MALZEMELER ve FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ DOÇ. DR. N. SİNAN KÖKSAL

Transkript

1 MALZEMELER ve FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ DOÇ. DR. N. SİNAN KÖKSAL

2 Malzeme ne demektir? Genel olarak, ihtiyaç duyulan maddelere malzeme denilmektedir. Teknik anlamda ise, mühendislik uygulamalarında kullanılan katı maddelere malzeme adı verilmektedir.

3 Malzeme bilimde amaç, malzemeleri iyice tanıyıp, yeni malzemelerin keşfini sağlamak ve uygun prosesler tasarlayarak malzemelerin insanlığın kullanımına sunulmasıdır.

4 Tarihsel Süreç Malzeme bilimi, seramiklerin imalatı ile başlayan uygulamalı bilim ve mühendisliğin en eski şeklidir. Modern malzeme bilimi; metalürji ve maden bilimlerinden türemiştir.

5 Malzeme Seçiminde Özellikler Fiziksel özellikler (boyut, şekil, yoğunluk ) Mekanik özellikler (çekme mukavemeti, süneklik, sertlik, darbe, yorulma, burulma, sürünme direnci ) Kimyasal ve elektrokimyasal özellikler (kimyasal bileşim, çözünürlük, korozyon ) Elektrik ve manyetik özellikler (öz direnç elektrik iletkenliği, manyetiklik ) Isıl özellikler (ısı iletim katsayısı, ergime sıcaklığı, özgül ısı, ısı kapasitesi ) 5 1

6 Optik özellikler (ışığı yansıtma ve geçirme, renk, ışığı yutma, kırılma indisi) Akustik özellikler (Sesi geçirme, sesi yutma, sesi yansıtma) Teknolojik özellikler (imal edilebilme, kaynak, döküm PŞV, işlenebilme ) Ekonomik özellikler (bulunabilme, maliyet ) 6 1

7 Malzeme bilimi, İşlem, Yapı, Özellik, Performans olmak üzere dört ana bileşenden oluşur. Bir malzemenin performansı, özelliklerine bağlıdır. Özellikleri ise yapısına göre değişir. Malzemelerin yapısı ve yapıları ise gördükleri işlemleri ile belirlenir.

8 Özellikler Mekanik özellikler Uygulanan yüke karşı malzemenin verdiği cevap olarak bilinir. Fiziksel özellikler Elektriksel, manyetik, optik, ısıl, elastik ve kimyasal davranışlarını gösterir.

9 Malzemelerin Sınıflandırılması Metaller ve alaşımlar Seramikler, Camlar, Cam-Seramikler Polimerler (plastikler), termoplastikler ve termosetler. Kompozit malzemeler

10 Metaller ve alaşımlar Çelik, alüminyum, magnezyum, çinko, dökme demir, titanyum, bakır, nikel vb. Elektrik iletkenlikleri yüksek Isıl iletkenlikleri yüksek Sünek Şekil verilebilir Şok direnci yüksek Yapısal ve yük taşıyıcı alanlarda kullanıma uygundurlar. Saf metaller çok az kullanılmakla birlikte metallerin kombinasyonlarından oluşan alaşımlar değişik özellikleri gelişmiş malzemeler üretmek üzere tercih edilirler.

11 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. Alaşımlar karışıma giren metallerin özelliklerinden daha farklı özellikler gösterirler. Örneğin; çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşımdır. En çok bilinen alaşımlara örnek; bronz (bakır-kalay), pirinç (bakır-çinko), lehim (kalay-kurşun) ve cıva alaşımları olan amalgamlar verilebilir.

12

13 Çok kullanılan bazı çeliklerin; düşük karbonlu, orta karbonlu ve yüksek karbonlu çelikler olarak da alt gruplara ayrıldığı görülür. Aynı şekilde içerdikleri diğer alaşım elementleri miktarına bağlı olarak da bazı alt gruplandırmalar söz konusudur. Örneğin; basit (yalın) karbonlu çelikler; sadece karbon ve az miktarda manganez içerirken, alaşımlı çelikler, özellikle belirli miktarlarda ilave edilmiş olan diğer alaşım elementlerini de içerirler.

