaller Kırılma Davranışı Yüksek derecede sünek kırılma davranışı sergileyen malzemelerde kopma noktasına kadar süren bir boyun oluşumu söz konusudur. Çok sünek Orta derecede sünek Kırılgan Orta derecede sünek kırılma davranışı sergileyen malzemelerde kısmi boyun oluşumu meydana gelir daha sonra sünek kırılma gerçekleşir. Kırılgan malzemelerde plastik deformasyon meydana gelmeksizin gevrek kırılma gerçekleşir. % RA / %EL : Büyük Orta Küçük

12 Metaller Kırılma Davranışı (a) (b) Alüminyumda çanak-koni kırılması çelikte gevrek kırılma Metaller genelde sünek kırılma davranışı sergiler. Seramikler gevrek kırılma davranışı gösterir. Polimerler hem gevrek hem sünek kırıma davranışı gösterebilir türüne bağlı olarak.

13 Kırılma Davranışı Metaller Düşük karbonlu çeliğin sünek kırılma yüzeyi Kırılgan çeliğin kırılma yüzeyi Surface of ductile fracture in low-carbon steel, showing dimples. Fracture usually is initiated at impurities, inclusions, or preexisting voids (microporosity) in the metal. Source: Courtesy of K. H. Habig and D. Klaffke Fracture surface of steel that has failed in a brittle manner. The fracture path is transgranular (through the grains). Magnification: 200x. Source: Courtesy of B. J. Schulze and S.L. Meinley and Packer Engineering Associates, Inc.

14 Metaller Bazı Malzemelerin Genel Özellikleri

15 Metaller Otomobillerde bulunan metal ve metal dışı aksamlar

16 Metaller Otomobil motorunda bulunan metal ve metal dışı aksamlar

17 Metaller Dünya metal üretiminin yaklaşık %90-95 ini demir esaslı malzemeler oluşturmaktadır. Demir allotropik (bir elementin kristal yapısının sıcaklık/basınca bağlı olarak değişim göstermesine allotropi denir) bir malzemedir. Demir-karbon alaşımlarına ısıl işlemler ve/veya alaşımlama yapılarak çok farklı özellikler kazandırılabilmektedir. Alaşım : Metalik özelliklere sahiptir. En azından biri metal olmak üzere iki veya daha fazla kimyasal elementin bileşiminden oluşmaktadır. Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbon alaşımıdır. Üretim yöntemleri ve kullanılan cevherlerden dolayı manganez, silisyum, fosfor ve kükürt çeliğin bünyesinde bulunan diğer elementler olabilir.

18 Demirin Allotropları Metaller Saf demir, hacim merkezli kübik (HMK) ve yüzey merkezli kübik (YMK) olmak üzere iki temel kristal yapıya sahiptir ve bu kristal yapıların her biri belirli bir sıcaklık aralığında kararlıdır. Düşük sıcaklıklardan itibaren 911 C ye kadar kararlı olan kristal yapı α- demir (ferrit) olarak bilinen HMK dır. HMK kristal yapısı 911 C de γ-demir (ostenit) olarak adlandırılan YMK kristal yapısına dönüşür ve C arasındaki sıcaklıklarda kararlıdır C den sonra bir kristallografik dönüşüm daha meydana gelir. YMK yapı yeniden HMK yapıya δ-demir (δ-ferrit) yapısına dönüşür ve ergime sıcaklığı olan 1537 C ye kadar bu yapı kararlıdır.

19 Demirin Allotropları Metaller Metaller üretim sırasında döküme, plastik şekil vermeye, keserek veya talaş kaldırarak işlemeye, kaynak, perçin ve vida ile birleştirmeye elverişli malzemelerdir. Metallerin birkaç türü hariç genellikle korozyona karşı dirençleri düşüktür. Saf halde metaller yumuşak ve düşük mukavemetli olmalarına karşın alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemler uygulanarak sertlik ve mukavemet değerlerini birkaç kat arttırmak mümkün olmaktadır. Çelik, ana bileşeni demir, ana alaşım elementi ise karbon olan bir demir karbon alaşımdır. 911 C de meydana gelen polimorfik dönüşüm çeliğe su verme işleminde ana etkendir.

20 Curie Sıcaklığı Metaller Curie sıcaklığı, ferromanyetik bir maddenin, kalıcı mıknatıslığını yitirip paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Curie sıcaklığının üstünde, ısı enerjisi manyetik momentlerin rastgele yönelmelerine sebep olur ve madde paramanyetik hale geçer. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie'nin anısına bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir. Sıcaklık 769 C nin altına düşünce mıknatıslanabilen demir meydana gelir. Bu sıcaklığa curie sıcaklığı denilir. Bu sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda demir hiçbir şekilde mıknatıslanmaz. Ferromanyetik maddeler, herhangi bir mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken o mıktanısın manyetik alan çizgileri ile aynı yönde mıknatıslanabilen demir, kobalt, nikel gibi maddelerdir. Ferromanyetik maddeler, kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından çekilirler. İleri derecede duyarlı olan maddeler de vardır. Bu maddeler, zayıf manyetik alan içerisinde dahi mıknatıs özelliği sergileyebilmektedir ve manyetik alan etkisinden çıkarılsalar dahi bu mıknatıslık özelliği belli bir süre daha devam etmektedir. Bu tür maddeler mıknatıs, elektrik motoru, jeneratör, trafo ve sabit disk gibi araçların yapımında kullanılır.

21 Metaller Endüstriyel uygulamalarda kullanılmakta olan ve farklı ihityaçları karşılamak üzere tasarlanmış olan binlerle ifade edilebilecek sayıda metal ve alaşım türleri bulunmaktadır. Metalleri genel olarak iki ana sınıf altında incelemek mümkündür. Metaller Demir esaslı metaller Demir dışı metaller Ana bileşeni demirdir. Karbon ise daima bir alaşım elementi olarak yapıda yer alır. Demire karbondan başka elementler de ilave edilerek üstün niteliklere sahip çeşitli alaşımlı çelikler üretilmektedir. Demir dışı metaller içerdikleri elemente göre isimlendirilmektedir. Ana elementin yanına bir veya birden fazla alaşım elementi ilave edilerek farklı demir dışı alaşımlar üretilebilmektedir. Endüstriyel açıdan en önemlileri alüminyum ve bakır metalleri ve bu metallerin alaşımlarıdır.

22 QUESTIONS