Malzeme Bilimi I (00202)

Transkript

1 Malzeme Bilimi I (00202) Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü 1 Dersin amacı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinde temel konuları tanıtmak Neler öğreneceksiniz: Malzeme yapısı Malzeme yapısı, özellikleri nasıl etkiler Malzemeye uygulanan işlemler yapıyı nasıl değiştirir Dersin faydası: Ders, malzemelerin uygun şekilde kullanımında, seçiminde ve yeni ürünlerin geliştirilmesinde size yardımcı olacaktır. 2 1

2 Ders Notları: Ders Malzemeleri Ders notlarını dersten sonra PDF dosyası olarak benden alabilirsiniz. Ödevler verilecek, fakat toplanmayacak. Sınavlarda bazı sorular ödevlere benzer olacaktır. KİTAPLAR TÜRKÇE Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, W.F. Smith, 2001, Çeviren: Nihat G. Kınıkoğlu, Literatür yayıncılık, İstiklal Caddesi, No:133, kat:1-2, Beyoğlu, İstanbul, Tel: Fiyat. 35 YTL. Ayrıca, Sirkeci ve Beyazıt-Sahaflarda kitabı bulabilirsiniz. Kitaptaki teknik terimlere dikkat ediniz. Anlaşılmayan terimler (ısılyoğruk, güçerir gibi) olursa lütfen bana sorunuz. Ders sırasında Malzeme Bilimi alanında yaygın olan terminoloji kullanılacaktır. Kitaptaki bazı konular derste işlenmeyecektir. Fakat, ilavelerim olacaktır. 3 Ayrıca aşağıdaki kitaplardan faydalanabilirsiniz. İlave Kitaplar: TÜRKÇE 1)Elements of Materials Science and Engineering, L.H. Van Vlack,Addison-Wesley Publishing Company, 1990, Malzeme Bilimine Giriş başlığıyla Recep Safoğlu tarafından Türkçeye çevrilmiştir. 2) Malzeme Bilimi alanında yazılmış diğer kitapların yazarları: A. Halim Demirci, Mehmet Yüksel, M. Erdoğan (Çeviri), Kaşif Onaran (Daha fazla bilgiyi internette bulabilirsiniz ) İNGİLİZCE 1)William D. Callister, Materials Sience and Eng.:An Introduction, John Wiley and Sons Inc (2003) 2)The Science and Engineering of Materials,1992, Yazan: Donald R. Askeland, P. Webster, Yayınevi: Chapman Hall 3)Materials Science. J.C. Anderson ve Arkadaşları, 1974, John Wiley and Sons, New York 4 2

3 DERS PLANI( Malzeme Bilimi I) Ders planı tahmini olup haftalık süreler değişebilir. Bölüm/Konu 1.Malzeme bilimi ve mühendisliğine giriş 2.Atom yapısı, bağları ve özellikler 3.Kristal yapıları ve Kristal geometrileri 4.Kristal Kusurları 5.Katılarda yayınım 6.Mikroyapı ve mekanik özellikler Hafta Bölüm1. Malzeme Bilimi ve Mühendisliğine Giriş Malzemeler ve mühendislik Malzeme türleri Yapı-özellik-Proses* ilişkileri Malzeme seçimi Malzemeler arası rekabet Malzeme kullanımında yeni gelişmeler *: malzemelere uygulanan işlemler 6 3

4 MALZEME NEDİR? Malzeme Nedir? Malzemeler üretim ve imal işlerinde kullanılan fiziksel maddelerdir. Ham malzemeler; malzemenin toplandıktan sonraki halidir. İşlenmemiştir. Kolayca depolanabilir ve taşınabilir. Örnek: kütük İşlenmiş malzemeler; malzemenin son şekle getirilebilecek halidir. Ham malzemenin işlenmiş halidir. Örnek: tahta İşlenmiş malzemeler ustalar tarafından veya makineler tarafından ürüne dönüştürülür. Ürün malzemenin tüketilmeye veya kullanılmaya hazır halidir. Örnek: masa Malzemeleri yeryüzü kabuğundan ve atmosferden elde ederiz. Örnekler : Silisyum (Si) and Demir (Fe), yer kabuğunun sırasıyla ağ.% and %5.00 ini oluşturur. Azot and Oksijen, atmosferdeki kuru havanın sırasıyla hac.%78.08 ve% ini oluşturur. 7 Malzemeler ve Mühendislik Çevremizde en çok görünen malzemeler: ağaç, tuğla, çelik, beton, plastik, cam, aluminyum, bakır Ürünlerde malzeme kullanıldığından her bir uygulama için uygun malzemenin seçilebilmesi ve bunu işlemek (Processing) için en uygun yöntemin belirlenebilmesi, mühendislerin malzemelerin iç yapısı (structure) ve özellikleri (properties) hakkında bilgi sahibi olmalarını gerektirir. Araştırma ve geliştirme mühendisleri, yeni malzemeler geliştirmek veya mevcut olanları iyileştirme için çalışmaktadır. Tasarım mühendisleri ise bu malzemeleri yeni ürünler veya sistemlerin geliştirilmesinde ve tasarımında kullanmaktadır. 8 4