14

15 Orta Karbonlu Çelikler

16 Yüksek Karbonlu Çelikler

17 Paslanmaz çelikler Paslanmaz çelikler muhtelif ortamlarda, özellikle atmosfere açık koşullarda korozyona ve paslanmaya karşı direnç gösteren çelik grubunu oluşturur. Bu çeliklerde korozyon direncini sağlamaya yardımcı olan en önemli alaşım elementi krom olup, paslanmaz çeliklerin kimyasal bileşimde en az ağırlıkça %11 oranında bulunması gerekir.

18 Dökme demirler Dökme demirler karbon oranı ağırlıkça %2,14 ün üzerinde olan demir alaşımı sınıfı, pratikte çoğu dökme demir türleri ağırlıkça %3-4,3 arasında karbon ve diğer bazı alaşım elementlerini de içerir. Sementitin, α-ferrit ve grafit oluşturmak üzere ayrışması:

19

20 Kır (Gri) ve Küresel (Sfero) Dökme Demir

21

22 Çelik ve Kır DD titreşim sönümlemesi

23 Metaller Alüminyum, bakır, çinko, demir ve nikel gibi saf metaller ile bir metalin diğer elementlerle oluşturduğu çelik (Fe-C), pirinç (Cu-Zn) ve bronz (Cu-Sn) gibi alaşımlar olup, imalat sanayinde en çok kullanılan malzemelerdir. 23

24 Seramikler Tuğla, cam, refrakterler ve aşındırıcılar. Düşük elektrik iletkenliği Düşük ısıl iletkenliği Kırılgan Yüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek direnç Korozyona dirençli Genelde yalıtkan malzeme olarak kullanılırlar ancak yeni proses teknikleri ile yük taşıyıcı uygulamalarda da kullanılır hale gelmişlerdir. Optik ve elektrik özellikleri geliştirildiğinden entegre devre ve fiber optik uygulamalarda kullanılabilirler.

25 Seramikler: Genellikle metallerle, metal olmayan elementlerin oluşturduğu bileşiklerdir. Cam, tuğla, beton, porselen gibi malzemeler. 25

26 Değişik kompleks seramik parçalar. Fanlar, bıçaklar, vb. Bunlar, yüksek sıcaklıklarda türbin motorlarının verimli çalışmasını sağlarlar.

27 Polimerler Temelde karbonun (C); hidrojen (H), oksijen(o), azot (N) gibi metal olmayan elementlerle oluşturduğu büyük moleküllü organik bileşiklerdir. Organik moleküllerden polimerizasyon prosesi ile büyük moleküler yapılar oluşturularak üretilirler. Lastik, plastik, ve yapıştırıcılar.

28 Polimerler Termoplastik ve termoset olarak ikiye ayrılırlar: Termoplastik polimerlerde zincirler rijit bağ yapısına sahip değildirler bu yüzden sünek ve şekil verilebilir özellik sergilerler. Termoset polimerlerde moleküler zincirler çok sıkı bağlıdır ve bu yüzden kırılgandırlar.

29 o o o o 29 Düşük Düşük Düşük Düşük termal direnç elektrik iletkenliği mukavemet yüksek sıcaklık direnci 1

30 Yarı iletkenler Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen, bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3. ve 5. gruba girerler. Son yörüngelerinde elektron alıcılığı veya vericiliği iletkenden fazla yalıtkandan daha azdır. İletkenler: Pt, Ni, Au, Cu, Al, Fe... Yalıtkan: Ebonit, Cam, Tahta, Su... Yarı iletkenler: Si, Ge, Br, Al, In(indiyum)...

31 Yarı iletken malzemeden yapılmış bilgi işlemci Elektriksel özellikleri kontrol edilebilir. Transistör, diyod ve entegre devrelerde kullanılırlar. Kovalent bağa sahiptirler. Elektronlar atomlar tarafından paylaşılmaktadır. 31

32 Kompozit Malzemeler İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere Kompozit Malzeme denir. Kompoziti oluşturan temel malzemeler nelerdir? Polimerler Termoset reçineler veya termoplast reçineler Takviye malzemeleri Katkı malzemeleri Dolgu malzemeleri

33 Beton, sunta, fiberglas, karbon fiberle güçlendirilmiş polimer Düşük ağırlıklı Mukavemetli Sünek Yüksek sıcaklık direnci yüksek Şok direnci yüksek

34 Kompozit bir malzeme olan cam elyafdan yapılmış golf sopası 34 1

35 Havacılık ve savunma sanayi

36

37

38 İleri kompozit malzemeler uçak ve uzay sanayisi gibi dayanım, bükülmezlik ve hafiflik özelliklerini gerektiren uygulamalarla ilgilidir. İleri kompozitlerde tipik olarak polimer veya metal matris içinde boron, grafit veya kevlar fiber kullanılır.

39

40

41 Alüminyum alaşımları ve diğer düşük yoğunluklu malzemeler (örneğin; Mg ve Ti), yakıt tüketiminde büyük azalma sağladıkları için taşımacılık sektöründe özel bir önem kazanmışlardır. Bu malzemelerin sahip oldukları önemli avantaj özgül mukavemetlerinin (mukavemet/yoğunluk) çok yüksek değerlerde olmasıdır.

42 Uygulama alanları Metaller ve alaşımlar Gri dökme demir Otomobil motor blokları Seramik ve Camlar Camlar, SiO2-Na2O-CaO Pencere Camı Polimerler Polietilen Yiyecek paketleme Özellikler Dökülebilir, işlenebilir, titreşim söndürür Optik geçirgen, ısıl yalıtkan Kolayca ince esnek filmlere dönüştürebilir, hava geçirmez

43 Malzeme Seçimi ve Tasarımı Yoğunluk 43 1

44 Bir içecek için kullanılan üç farklı malzeme tipi. En üstte alüminyum teneke (metal), ortada cam şişe (seramik) ve en altta plastik şişe (polimer) görülmektedir. 44

45

46 MALZEMELERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ 1.Hacimsel ve Erime Özellikleri 2.Isıl Özellikleri 3.Kütle Yayınımı (Difüzyonu) 4.Elektriksel özellikleri 5.Elektrokimyasal İşlemler

47 Fiziksel Özelliklerin Tanımı Malzemelerin, mekanik olmayan fiziksel etkilere karşı davranışını belirleyen özellikleridir. Hacimsel, ısıl, elektriksel ve elektrokimyasal özelliklerdir. Bir üründeki parçaların, mekanik gerilmelere dayanmaktan daha fazlasını yapmaları gerekir. Elektriği iletmeleri (veya iletkenliği önlemeleri), Isı transferine izin vermeleri (veya kaçmasını önlemeleri), Işığı geçirmeleri (veya bloke etmeleri) ve diğer pek çok fonksiyonu yerine getirmeleri gerekir.

48 Fiziksel özellikler çoğu kez işlem performansını etkilediğinden dolayı imalatta önemlidir. Talaş kaldırmada, parça malzemesinin ısıl özelikleri, takım ömrünü belirleyen kesme sıcaklığını etkiler.

49 İmalatta Fiziksel Özellikler Mikroelektronikte, Silisyumun elektriksel özellikleri ve bu özelliklerin kimyasal ve fiziksel işlemlerle nasıl değiştirilebildiği, yarıiletken üretiminin esasını oluşturur.

50 Yarı iletkenler Özgül direnci, iletkenler ile yalıtkanlar arasında bulunan bir malzemedir. En yaygın yarı iletken malzeme Silisyumdur. Doğadaki bolluğu nedeniyle göreceli olarak düşük maliyetlidir ve işlenmesi kolaydır. Yarı iletkenleri eşsiz kılan özellik, entegre devreleri imal etmek üzere, yerel bölgelerde yüzey kimyalarının iletkenliğinin önemli oranda değiştirilebilme kapasitesidir.

51 Yarı iletken özelliğe sahip oluşu ve doğada, ormanda, doğal yaşamda çok bulunması, transistör, diyot ve hafızalarda kullanılabilmesinin pratik hızlı oluşu, entegre devrelerin ve bilgisayarların silisyum teknolojisi üzerine inşa edilmesini sağlamıştır. Bugünlerde ise, "Silikon Vadisi" denilen dev endüstrinin adı bir silisyum bileşiği olan silikondan gelmektedir.

52 Hacimsel ve Erime Özellikleri Katıların hacmiyle ilgili özellikleri ve bu özelliklerin sıcaklıktan nasıl etkilendiğiyle ilgilidir. Yoğunluk Isıl genleşme Erime noktası (sıcaklığı)

53 Yoğunluk Yoğunluk = Birim hacmin kütlesi Tipik olarak g/cm3 tür Atom sayısı ve bunun dışında atom çapı ve atomsal düzeni gibi diğer faktörler tarafından belirlenir.