5 Malzemeleri öğrenmek neden önemlidir? Malzemelerin üretimi ve işlenmesi (prosesi) ekonomimizin büyük bir kısmını oluşturur. Mühendisler tasarıma uygun malzemeleri seçer. Yeni uygulamalar için yeni malzemeler gerekebilir. Örnek:- Yüksek sıcaklığa dayanımlı malzemeler Uzay aracı uzaydaki koşullara dayanabilmelidir. * Yüksek hız, düşük sıcaklık, mukavemetli ama hafif. Bazı uygulamalar için özelliklerin değiştirilmesi gerekebilir. Örnek :- Özellikleri değiştirmek için ısıl işlem uygulanır. 9 Bazen, bu durumun tersi olur; Tasarım mühendisleri, ihtiyacı olan yeni malzemelerin yaratılmasını bilim adamı ve mühendislerden istemektedir. Örneğin, mühendisler tasarladıkları ses üstü uzay aracının Mach ses hızında uçabilmesi için 1800 C ye dayanıklı dış çephe malzemelerine ihtiyaç duymuşlardır. Bu amaçla SiC lif (fiber)- titanyum alaşım ve C-C karma malzemeleri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. 10 5

6 Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi, birinci derecede malzemelerin iç yapıları, özellikleri ve işlenmeleri (proses) hakkında temel bilgileri araştıran bir bilim dalıdır. Malzeme Mühendisliği, malzeme bilimi vasıtası ile elde edilen bilginin malzemelerin ürünlere dönüştürülmesi amacı ile yapılan uygulamalı çalışmaları kapsar. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği her ikisini de içerir. 11 Yapı-Özellik-Proses İlişkileri Tane Kompozit (karma) Kristal Atom Yapı Özellik Proses Doğal kompozit (Kemik) 12 6

7 Yapı Mekanik (dayanım vs.) Özellikler Proses Elektriksel (direnç vs.) Çevresel (korozyon vs.) Optik (Geçirim vs.) Isısal (iletkenlik vs.) Manyetik 13 Yapı Özellik Proses Fotolitografi Derin çekme Enjeksiyon kalıplama Sinterleme 14 7

8 Proses yapıyı değiştirir. Örnek:Mikroyapı-Çeliğin soğuma hızı Mikroyapı Sertlik (BHN) Soğuma hızı ( C/sn) Özellikler yapıya bağlı olarak değişir. Örnek: Sertlik-çeliğin mikroyapısı 15 Bakırın elektrik direnci (ρ): Empürite atomlarının (Ör.Ni atomu) ilavesi ve deformasyon (şekil değiştirme) elektrik direncini artırır. Direnç (ρ) Deforme edilmiş Saf Cu 16 8

9 Bakırın ısıl (termal) iletkenliği (κ), Zn ilavesi ile azalır. Termal İletkenlik 17 Malzemeye bir işlem (Proses) uygulandığında özelliklerdeki değişime dikkat edilmesi gerekir; Bir özellik (örneğin, mukavemet) artarken diğeri (örneğin, süneklik) azalır. Bu bakımdan proses-özellik arasında denge kurulumalıdır. Pirinç Çekme Mukavemeti Tavlama sıcaklığı Süneklik (%Uzama) Akma Mukavemeti Soğuk İşlem % Süneklik (%Uzama) 18 9

10 Malzeme Seçim Süreci 1. Uygulama Özellikler Uygulamaya uygun gerekli özellikler tespit edilir. Özellikler: termal, mekanik, optik, manyetik, elektrik ve korozyon (yenim) 2. Özellikler Malzeme(ler) Özellikleri veren malzeme belirlenir. Malzeme: Bileşim, yapı 3. Malzeme Proses Gerekli olan proses veya süreç belirlenir. Proseslere örnek:döküm, sinterleme, şekillendirme, tavlama, birleştirme, kaynak 19 MARS ARACI Mars aracı çeşitli malzemelerden yapılmıştır. * Metal * Seramik * Kompozit * Polimer * Yarı iletkenler 20 10

11 Malzeme Cinsleri Metalik Malzemeler Bir veya daha fazla metalik elementten oluşur. Örnek: Demir, Bakır, Aluminyum. Metallik element, metalik olmayan elementi (C, N gibi) bünyesinde barındırabilir. Inorganik olup atomları düzenli bir şekilde yer aldığı kristal yapıya sahiptir. İyi elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptir. Çoğu oda sıcaklığında dayanımlı ve sünek olup yüksek sıcaklıklarda bile nispeten dayanımlarını korurlar. Metal ve alaşımları* Demir esaslı Ör: Çelik, Dökme demir Demir dışı Ör: Bakır, alüminyum *: Bir metal alaşımı, iki veya daha fazla metalden ya da metal ile metal olmayan elementlerden oluşur. 21 Polimerik (Plastik) Malzemeler Organik (karbon içeren) uzun molekül zincirlerine ve ağına sahip çoğu kristal olmayan malzemelerdir. Bazılarında kristal ve kristal olmayan kısımlar beraberce bulunabilir. Elektriği kötü iletirler. Dolayısı ile yalıtkandırlar. Mukavemet ve süneklilik büyük değişiklikler göstermektedir. Çoğunlukla düşük yoğunluğa, düşük bozunma ve yumuşama sıcaklığına sahiptirler. Örnekler:- Poli Vinil Klorür (PVC), Polyester. Uygulamalar :- Beyaz eşya, DVD, Kumaşlar vs

12 Seramik Malzemeler Birbirine kimyasal olarak bağlı metalik ve metal olmayan elementlerden oluşan, organik olmayan malzemelerdir. Kristal yapıda veya kristal olmayan yapıda veya bunların karışımı olabilir. Mekanik olarak kırılgandırlar. Yüksek sertlik, yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek aşınma direnci göstermektedirler. Isıyı az geçirir. Bu bakımdan yüksek sıcaklık sıvı metal ve ısıl işlem fırınlarında astar olarak kullanılır. Diğer uygulamalar : Aşındırıcılar (abrasifler), inşaat malzemeleri, mutfak eşyaları vs. Örnek- Porselen, cam, silisyum nitrür. 23 Üç ana malzemenin karakteristik özellikleri Metal Mukavemetli Sünek Elektriği iletir Isıyı iletir Saydam değil Parlak Seramik Mukavemetli Kırılgan Elektriği i iletmez Isıyı iletmez Saydam olabilir Isıya dayanıkl klı Polimer Ekseri mukavemetsiz Çok sünek Elektri triği iletmez Isıyı iletmez Saydam değil Düşük k yoğunluk 24 12

13 Karma (Kompozit) Malzemeler İki veya daha fazla malzemenin karışımı Dolgu ve güçlendirme malzemeleri ile bağlayıcıdan ibarettir. Malzemeler birbiri içinde çözünmez ve birbirlerinden bir ara yüzeyle ayrılır. İki tip karma malzeme: o Lifli (Fiber): Fiberler, ana faz (matris) içinde. o Parçacıklı (Particle): Anafaz içinde parçacıklar o Ana faz (matris): metal, seramik, polimer olabilir. Örnekler : Cam lif ( epoksi veya polyester matris içinde güçlendirici malzeme) Beton ( çakıl taşları ve çelik çubuklar ile güçlendirilen çimento ve kum) Uygulamalar:- Uçak kanatları, inşaat. 25 Elektronik Malzemeler Hacım olarak büyük miktarlarda değil, fakat çok önemli malzemeler. Silisyum, en çok bilinen elektronik malzeme P, Sb gibi çeşitli katkılarla (Dopants) elektrik özellikleri değiştirilebilir. Örnekler:- Silisyum yongalar, tranzistörler Uygulamalar :- Kompüter, hesap makineleri, uydular, cep telefonları vs