54 Yoğunluk Niçin Önemlidir? Belirli bir uygulama için malzeme seçimindeki bir kriter; ancak ilgilenilen tek özellik olmayabilir. Dayanım da önemlidir ve bu iki özellik genellikle, çekme dayanımı/yoğunluk olan gerilme/ağırlık oranı şeklinde birbiriyle ilişkilendirilir. Uçak, otomobil vb. ağırlık ve enerjinin göz önünde bulundurulduğu benzeri ürünler için, malzemelerin karşılaştırılmasında faydalıdır.

55

56 Isıl Genleşme Malzemenin yoğunluğu, sıcaklığın bir fonksiyonudur. Genel olarak artan sıcaklıkla yoğunluk azalır. Hacim/Ağırlık oranı, artan sıcaklıkla artar. Isıl genleşme, sıcaklığın yoğunluk üzerindeki bu etkisine verilen isimdir. Isıl genleşme katsayısı olarak ölçülür.

57 İmalatta Isıl Genleşme Isıl genleşme, büzerek ve genleştirerek takma montajlarında kullanılır. Parça, diğer bir parça üzerine takılmasını sağlamak üzere, boyutunu arttırmak için ısıtılır veya soğutulur. Parça oda sıcaklığına döndüğünde, sıkıca takılmış bir montaj elde edilir. Isıl genleşme, işlem sırasında malzeme içinde gelişen ısıl gerilmeler nedeniyle, ısıl işlem ve kaynakta bir problem olabilir.

58 Ergimenin İmalattaki Önemi Metal dökümü metal ergitilir ve ardından kalıp boşluğuna dökülür. Düşük ergime sıcaklığına sahip metallerin dökümü genellikle daha kolaydır. Plastik kalıplama polimerlerin ergime karakteristikleri, hemen hemen tüm polimer şekillendirme yöntemlerinde önemlidir. Toz metallerin sinterlenmesi sinterleme metali ergitmez; ancak tozların birbirine bağlanması için sıcaklığın ergime sıcaklığına yaklaşması gerekir.

59 İmalatta Elektriksel Özellikler Elektrik deşarjıyla işleme metallerden malzeme uzaklaştırmak için kıvılcım formunda elektrik enerjisini kullanır. Ark kaynağı ve elektrik direnç kaynağı gibi en önemli kaynak yöntemleri, metali ergitmek ve birleştirmek için elektrik enerjisini kullanır.

60 Elektrokimya Elektrik ile kimyasal değişimler arasındaki ilişkiyle ve elektrik ve kimyasal enerjinin birbirine dönüşümüyle ilgilenen bilim dalıdır. Bir sulu çözeltide, bir asit, baz veya tuzun molekülleri, pozitif ve negatif yüklü iyonlar halinde ayrışır. İyonlar, çözeltideki yük taşıyıcılardır. Metalsel iletkenlerde elektronların oynadığı rolle aynı rolü oynayarak elektrik akımının iletilmesine sağlarlar.

61 Elektrokimyasal İşlemlerdeki Terimler Elektrolit iyonize olmuş çözeltidir. Elektrotlar elektrolitik iletkende akımın çözeltiye girdiği ve çıktığı yerler Anot pozitif elektrot Katot negatif elektrot Tüm düzenleme bir elektrolitik hücre (pil) adını alır.

62 Elektroliz Çözeltide oluşan bu kimyasal değişikliklere verilen isim Her bir elektrotta, aşağıdaki kimyasal reaksiyonlar oluşur: Metalin ayrışması ve dağılması. Çözeltiden gaz ayrışması. Elektroliz örneği: Suyun ayrışması Elektrolit=sulu sülfürik asit (H2SO4) Elektrotlar=platinyum ve Karbon (her ikisi de kimyasal olarak soydur)

63 İmalat Yöntemlerinde Elektroliz Elektrokaplama - Dekoratif veya başka amaçlarla bir metali (örn. Krom) ince bir tabaka halinde ikinci bir metalin (örn. Çelik) yüzeyine ekleme işlemi. Elektrokimyasal işleme - Bir metal parçanın yüzeyinden malzeme uzaklaştırma yöntemi Hidrojen ve Oksijen gazları üretimi.

64 Değişik malzeme gruplarının özellikleri 64 1