14 Malzemeler Arası Rekabet Malzemeler arasında rekabet vardır. Maliyet ve performansa bağlı olarak farklı malzemelerin kullanımı zamanla değişmektedir. Teknolojik değişimlere bağlı olarak yeni, daha ucuz ve daha iyi malzemeler eskilerin yerini almaktadır. Ağırlık (lb) lb/car /otomobil Örnek: Model Yıl Year Aluminum Iron Demir Plastic Steel çelik Otomobilde kullanılan malzeme miktarının yıllara bağlı değişimi 27 Yeni Gelişmeler ve Gelecekteki Eğilimler Metallik Malzemeler Üretim, ekonomiyi yakın takip eder. Gelişmiş alaşımlar, daha iyi proses ve kimyasal kontrol ile elde edilebilir. Yeni havacıık alaşımları devamlı araştırılmaktadır. o Amaç: sıcaklık ve korozyon dayanımını artırmak o Örnek: Nikel esaslı süperalaşımlar. Yeni proses teknikleri araştırma o Amaç: Ürün ömrü ve yorulma özelliklerini artırma o Örnek: Izotermal dövme, toz metalurjisi. Biyomedikal uygulamalar için metaller Süperalaşım metal malzeme içeren uçak motoru 28 14

15 Polimerik (plastik) malzemeler Yılda %9 büyüme gösterdi yılından sonra büyüme hızı azaldı (Doygunluk) Farklı polimerik malzemeleri karıştırmak suretiyle yeni plastik alaşımlar hazırlanabilir. Yeni plastikler için araştırmalar devam etmektedir. Polikarbonat DVD 29 Seramik Malzemeler Son 20 yıl içinde yeni mühendislik seramikleri üretildi. Yeni malzemeler ve uygulamalar sürekli bulunmakta Şimdilerde bunlar oto ve biyomedikal uygulamalar için kullanılmakta. Seramiklerin prosesi pahalı Kırılgan oldukları için kolayca tahrip olurlar. Daha iyi proses teknikleri ve yüksek-darbe dayanımlı seramikler araştırılmalı ve geliştirilmeli İleri seramik parçaları:motor pistonu, türbin kanatları vs

16 Kompozit Malzemeler Fiber takviyeli plastikler çok kullanılmaktadır arasında yılda ortalama %3 büyüme Yıllık %5 büyüme yeni kompozitler (mesela, fiber cam-epoksi ve grafit-epoksi) için tahmin edilmektedir. Ticari uçaklarda daha fazla kompozit malzeme kullanılacaktır. Fiber takviyeli kompozitte kırık yüzey 31 Elektronik Malzemeler 1970 den beri elektronik malzemelerin (mesela, Si) kullanımı hızla arttı. Geleceğin imalat teknolojisinde çok önemli yere sahip olacaklardır. Bilgisayar ve robotların kullanımı artacak ve bu da elektronik malzemelerin tüketimini hızlandıracaktır

17 Akıllı Malzemeler: Dış uyarılma ile özelliklerini değiştirir. Şekil bellekli alaşımlar: Deforme edilmiş malzeme bellil bir kritik sıcaklığın üstüne çıkarılırsa orijinal şekline geri döner. Kalp kapakçıklarında ve damarları açmak için kullanılır. Piezoelektrik malzemeler: Kuvvet uygulandığında elektrik alanı üretir veya tam terside olabilir. Sensörler, aktüatörler 33 Örnek çalışma Malzeme seçimi Problem: Bisiklet gövdesi ve çatalı için malzeme seçimi yapınız.. Çelik ve alaşımları Tahta Karbon lifli plastik Al alaşımları Ti ve Mg Alaşımları Düşük maliyet Fakat ağır. Düşük korozyon direnci Hafif. Şekillendirme zor Çok hafif, Mukavemetli. Korozyon yok Çok pahalı Hafif. Nispeten mukavemetli Korozyon az. Pahalı Al alaşımlarından biraz daha iyi. Fakat, daha pahalı Maliyet önemli ise? Çeliği seç Özellikler önemli ise? Karbon lifli plastiği seç

18 Kriter Malzeme Maliyet Ampul için malzemeler seçimi? 35 ÖZET Belli bir iş için doğru malzeme kullan! Yapı-özellik-proses ilişkilerini iyi bil! Malzeme seçiminin yeni ürün fırsatları yarattığını bil! 36 18